航空直流发电机常见故障分析

162 第十七届 2001全国直升机年会论文 航空直流发电机常见故障 穆秀成 中国人民解放军第五七 一工厂 摘 要 本文通过作者长期在航修工作中的实践 将航空直流发电机的常见 故障归类为 一 发电机励磁系统的故障 二 发电机带负载工作时的故障 三 组合件和零件的机械损伤等几类 对产生这些故障的原因进行分析 以 利于更好地对航空直流发电机进行使用 维护和修理 1 引言 由于低压直流电源系统控制 保护及配电都比较简单 并联容易 发电机可以与 蓄电池并联 供电可靠 有的发电机还可以兼作发动机的起动机 故我国目前生产的 现役飞机及某些进口飞机上 主电源大都采用低压直流供电系统 航空直流发电机 以 下简称发电机 是这个系统的核心组成部分 因此 发电机能否正常工作 不仅直接 关系到电源系统供电的可靠性 更与飞机的飞行安全息息相关 由于航空发电机多采 用并励发电机 故本文所述发电机均指并励发电机 有的发电机因为长期运行或使用维护不当等原因 会出现大大小小各种各样的故 障 及时发现这些故障 找出故障原因 排除故障 以及杜绝类似故障的再次发生 保证设备的良好运行 进而保证部队的正常飞行和训练 是我们航空修理战线每一位 职工的神圣职责 通过长期对某些型号发电机的修理 我们发现发电机主要会出现下 面几种常见的故障 以下就这些故障现象 发生的原因及排除的措施作一分析 以抛 砖引玉 增强交流 提高修理工作水平 2 发电机励磁系统的故障 表现为发电机在被原动机以规定的转速范围拖动下 不发电,产生这种故障的原因 是 1.发电机磁路系统内没有一定的剩磁 即发电机的磁路系统退磁 2.发电机电枢旋转的方向与励磁线圈和电枢绕组的连接不相符 即Ф磁与Ф 剩的方向不一致 3.励磁电路的电阻过大 超过励磁电路的临界电阻值 首先 我们对第 1个原因引起发电机不发电的情况进行分析 发电机电枢的电动势为 E=C发 nФ 式中 C发 发电机的构造常数 其值等于 PN/60aP 磁极对数 N 有效导线数 a 电枢绕组的并联路径数 因此 要在电枢内建立电动势 就必须使电枢在磁场中旋转 在飞机上发电机 的电枢由发动机带动旋转 而磁场由发电机本身产生 因为发电机的励磁线圈只有在电枢产生电流之后 才能产生磁通 所以发电机电 163 枢开始工作所需的磁通 也就是发电机电枢产生电动势所需的磁通 就必须依靠发电 机磁路系统的一个或几个部分的剩磁来取得 一般说来 发电机的壳体就是这种具有 剩磁的部分 它在励磁线圈磁场的作用消失后仍有磁性 剩磁的磁通和电枢的转速是 决定发电机开始自励磁的条件 其自励磁的过程如下 开始在发电机的碳刷之间产生电压 由于励磁线圈与碳刷相连 因此在此电压的 作用下 励磁线圈中有电流流过 使电枢切割的磁力线增加 因而使碳刷之间的电压 增高 而电压增高又使励磁电流和励磁增加 线圈所产生的磁通增强 又使碳刷之间 的电压进一步增高 当电枢的转速一定时 电压增高的过程将一直持续到发电机的磁 路系统达到饱和状态为止 因为这时再继续增加励磁电流也不能再使磁通增强 因此 发电机碳刷之间的电压就不再增高 这可以从发电机的空载特性曲线 如图 1所示 看出 该特性曲线表示在电枢的转速 n1不变和发电机外电路断开时 发电机端电压和 励磁电流的关系 特性曲线图上的曲线 n2表示 转速 n2增高时 达到饱和状态 的电压就增高 如果发电机磁路系统各零件的充磁良好 自励磁就很可靠 飞机发电机磁路系统 的磁化程度 可以按下面方法判断 断开发电机的负载 并且断开其励磁电路 然后 使其电枢以工作转速旋转 这时发电机端电压的大小 即可说明磁化的程度 如果发 电机充磁良好 则此电压约为 1.52.5V 发电机磁路系统各零件的剩磁和其它任何一个永久磁铁一样 