某永磁直流力矩電動機轉軸傾斜現象質量改進

2022-10-24 08:39:26李文俊唐玉春張學敏秦祖和

微特電機 2022年10期

李文俊，唐玉春，張學敏，秦祖和，張瑗

(1.裝備發展部軍事代表局駐上海地區軍事代表室，上海 200437；2.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

某永磁直流力矩電動機(以下簡稱電機)用于配套某武器平臺位標器系統，用戶反饋有個別電機存在轉軸傾斜的現象，造成整機部分指標臨界，電機使用時可能存在轉軸松動、結構失效的風險。針對用戶方反饋的質量信息后，我們組織專業技術人員進行了摸排、分析與整改。

1 轉軸傾斜現象分析與定位

在該型電機的技術要求中，對電機的外觀要求：表面應無銹蝕、碰傷、劃痕或涂覆層脫落，緊固件連接應牢固，引出線標記及銘牌字跡應清楚無誤，引出線應完整無損。通過復查轉軸傾斜的電機發現，使用0.5 mm塞尺塞進轉軸與護罩間隙，一周均能塞進，電機安裝配合面同軸度復測值為φ0.012 mm，符合技術要求。可以得出結論：電機雖然出現轉軸傾斜現象但仍符合技術要求，因此該現象并非質量問題[1]。考慮到電機轉軸傾斜現象可能會影響總體裝備的部分性能指標以及電機應用場景的敏感性，根據轉軸傾斜現象和電機結構特點，建立以轉軸傾斜為頂事件的故障樹，如圖1所示。通過拆解轉軸傾斜的電機，復測有關尺寸、檢查軸承收入檢驗記錄和投料記錄以及多余物情況，可以排除底事件X1、X2、X3、X4。電機技術狀態已固化且生產過多個批次，通過分析，尤其與上個批次生產條件對比，裝配工序與裝配人員均未發生變化，底事件X5的可能性不能排除。因此，將電機轉軸傾斜的原因定位為轉軸安裝不到位。

2 機理分析與復現

2.1 機理分析

根據電機轉軸安裝工藝，轉軸與轉子通過止口配合，端面使用均勻分布的3顆3-M2沉頭螺釘鎖緊，保證轉子左側端面與轉軸右側的沉孔底面靠平壓緊，使轉軸與轉子滿足同軸要求。由于配合間隙小、摩擦阻力大，假如轉軸開始推入轉子時就發生偏斜，則會存在一高一低的情況，如圖2所示。接觸點1和接觸點2的摩擦阻力，使得轉軸不容易回到正常位置。如果此時正好靠近低點位置的螺釘1先被擰緊，摩擦阻力隨著接觸點1的軸向壓力加大而增大，使得接觸點1無法滑動，螺釘2、3隨后擰緊時，接觸點2的摩擦阻力也隨之增大，使得轉軸無法在螺釘2、3的軸向壓力下回正，從而造成轉軸安裝傾斜。

可以看出，轉軸最終安裝傾斜需要同時滿足以下幾個條件：

1)轉軸初始安裝時沒有一步推入到位，初始狀態傾斜；

2)其中有一個螺釘位置正好在轉軸低點附近；

3)第一個擰緊的螺釘正好處在上述低點附近；

4)傾斜幅度足夠大，以至于在第一個螺釘擰緊時產生的軸向壓力不能克服接觸點1的摩擦阻力發生位移，后續擰緊螺釘產生的軸向壓力無法克服接觸點2的摩擦阻力發生位移。

2.2 現行測試方法分析

該型電機為組裝式結構，由定子、轉子、刷架組件、護罩、轉軸、軸承等零部件組成。產品規范中關于同軸度的試驗方法引用的是GJB 361B—2015《控制電機通用規范》4.5.6條款 “電機轉軸(φ8 mm)垂直放置并固定，千分表的測量頭置于安裝配合面(φ56.5 mm)上，轉動定子，判斷千分表的最大與最小讀數之差是否小于φ0.05 mm”[2]，具體如圖3所示。

從圖3可以看出，該型電機無論轉軸1裝配是否傾斜，測試轉軸與機殼同軸度時，機殼均以轉軸2旋轉，無法通過測試同軸度判斷轉軸1是否傾斜。另外，轉軸與電機護罩之間的間隙很小，即使轉軸傾斜也很難通過肉眼查覺。

2.3 軸伸徑向圓跳動測試

基于上述分析，提出測試軸向垂直方向的徑向指標——軸伸徑向圓跳動來判斷此類電機轉軸是否傾斜。根據軸伸徑向圓跳動的測試方法[2]，以定子安裝面φ56.5 mm為基準，將電機機殼固定，千分表的測量頭置于轉軸φ8 mm上，并盡可能靠近軸伸端，慢慢地轉動轉軸，判斷千分表的最大與最小讀數之間是否符合要求，具體方法如圖4所示。

