一型電機故障帶來的設(shè)計改進

王獻勇

（航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

1 產(chǎn)品情況

某型機載光電產(chǎn)品是一個集可見光、紅外、激光、精密機械、自動控制、圖像處理等多個專業(yè)于一體的光電傳感器，主要用于晝夜間對環(huán)境進行搜索，對目標進行識別、瞄準、跟蹤等。光電產(chǎn)品裝機位置及示意略圖如圖1所示。

圖1 類似光電產(chǎn)品安裝位置及示意略圖

光電產(chǎn)品在搜索、跟蹤目標的過程中，其俯仰方向運動由控制系統(tǒng)通過內(nèi)、外俯仰電機驅(qū)動俯仰框架實現(xiàn)，方位方向運動由控制系統(tǒng)通過內(nèi)、外方位電機驅(qū)動方位框架實現(xiàn)。控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 光電產(chǎn)品控制系統(tǒng)原理略圖

外俯仰電機部件通過鏈條驅(qū)動外俯仰軸系實現(xiàn)外俯仰框旋轉(zhuǎn)運動。外俯仰電機選用某型電機組合件，由直流電機和齒輪減速箱組成。鏈輪由主從鏈輪配合成套使用，主動鏈輪裝配在某型電機減速箱輸出軸上，從動鏈輪安裝在外俯仰軸系上。外俯仰鏈輪傳動關(guān)系及外俯仰電機部件如圖3所示。

圖3 外俯仰鏈輪傳動示意圖及外俯仰電機部件外形圖

2 故障定位

2.1 故障概述

用戶將兩臺光電產(chǎn)品返回廠家，反饋一臺產(chǎn)品故障現(xiàn)象為俯仰方向卡滯，另一臺故障現(xiàn)象為轉(zhuǎn)塔異常抖動。廠家對兩臺光電產(chǎn)品進行了通電檢測，故障均復(fù)現(xiàn)。拆開產(chǎn)品后，發(fā)現(xiàn)兩臺產(chǎn)品的外俯仰電機部件電機輸出軸均出現(xiàn)彎曲，造成電機轉(zhuǎn)動異常，影響了產(chǎn)品內(nèi)部鏈條的傳動和隨動控制工作，從而造成產(chǎn)品俯仰方向轉(zhuǎn)動的卡滯和轉(zhuǎn)動過程中塔體的抖動。通過更換外俯仰電機部件，故障現(xiàn)象消失，故障排除，兩臺產(chǎn)品均恢復(fù)正常工作。輸出軸彎曲電機如圖4所示。

圖4 外俯仰電機故障示意圖

根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合機械傳動工作機理，建立電機輸出軸彎曲故障樹，如圖5所示[1]。

圖5 外俯仰電機輸出軸彎曲故障分析圖

2.1.1 電機減速箱輸出軸質(zhì)量問題排查

電機組合件（包括電機和減速箱）生產(chǎn)廠家為全球范圍內(nèi)高精密電機和驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)品供應(yīng)商，該廠家生產(chǎn)的電機質(zhì)量及技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療、安全及航空航天等各領(lǐng)域。本產(chǎn)品選用的是某型標準貨架產(chǎn)品，該型電機在其他型號光電產(chǎn)品上均較多采用，未發(fā)生過同類問題，其發(fā)生質(zhì)量缺陷的可能性非常低，可以排除。

2.1.2 電機部件裝配問題排查

根據(jù)圖紙要求，電機軸端安裝小鏈輪，通過銷釘穿軸進行定位，電機部件安裝在主框架上，通過鏈條驅(qū)動大鏈輪。經(jīng)查，故障件安裝方式與圖紙一致。

電機配打銷釘在一定程度上會減弱電機軸強度。經(jīng)查，故障電機彎曲位置為靠近電機減速箱位置，而非配打銷釘位置，由此可排除電機配打銷釘原因。

在轉(zhuǎn)塔安裝工藝中，要求電機部件裝配后進行跑合，跑合完成后調(diào)整鏈條松緊度，以保證電機傳動平穩(wěn)、無卡滯。檢查故障產(chǎn)品，鏈條不存在過緊現(xiàn)象，由此排除鏈條張緊過大導(dǎo)致電機軸彎曲問題。

2.1.3 外俯仰電機齒輪箱輸出軸強度不足問題排查

光電產(chǎn)品在載機飛行時，電機輸出軸受到扭矩和徑向力作用，在此條件下，當(dāng)最大應(yīng)力超過材料屈服強度時，可引起電機輸出軸彎曲故障。對故障件的分析表明，電機輸出軸為懸臂結(jié)構(gòu)，在鏈條施加的徑向力和電機施加的驅(qū)動力矩共同作用下，電機輸出軸應(yīng)力超出其材料屈服強度，致使電機輸出軸從根部彎曲。外俯仰電機輸出軸強度不足是本故障發(fā)生的主要原因[2]。

2.2 故障定位結(jié)果

外俯仰電機輸出軸彎曲是因為該電機輸出軸應(yīng)力超出其材料屈服強度，使電機輸出軸從根部出現(xiàn)彎曲，從而導(dǎo)致外俯仰框轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)抖動、卡滯或電機軸卡死等故障現(xiàn)象。

3 電機輸出軸彎曲故障原因分析

3.1 電機輸出軸受力分析

電機輸出軸為懸臂結(jié)構(gòu)，外形尺寸為φ6 mm×16 mm。

產(chǎn)品工作過程中，電機驅(qū)動力矩通過鏈傳動驅(qū)動外俯仰框架，克服摩擦力矩、風(fēng)阻力矩、不平衡力矩、牽拉力矩及載機搖擺產(chǎn)生的加速力矩等擾動力矩，鏈傳動過程中，輸出軸受到電機驅(qū)動力矩作用和鏈條的拉力作用。