由于受热 猛烈碰 撞 以及交变磁场的作用而会减弱 因此 在对发电机进行使用维护和修理时 都要 防止发电机发生过热和碰撞 对发电机因为无剩磁 不发电的故障 采取的排除措施是 1 是对发电机重新 充磁 方法是先将发电机励磁线圈的外部导线断开 再将励磁线圈按极性接上 2430V 直流电压 2 3秒钟 其次分析发电机的旋转方向与励磁线圈和电枢绕组连接电路不符对发电机发电的 影响 从分析发电机自励磁的过程中可知 励磁线圈的磁场必须与发电机磁路系统的 原始磁场 也就是剩磁磁场方向一致 即Ф励与Ф剩的方向一致 如果要使这两个磁 场的方向一致 在电枢旋转方向一定的条件下 励磁电流的方向也应一定 否则 发 电机仍不能进行自励磁 在向发动机安装发电机时 以及修理装配发电机时 可能产 生这种使两个磁场方向不一致的故障 图1 图2 第三分析励磁电路的电阻对发电机不能发电的影响 对图 2发电机空载特性曲线 164 进行分析 就可清楚的了解发电机不能自励磁 进而不发电 无输出的另一个原因了 如果引三条直线 OA1OA2OA3则这些直线与 I励轴的夹角的正切表示励磁电 路的电阻值 这些直线与空载特性曲线的交点 A2A3表示在发电机自励磁的起始 过程即将结束时 励磁电流和发电机端电压的数值 直线 OA与特性曲线相交于该曲 线的起点 因为特性曲线是从距 O点 1.52.5V的一点开始的 并表明当励磁电路 的电阻等于 tg值 发电机不能自励磁 因此 与 角相适应的励磁电路的电阻为 临界电阻 因为励磁线圈的电阻在温度改变和漏电量增加等情况下很少改变 所以励磁电路 电阻的增加 主要是由于各连接处的接触电阻增大而引起的 如发电机的碳刷和换向 器接触不良同时与励磁线圈串联的电路部件如稳定变压器的电阻增大也会使励磁电路 的电阻增加 另外 与励磁线圈并联的电阻减小 可使励磁电流减小 结果也同样会 影响发电机的工作 因此 在发电机的修理和维护中 要注意励磁电路所接各电路部件的状况 及时 防止其电阻值的改变 3 发电机带负载工作时的故障 发电机带负载工作时的特点 是在电枢电路内有电流 在电枢内产生电流的同时 产生电枢磁通 并因绕组有电阻而产生电枢压降 电 枢磁场削弱励磁线圈的磁场 要补偿电枢磁场的这种作用 就必须使励磁线圈的电流 大于空载时的励磁电流 这样 在电枢转速不变的情况下才能保持发电机的电压不变 如果发电机的电压在负载增加时降低 则其原因常常是因为励磁电路有故障 其中 励磁线圈部分线匝短路就是这类故障之一 上述这种有故障的励磁线圈 所产生的磁通减少 而在电枢电流不变的情况下还 要被电枢磁通大大地削弱 结果使发电机的电压更加急剧地降低 炭刷弹簧压力的减小 电枢电路各单独部分连接处的接触不良 整流子脏污等都 会在负载增加时使发电机的电压降低 是因为在与电压调节器连接点以前的一段电路 上产生压降 而使用来补偿的励磁电流增大 当发电机加上负载以后 随着负载的增 加 发电机内各种能量的损耗增加 因此 温度也随着增高 所有这些能量的损耗都 转换为热能 因而使用各单独部分以及整个发电机的温度都要增高 如果发电机良好 则其温度只决定于负载的大小和散热系统的工作情况 并在各 种工作状态下 其温度均不超过允许值 发电机及其各单独部分温度增高的主要原因为 电枢绕组短路 散热系统有故障 电枢与磁极磨擦 滚珠轴承有故障 炭刷工作不正常 使整流子上跳火花 并使发电 机电压脉动 发电机经常过载 修理后 进行电机发热程度检验时 即可检查各单独零件和整个发电机工作的好 坏 因此 发热程度检验结果良好是航空发电机正常工作的保证之一 修理中 按规 定要对发电机各绕组做绝缘和抗电强度试验 杜绝因绝缘材料漏电引起的故障 4 