小型動(dòng)力裝置的低溫故障分析

郭迎輝

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安710300）

1 概述

在我國(guó)隨著低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用, 相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也對(duì)低溫動(dòng)力系統(tǒng)不同工作階段開展了有針 對(duì)性的仿真分析[1-4]。但在動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷方面的研究工作比較少, 缺少系統(tǒng)性的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,距離工程應(yīng)用層面的系統(tǒng)開發(fā)和使用還有很大差距[5-6]。因此,從仿真方面分析與掌握動(dòng)力系統(tǒng)低溫特性是解決動(dòng)力系統(tǒng)低溫卡滯的首要任務(wù)。

本文將從小型動(dòng)力裝置的低溫變形和低溫潤(rùn)滑兩個(gè)方面建立低溫故障分析體系?；诘蜏胤抡娣治鲎冃?、理論計(jì)算低溫變形、試驗(yàn)驗(yàn)證,提出各個(gè)零部件低溫變形的指標(biāo)并分析對(duì)低溫故障的影響, 采用低溫仿真分析法建立低溫變形數(shù)據(jù), 通過(guò)計(jì)算、仿真、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了低溫故障分析的依據(jù),結(jié)果表明該分析方法推理正確,分析得當(dāng),得到了故障的根本原因點(diǎn)。

2 故障現(xiàn)象描述

小型動(dòng)力裝置共有6 臺(tái), 在高低溫試驗(yàn)中6 臺(tái)產(chǎn)品的試驗(yàn)狀態(tài)是發(fā)條和輪系加4116 高低溫潤(rùn)滑油。對(duì)6 臺(tái)產(chǎn)品分別進(jìn)行了常溫、常溫真空、高溫、低溫、回常溫真空、開真空罐后的測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,測(cè)試結(jié)果如下:

2.1 6 臺(tái)產(chǎn)品在常溫、常溫真空、高溫時(shí)均能夠正常工作。

2.2 低溫-116℃時(shí)所有產(chǎn)品均不能工作。

2.3 低溫-86℃時(shí)1、2、6 號(hào)產(chǎn)品展開時(shí)間延長(zhǎng),釋放時(shí)間為一分鐘左右(正常為20s 左右),展開到位,其它產(chǎn)品不能工作。

2.4 低溫-80℃時(shí)1、2、6 號(hào)產(chǎn)品能夠正常工作,其他產(chǎn)品不能工作。

2.5 低溫-70℃時(shí)1、2、6 號(hào)產(chǎn)品能夠正常工作,其他產(chǎn)品均不能工作。

2.6 低溫-50℃時(shí)1、2、4、6 號(hào)產(chǎn)品均能夠正常工作其他產(chǎn)品均不能工作。

2.7 在回常溫真空狀態(tài)下和開真空罐后時(shí)1、2、3、4 號(hào)產(chǎn)品均能夠正常工作,5 號(hào)產(chǎn)品不能工作。

3 右橫桿部件分析

對(duì)小型動(dòng)力裝置發(fā)生的低溫卡滯故障進(jìn)行分析具體分析過(guò)程如下。

3.1 右橫桿部件線性變形計(jì)算

膨脹系數(shù)α 鋁=22×10-6/ °C,右橫桿上裝橫桿軸承的孔徑為d=7mm, 鉸鏈架的璧厚為2.05mm, 右橫桿上2 個(gè)軸孔在-110℃時(shí)的膨脹量為:

3.2 右橫桿部件的扭曲變形計(jì)算

右橫桿加載及環(huán)境溫度的設(shè)定, 溫度的設(shè)定通過(guò)ANSYS 中的環(huán)境溫度設(shè)定為-110°C,經(jīng)加載和約束后,在后處理結(jié)果中可以預(yù)先設(shè)定右橫桿的總體變形云圖和單側(cè)臂的軸向變形云圖以及內(nèi)齒輪的徑向變形云圖。圖1-圖6 為總體變形云圖和局部變形云圖,從圖中可以得到以下結(jié)論:

從圖1 中可以得到右橫桿的總體變形中的最大值9.9701e-5m,且最大變形的位置在右橫桿的右端的管壁處。從圖2 中可以得到右橫桿的左側(cè)內(nèi)壁的最大變形值為1.3427e-5m。從圖3 中可以得到右橫桿的右側(cè)內(nèi)壁的最大變形值為1.3613e-5m。從圖4 中可以得到右橫桿的左側(cè)外壁的最大變形值為1.3472e-5 m。從圖5 中可以得到右橫桿中的內(nèi)齒輪的最大變形為4.1627e-5m。從圖6 中可以得到右橫桿中的內(nèi)齒輪的最大變形為4.9417e-6m。

圖1 右橫桿部件總體變形云圖

圖2 右橫桿部件左側(cè)內(nèi)壁軸向變形云圖

圖3 右橫桿部件右側(cè)內(nèi)壁軸向變形云圖

圖4 右橫桿部件左側(cè)外壁軸向變形云圖

圖5 右橫桿部件右側(cè)外壁軸向變形云圖

圖6 右橫桿部件內(nèi)齒輪徑向變形云圖

右橫桿部件的線性變形以及扭曲變形對(duì)同步齒輪的正常工作沒(méi)有影響。具體計(jì)算的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)影響對(duì)照表

