小型动力装置的低温故障分析

郭迎辉

（西安交通工程学院，陕西 西安710300）

1 概述

在我国随着低温发动机的推广应用, 相关研究机构也对低温动力系统不同工作阶段开展了有针 对性的仿真分析[1-4]。但在动力系统故障诊断方面的研究工作比较少, 缺少系统性的规划、设计和验证,距离工程应用层面的系统开发和使用还有很大差距[5-6]。因此,从仿真方面分析与掌握动力系统低温特性是解决动力系统低温卡滞的首要任务。

本文将从小型动力装置的低温变形和低温润滑两个方面建立低温故障分析体系。基于低温仿真分析变形、理论计算低温变形、试验验证,提出各个零部件低温变形的指标并分析对低温故障的影响, 采用低温仿真分析法建立低温变形数据, 通过计算、仿真、试验数据获得了低温故障分析的依据,结果表明该分析方法推理正确,分析得当,得到了故障的根本原因点。

2 故障现象描述

小型动力装置共有6 台, 在高低温试验中6 台产品的试验状态是发条和轮系加4116 高低温润滑油。对6 台产品分别进行了常温、常温真空、高温、低温、回常温真空、开真空罐后的测试。试验数据见表2,测试结果如下:

2.1 6 台产品在常温、常温真空、高温时均能够正常工作。

2.2 低温-116℃时所有产品均不能工作。

2.3 低温-86℃时1、2、6 号产品展开时间延长,释放时间为一分钟左右(正常为20s 左右),展开到位,其它产品不能工作。

2.4 低温-80℃时1、2、6 号产品能够正常工作,其他产品不能工作。

2.5 低温-70℃时1、2、6 号产品能够正常工作,其他产品均不能工作。

2.6 低温-50℃时1、2、4、6 号产品均能够正常工作其他产品均不能工作。

2.7 在回常温真空状态下和开真空罐后时1、2、3、4 号产品均能够正常工作,5 号产品不能工作。

3 右横杆部件分析

对小型动力装置发生的低温卡滞故障进行分析具体分析过程如下。

3.1 右横杆部件线性变形计算

膨胀系数α 铝=22×10-6/ °C,右横杆上装横杆轴承的孔径为d=7mm, 铰链架的璧厚为2.05mm, 右横杆上2 个轴孔在-110℃时的膨胀量为:

3.2 右横杆部件的扭曲变形计算

右横杆加载及环境温度的设定, 温度的设定通过ANSYS 中的环境温度设定为-110°C,经加载和约束后,在后处理结果中可以预先设定右横杆的总体变形云图和单侧臂的轴向变形云图以及内齿轮的径向变形云图。图1-图6 为总体变形云图和局部变形云图,从图中可以得到以下结论:

从图1 中可以得到右横杆的总体变形中的最大值9.9701e-5m,且最大变形的位置在右横杆的右端的管壁处。从图2 中可以得到右横杆的左侧内壁的最大变形值为1.3427e-5m。从图3 中可以得到右横杆的右侧内壁的最大变形值为1.3613e-5m。从图4 中可以得到右横杆的左侧外壁的最大变形值为1.3472e-5 m。从图5 中可以得到右横杆中的内齿轮的最大变形为4.1627e-5m。从图6 中可以得到右横杆中的内齿轮的最大变形为4.9417e-6m。

图1 右横杆部件总体变形云图

图2 右横杆部件左侧内壁轴向变形云图

图3 右横杆部件右侧内壁轴向变形云图

图4 右横杆部件左侧外壁轴向变形云图

图5 右横杆部件右侧外壁轴向变形云图

图6 右横杆部件内齿轮径向变形云图

右横杆部件的线性变形以及扭曲变形对同步齿轮的正常工作没有影响。具体计算的数据见表1。

表1 数据影响对照表

4 发条的故障排查

发条的故障对应发条材料性能变化, 发条结构发生变化,发条断面摩擦。对产品进行拆卸,分别对比试验后的发条和新的发条的区别,并对发条释放力矩进行测量。从图7 中可以看到产品的发条与新的未经使用过的发条在结构上的变化比较小没有影响。从图8 中可以得出的结论是低温时发条材料性能的变化对发条力矩释放影响较小,可以排除。发条的端面距条盒盖的距离是0.7,距条盒垫片的距离是0.55,也就排除了发条断面摩擦。

图7 右横杆部件内齿轮径向变形云图

图8 右横杆部件内齿轮径向变形云图

5 机芯座故障排查

机芯座故障排查的过程如下:

5.1 机芯座的线性变形计算

线膨胀系数α 钢=13.5×10-6/ °C

机芯座上轮系轴承孔分别为:d1=5mm、d2=3mm。

机芯座2 类轴孔在-110℃时的膨胀量为:

5.2 机芯座的扭曲变形

ANSYS 分析过程如下:

机芯座温度的设定通过ANSYS 中的环境温度设定为-110°C,经加载和约束后在后处理结果中可以预先设定机芯座的总体变形云图和机芯座上的轴孔的径向变形云图。机芯座的总体变形云图见图9,机芯座的轴孔的X 向变形云图见图10,机芯座的轴孔的Z 向变形云图见图11。从图中可以得到以下结论: 从图9 中可以得到机芯座的总体变形中的最大值为1.9949e-5m, 且最大变形的位置在机芯座的放条杆处。从图10中可以得到机芯座的轴孔处的X 向变形的最大值为3.3968 e-6m。从图11 中可以得到机芯座轴孔处的Z 向变形的最大值为5.212e-6m。

图9 机芯座总体变形云图

图10 机芯座轴孔处的X 向变形云图

表2 机芯座数据影响对照表

6 机芯温变故障分析

控速轮系的轴套的材料为皮青铜, 铍青铜的线膨胀系数为α 铜=16.6×10-6/ °C,其规格为φ1.5、φ1.0、φ0.7。力矩增大轮系的轴套的材料为9Cr18,9Cr18 的线膨胀系数为α9Cr18=10.5×10-6/ °C,其规格为φ2。齿轴的材料为1Cr17Ni2, 1Cr17Ni2 的线膨胀系数为α1Cr17Ni2=10.0×10-6/°C。齿轴有四种规格分别为φ2、φ1.5、φ1.0、φ0.7。四种齿轴在-110℃时的线性变形为:

图11 机芯座轴孔处的Z 向变形云图

表3 机芯检测数据

综上所述,由于温变所引起的线性变形是在公差范围之内的,故可以排除故障。

7 故障定位

通过上述的故障排查,故障最终定位在低温润滑失效上。对应于低温润滑失效,包括了两组轮系的低温润滑,一组是增速轮系的低温润滑,另一组是控速轮系的低温润滑。通过试验,充分证明了引起本次试验发生故障的原因为在低温真空环境下,擒纵控速轮系的低温润滑失效,导致各处运动副摩擦增大,传动效率降低,阻力矩增大,负载能力相应降低,引起不能正常展开释放。

结束语

本文采用低温仿真变形和低温计算变形方法,复现了低温故障过程,通过分析各个零部件的低温变形,指出低温润滑失效是导致低温故障的主要原因。分析过程主要利用了仿真、计算、试验,获取所有零部件的低温变形数据。仿真试验通过排除法验证了故障原因。 最后针对小型动力装置仿真和实践,证明了低温卡滞本文方法具备通用性,在处理低温故障具有安全性。