3.1.1 輸出軸受到的扭矩計算

由某型光電產(chǎn)品設(shè)計報告可知，外俯仰框架最大驅(qū)動力矩為M=7 N·m。

主從鏈輪傳動比為：

則小鏈輪上的最大扭矩為：

即輸出軸上受到的最大扭矩為1.8 N·m。

3.1.2 輸出軸受到的徑向力計算

俯仰最大角速度ω：ω=40（°）/s≈0.7 rad/s。

外俯仰框架最大負載功率：

鏈條傳遞功率：

從動鏈輪齒數(shù)z2：z2=70；最高轉(zhuǎn)速n2：n2=40（°）/s≈6.7 r/min；節(jié)距p：p=6.35 mm。

鏈條速度v：

有效圓周力Ft：

工況系數(shù)f1=1～1.8，其值根據(jù)具體工況選取，則作用在輸出軸上的徑向力FR：

FR=1.2f1Ft=1.2×（1～1.8）×98≈（118～212）N

根據(jù)廠家提供的電機選型手冊，該型電機減速箱輸出軸最大允許輸出徑向載荷（離法蘭10 mm處）為F徑向允許=140 N。

根據(jù)輸出軸受力分析可知，工況系數(shù)f1不同，作用在輸出軸上的力大小有所差異，電機手冊上減速箱輸出軸最大允許輸出徑向載荷為140 N，實際作用在軸上的徑向力范圍在118～212 N。這表明在較好的工況下該型電機可以滿足選型要求，而較差工況下則不能滿足選型要求。

3.2 輸出軸應(yīng)力計算仿真分析

查電機手冊，減速箱輸出軸材料為X12CrMoS17，屈服極限205 MPa，取安全系數(shù)1.5，則輸出軸材料的許用應(yīng)力為：

由齒輪箱輸出軸受力可知，作用在輸出軸上的最大扭矩為1.8 N·m，最大徑向力為212 N。對其進行仿真計算。齒輪箱輸出軸應(yīng)力云圖如圖6所示，輸出軸上的最大應(yīng)力為202.2 MPa，大于電機輸出軸材料的許用應(yīng)力，不滿足材料條件要求，電機輸出軸在該工況下出現(xiàn)軸彎現(xiàn)象。

圖6 電機輸出軸應(yīng)力圖

電機軸實際作用力及額定值如表1所示。

表1 電機軸實際作用力及額定值

綜上所述，在工況較差的情況下，電機輸出軸徑向力已經(jīng)超過最大允許徑向載荷（140 N），電機輸出軸最大應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力，將會引起輸出軸彎曲變形。

4 問題復(fù)現(xiàn)

電機輸出軸彎曲問題與產(chǎn)品使用環(huán)境工況有關(guān)，在試驗室條件下較難實現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)。仿真分析結(jié)果表明，在較差工況下輸出軸上的應(yīng)力值為202.2 MPa，大于材料許用應(yīng)力136.7 MPa，此時電機軸發(fā)生彎曲，通過仿真分析故障問題得以復(fù)現(xiàn)。

5 糾正措施

在載機大機動情況下或惡劣環(huán)境條件下，電機輸出軸最大應(yīng)力值會超出材料許用應(yīng)力值，外俯仰電機輸出軸應(yīng)力裕度不足，導(dǎo)致發(fā)生電機輸出軸彎曲變形現(xiàn)象。優(yōu)化外俯仰驅(qū)動機構(gòu)傳力路線，可以減少或消除電機輸出軸承受的徑向力，使其滿足強度條件要求。

通過分析外俯仰電機部件裝配關(guān)系可知，增加小鏈輪支承結(jié)構(gòu)可將小鏈輪承受的徑向力通過軸承、軸承座及電機連接法蘭傳遞到外俯仰主框架上。在該結(jié)構(gòu)條件下，軸承支承結(jié)構(gòu)主要承受徑向力作用，電機齒輪箱輸出軸受到扭矩作用，如圖7所示。

圖7 改進設(shè)計后電機部件圖

按上述工況條件對改進后結(jié)構(gòu)進行仿真計算。電機輸出軸反作用力云圖如圖8所示，齒輪箱輸出軸所受的最大徑向載荷為64.0 N，遠小于齒輪箱輸出軸最大允許徑向載荷（140 N）。

圖8 改進設(shè)計后電機輸出軸反作用力云圖

電機輸出軸應(yīng)力云圖如圖9所示，輸出軸上最大應(yīng)力為119.22 MPa，小于電機輸出軸材料的許用應(yīng)力。

圖9 改進設(shè)計后電機輸出軸應(yīng)力云圖

綜上所述，小鏈輪增加支承結(jié)構(gòu)后，輸出軸實際受到的徑向力小于最大允許徑向載荷；輸出軸最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，能夠滿足產(chǎn)品外俯仰鏈傳動要求。

6 驗證結(jié)果

在試驗室條件下，通過力學(xué)仿真分析得到：作用在小鏈輪上的作用力通過支承結(jié)構(gòu)傳遞到主框架上，電機輸出軸此時只承受電機輸出軸的扭矩作用，分析結(jié)果滿足強度要求，電機輸出軸理論上不會再發(fā)生彎曲現(xiàn)象。

根據(jù)力學(xué)仿真分析結(jié)果，將改進后產(chǎn)品裝機，在日常、惡劣環(huán)境及大機動條件下使用，均再未發(fā)生電機輸出軸彎曲故障，從而證明產(chǎn)品上述改進有效，徹底解決了外俯仰電機輸出軸彎曲問題。