該型電機轉軸是通過螺釘固定在轉子軸套上的，轉軸的圓跳動主要由軸承徑向間隙、軸承與轉子內孔的配合間隙、轉子內孔與外圓的同心度、轉子外圓與轉軸內孔的配合間隙、轉軸內孔和轉軸軸伸的同心度等組成，通過查閱相關參數得知，該電機軸伸徑向圓跳動理論最大值為0.112 mm。出現轉軸傾斜現象電機的軸伸徑向圓跳動測試值為0.20 mm，超出了理論最大值。松開該電機轉軸固定螺釘后將軸松動，把轉軸裝配到位后重新擰緊固定螺釘，測試該電機的軸伸徑向圓跳動，結果為0.022 mm，轉軸傾斜現象消失。隨后按照前文所述條件，對電機轉軸傾斜現象進行了復現，軸伸徑向圓跳動測試值為0.18 mm，超出了理論最大值。

3 質量改進措施

對于電機轉軸傾斜現象，主要擔心的是電機在工作時可能會產生轉軸松動、結構失效的風險。所以，在提出質量改進措施前，首先進行理論分析與試驗驗證，以判斷電機在使用時轉軸是否松動。

3.1 理論分析

電機工作時，轉軸通過鋼絲繩輸出轉矩，電機轉軸受鋼絲繩產生的徑向力F1、F2作用，軸向受3-M2螺釘鎖緊后的預緊力F3、F4、F5作用，具體如圖5所示。轉軸安裝傾斜時，由于下側間隙的存在，在外力F1、F2作用時，間隙有減小的趨勢，需計算轉軸傾斜發生回正時的F1、F2最小值，來判斷正常工作時徑向外力F1、F2是否會引起轉軸傾斜回正，導致螺釘松動、結構失效。

通過查閱螺釘緊固扭矩、螺紋摩擦系數、支撐面摩擦系數、螺釘公稱直徑等相關參數，可以計算得到軸向預緊力F3、F4、F5值為450 N，電機在整機上受力F1、F2設計值為200 N，對應的力臂L3=2.2 mm，L4=L5=16 mm，L1=3.85 mm，L2=9.35 mm。F1、F2向下外力產生彎矩W1、W2與螺釘預緊力F3、F4、F5產生彎矩W3、W4、W5同向。在外力F1、F2作用下，隨著W1、W2增大，W3、W4、W5減小，總力矩保持不變，與阻力矩W6平衡。當F1、F2為0時，可以計算得到阻力矩：

W6=W3+W4+W5=F3L3+F4L4+F5L5=

450×2.2+450×16+450×16=

15 390 N·mm

當W1+W2=15 390 N·mm時，螺釘預緊力降為0，

W1+W2=F1L1+F2L2，且F1=F2，則可以計算得到此時對應的外力F1=F2=1 166 N。如果繼續加大W1、W2，需要的阻力矩開始加大，結構存在松動失效風險。換言之，當F1、F2大于1 166 N時，接觸點存在滑動位移的可能，會造成傾斜的轉軸回正、螺釘松動。通過理論計算可以得出結論，在當前F1、F2為200 N條件下，電機結構不會在轉動過程中發生松動失效。

3.2 試驗驗證

選取2臺轉軸傾斜的電機進行振動(隨機振動Ⅰ、機動抖振、自主飛行振動)和沖擊(沖擊Ⅰ、沖擊Ⅱ)試驗，試驗結束后測試電機軸伸徑向圓跳動，結果如表1所示。另選取2臺轉軸傾斜的電機，模擬電機在整機中的使用環境，對轉軸徑向加載200 N的外力F1、F2，測試外力加載前后軸伸徑向圓跳動，結果如表2所示。

表1 振動和沖擊試驗前后軸伸徑向圓跳動測試值對比

表2 徑向力加載試驗前后軸伸徑向圓跳動測試值對比

從表1、表2可知，轉軸傾斜的電機在振動和沖擊試驗、徑向力加載試驗前后軸伸徑向圓跳動沒有明顯變化，電機轉軸也沒有發生松動，印證了本文理論分析的正確性。

3.3 質量改進措施

針對電機轉軸傾斜現象制定如下措施：

1)對于已交付且已裝機的電機，經理論分析和試驗驗證，轉軸傾斜不會造成電機松動，并且整機對應的測試合格，不影響整機性能，可以正常使用，用戶對該方案予以認可。

2)對于已交付未裝機的電機，補測轉軸軸伸徑向圓跳動，對圓跳動超差的電機由承制單位重新安裝轉軸，軸伸徑向圓跳動復測合格后用戶予以接收。

3)承制單位生產的電機中只有該型電機轉軸為組裝式結構，為此，轉軸傾斜現象質量改進只涉及該型電機。

對于后續該型電機，改進措施包括：

1)增加技術要求。考慮到電機實際使用需求，承制單位與用戶方商定增加軸伸徑向圓跳動不大于0.07 mm的技術要求。

2)修改工藝文件，增加過程質量控制點。修改電機生產工藝文件，要求轉軸裝入轉子后旋轉一周應能轉動靈活、無卡殼，確保安裝到位；3-M2螺釘固緊時，按照緊固件間相互影響最小原則，3個螺釘先初步預擰緊，再使用力矩螺絲刀按力矩要求(0.4 N·m)擰緊到位；轉軸安裝工序完成后，將電機放置專用工裝上，通電1 V，測試轉軸φ8 mm徑向圓跳動，要求不大于0.07 mm。

3)修訂產品規范，增加測試項。按照本文所述方法，在電機產品規范中增加軸伸徑向圓跳動A組測試項，后續電機的檢驗驗收按照新修訂的產品規范進行。