组合件和零件的机械损伤 这类故障在发电机的维护和修理中是经常遇到的 机械损伤是发电机这一类电气 机件产生其它许多故障的原因之一 整流子和炭刷装置是发电机的主要组合件之一 在发电机工作的过程中 这个组 165 合件的炭刷磨损较多 而整流子磨损较小 炭刷磨损使高度减少的同时 要产生铜炭 粉未 这种铜炭粉未落在炭刷与炭刷架之间 积聚在整流片之间的绝缘槽将可能使发 电机工作不正常 甚至完全停止工作 在炭刷与刷握之间落有炭灰并不断积聚的结果 就会使炭刷卡滞在刷握内 不能灵活的上下移动 这样就会产生火花并使炭刷过热 再过一定时间以后 炭刷将在整流子上停止滑动 于是 整流子和炭刷的接触遭至到 破坏 发电机将产生不能工作的故障 炭灰导电层对其所连接的部分绕组来说是一个不变的负载 由于相邻两整流片之 间的电压可达 12伏 因此 它可以使绕组和整流子过热 在炭刷架与绝缘之间 以 及它们与发电机个壳之间的固定零件上也经常形成炭灰导电层 如果在绝缘固定零件 上所形成的炭灰导电层使发电机各输出接线柱相接 或使发电机的励磁线圈被短路掉 即接通该线圈的引出线 时 则与上面形成的电路 主要是影响发电机的自励磁 或使自励磁困难 或完全不能自励磁 为了防止发电机由于落有炭灰而发生故障 要 按飞机发电机维护定期工作所规定的时间 清除整流子 炭刷架 绝缘零件以及与上 述零件相接的其他零件上的炭灰 这时 必须用沾酒精或航空洗涤轻汽油的干净抹布 擦拭 或用毛刷刷洗整流子 其他各零件上的炭灰可用干抹布或刷子除掉 除掉零件 上的炭灰以后 在防尘各尚未安装以前 要用干净的冷气仔细吹净发电机的内腔 各 炭刷与整流子的接触压力的大小 对发电机的正常工作具有重大的意义 在飞机发电机上 炭刷靠螺旋弹簧压在整流子上 炭刷对整流的单位压力应在 39.2Kpa-49Kpa400-500g/cm2 的范围内 飞机发电机采用比地面电机大 1-1.5倍 对转速在 3800转/分以上的飞机发电机来说 当整流子的转速增加 整流子工作表面 不清洁及其径向跳动量增大时 电刷甩出力可达到很大的数值 因此 要经常地保持整流子表面清洁 并使炭刷的弹簧压力保持在规定的范围以 内 随着炭刷的磨损 弹簧材料的自然疲劳 以及在发电机工作时弹簧的发热 炭刷 的弹簧压力将逐渐减小 特别是在更换炭刷 清洗整流子以及进行其他工作时 如果 不注意保护弹簧 可使其压力减小得更多 如果弹簧扭转时可能永久变形 另个 固 定弹簧 装置也不应有弯曲 凸尖折断 绕轴转动等故障 如果炭刷上的弹簧压力不能完全克服炭刷甩出力 不能使炭刷和整流子保持必要 的接触压力 就会造成炭刷与整流子不能经常地保持良好的接触 而有时会离开整流 子 这样就会使发电机产生上述相同故障 此外 还可能使发电机端电压的脉动性增 大 并使炭刷的压降增加 如果炭刷与整流子的工作表面未磨配好 则在整流子旋转时 由于工作表面平滑 而可能使炭刷离开整流子 结果就会使炭刷与整流子的接触不良 在整流子的转速和 整流子对旋转轴的偏摆等其他条件相同的情况下 炭刷和整流子的工作表面愈不平 滑 则使炭刷的甩出力量就愈大 因此 应尽量地使炭刷和整流子的接触面光滑 除特殊要求外 经修理的发电机 166 换向器表面粗糙度应不大于 径向跳动量应不大于 0.02mm炭刷与整流子间的 接触电阻对电压较低的直流飞机发电机来说 具有很大的意义 在飞机发电机上 炭 刷和整流子间的容许压降一般为 0.6V这个压降的大小取决于炭刷与整流子之间的 接触电阻 而接触电阻则又决定于炭刷与整流子的接触面积 接触面积愈小 接触电 阻就愈大 碳刷与整流子接触面应在 75%以上 在发电机工作的过程中 不仅仅是炭刷磨损 而且整流子偏摆时 靠近转轴的地 方磨损较多 