4 發(fā)條的故障排查

發(fā)條的故障對(duì)應(yīng)發(fā)條材料性能變化, 發(fā)條結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,發(fā)條斷面摩擦。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拆卸,分別對(duì)比試驗(yàn)后的發(fā)條和新的發(fā)條的區(qū)別,并對(duì)發(fā)條釋放力矩進(jìn)行測(cè)量。從圖7 中可以看到產(chǎn)品的發(fā)條與新的未經(jīng)使用過(guò)的發(fā)條在結(jié)構(gòu)上的變化比較小沒(méi)有影響。從圖8 中可以得出的結(jié)論是低溫時(shí)發(fā)條材料性能的變化對(duì)發(fā)條力矩釋放影響較小,可以排除。發(fā)條的端面距條盒蓋的距離是0.7,距條盒墊片的距離是0.55,也就排除了發(fā)條斷面摩擦。

圖7 右橫桿部件內(nèi)齒輪徑向變形云圖

圖8 右橫桿部件內(nèi)齒輪徑向變形云圖

5 機(jī)芯座故障排查

機(jī)芯座故障排查的過(guò)程如下:

5.1 機(jī)芯座的線性變形計(jì)算

線膨脹系數(shù)α 鋼=13.5×10-6/ °C

機(jī)芯座上輪系軸承孔分別為:d1=5mm、d2=3mm。

機(jī)芯座2 類軸孔在-110℃時(shí)的膨脹量為:

5.2 機(jī)芯座的扭曲變形

ANSYS 分析過(guò)程如下:

機(jī)芯座溫度的設(shè)定通過(guò)ANSYS 中的環(huán)境溫度設(shè)定為-110°C,經(jīng)加載和約束后在后處理結(jié)果中可以預(yù)先設(shè)定機(jī)芯座的總體變形云圖和機(jī)芯座上的軸孔的徑向變形云圖。機(jī)芯座的總體變形云圖見(jiàn)圖9,機(jī)芯座的軸孔的X 向變形云圖見(jiàn)圖10,機(jī)芯座的軸孔的Z 向變形云圖見(jiàn)圖11。從圖中可以得到以下結(jié)論: 從圖9 中可以得到機(jī)芯座的總體變形中的最大值為1.9949e-5m, 且最大變形的位置在機(jī)芯座的放條桿處。從圖10中可以得到機(jī)芯座的軸孔處的X 向變形的最大值為3.3968 e-6m。從圖11 中可以得到機(jī)芯座軸孔處的Z 向變形的最大值為5.212e-6m。

圖9 機(jī)芯座總體變形云圖

圖10 機(jī)芯座軸孔處的X 向變形云圖

表2 機(jī)芯座數(shù)據(jù)影響對(duì)照表

6 機(jī)芯溫變故障分析

控速輪系的軸套的材料為皮青銅, 鈹青銅的線膨脹系數(shù)為α 銅=16.6×10-6/ °C,其規(guī)格為φ1.5、φ1.0、φ0.7。力矩增大輪系的軸套的材料為9Cr18,9Cr18 的線膨脹系數(shù)為α9Cr18=10.5×10-6/ °C,其規(guī)格為φ2。齒軸的材料為1Cr17Ni2, 1Cr17Ni2 的線膨脹系數(shù)為α1Cr17Ni2=10.0×10-6/°C。齒軸有四種規(guī)格分別為φ2、φ1.5、φ1.0、φ0.7。四種齒軸在-110℃時(shí)的線性變形為:

圖11 機(jī)芯座軸孔處的Z 向變形云圖

表3 機(jī)芯檢測(cè)數(shù)據(jù)

綜上所述,由于溫變所引起的線性變形是在公差范圍之內(nèi)的,故可以排除故障。

7 故障定位

通過(guò)上述的故障排查,故障最終定位在低溫潤(rùn)滑失效上。對(duì)應(yīng)于低溫潤(rùn)滑失效,包括了兩組輪系的低溫潤(rùn)滑,一組是增速輪系的低溫潤(rùn)滑,另一組是控速輪系的低溫潤(rùn)滑。通過(guò)試驗(yàn),充分證明了引起本次試驗(yàn)發(fā)生故障的原因?yàn)樵诘蜏卣婵窄h(huán)境下,擒縱控速輪系的低溫潤(rùn)滑失效,導(dǎo)致各處運(yùn)動(dòng)副摩擦增大,傳動(dòng)效率降低,阻力矩增大,負(fù)載能力相應(yīng)降低,引起不能正常展開釋放。

結(jié)束語(yǔ)

本文采用低溫仿真變形和低溫計(jì)算變形方法,復(fù)現(xiàn)了低溫故障過(guò)程,通過(guò)分析各個(gè)零部件的低溫變形,指出低溫潤(rùn)滑失效是導(dǎo)致低溫故障的主要原因。分析過(guò)程主要利用了仿真、計(jì)算、試驗(yàn),獲取所有零部件的低溫變形數(shù)據(jù)。仿真試驗(yàn)通過(guò)排除法驗(yàn)證了故障原因。 最后針對(duì)小型動(dòng)力裝置仿真和實(shí)踐,證明了低溫卡滯本文方法具備通用性,在處理低溫故障具有安全性。