这是因为靠近转轴的地方受炭刷弹簧的压力较大而在离转轴较远的地 方 则因炭刷弹簧的压力被整流子作用在炭刷上的反压力所削弱 因此 在发电机工 作的过程中 整流子的偏摆量是增加的 这在整流子以最大的转速旋转时 可使炭刷 和整流子的接触不良 要防止产生上述影响发电机工作的故障 就必须在修理发电机时 用千分表来检 查整流子的偏摆量 如果整流子的偏摆量超过该发电机的规定值则应将整流子车圆 并将其表面磨光 然后再将炭刷与整流子磨配好 发电机另一主要的组合件就是电枢 电枢轴 滚珠轴承和挡油装置的结合体 这 个组合件可能出现的主要机械故障是 电枢对转轴的偏摆量增加 滚珠轴承内外环之 间的径向间隙或轴向间隙增大 滚珠轴承的内外环或滚珠锈蚀 夹珠圈的损坏 挡油 密封装置漏油 造成电枢偏摆量增大的原因是发电机在发动机上的安装不正确 发电机的过载太 大 发电机外壳的磁掌与电枢之间掉有硬东西 由于这些原因而使电枢弯曲 而电枢 弯曲的结果又使其产生偏摆 当电枢偏摆时 整个电枢组合件的重心即偏离转轴 当电枢组合件以 角速度旋转时 若电枢的偏摆量为 b 则所产生的离心力等于 P=m2b 式中 m__电枢组合件的质量 这个力加在发电机的轴承上 变成轴承的附加负载 缩短轴承的使用期限 并使其工 作条件恶化 电枢偏摆的另一有害影响 就是使电枢与励磁极 极掌 之间的间隙不断地改变 于是 每对磁极磁路的磁阴也不能改变 因而使磁通发生变化 结果使发电机的电压 出现交流成分 使发电机电压调整的条件 整流和飞机无线电设备的工作等恶化 同 时 还会对无线电接收产生干扰 电枢转速为 6000转/分以上的高转速发电机 因为在电枢的护圈上加有锡焊 或 专门设有平衡装置 使电枢转动平衡 同时 电枢轴是由材料性能很高的钢制成的 所以在电枢转动时所产生的离心力很小 但对修理后的电枢一定要做静平衡与动平衡 试验 对达不到规定的要重新进行平衡 使其在规定值范围之内 当发电机的工作温度 90-115和转速较高时辰,可使滚珠轴承内的润滑脂 167 变稀,而从滚珠轴承的工作部分(滚珠 保持架和内外环滑道)流出 在封闭式滚珠轴 承内 垫圈和密封装置能防止润滑脂流出和甩出 而在非封闭式滚珠轴承内 这种现 象就常常存在 滚珠轴承在失掉润滑脂以后 即在少脂或无脂状态下工作 这时 湿 气不可避免地要在滚珠轴承的零件上起作用而使其锈蚀 这样 就可能在内外环的滑 道和滚珠上产生许多砂眼 在这种轴承内 各零件的旋转不灵活 产生很大的内力 这就会使保持架损坏 进而使整个轴承报废 一般说来 随着滚珠轴承的损坏 发电 机的其它零件也会损坏或受到严重的损伤 为了防止在高温下轴承润滑脂的流失 因 选用耐高温的润滑脂 如 7017-1润滑脂 可以在 250以下正常工作 短时温度可 达 300 而且具有抗水性 抗氧化性和防锈功能 修理发电机时 不仅要注意滚珠轴承内的润滑脂用量是否符合规定 一般要求 填充量以轴承容量的三分之二为宜 而且还应注意 电枢轴两端的滚珠轴承安装是 否有偏斜 滚珠轴承安装偏斜时 就会使轴承所受的作用力增大 从而加速滚珠轴承 的磨损并使其过早损坏 在修理后装配发电机时 不允许在轴承内 特别是在整流子 方面的轴承内过多地涂润滑脂 因为在发电机工作时 多余的润滑脂会从轴承内甩出 并可能落在整流子上 如果这样 润滑脂与炭灰混合以后 会在整流子上结成一种电 阻很大的油层 这种油层会使炭刷和整流子之间产生接触不良 而使发电机停止工作 为了防止这种情况的发生 除了轴承按规定填充润滑脂外 还应定期地用汽油或无水 乙醇仔细地清除整流子上的油层 造成发电机故障的原因多种多样 本文仅对以上三类常见故障及产生原因进行了 初步的分析 随着航空发电机技术及航空材料的不断发展和完善 发电机的更加 先进 构造更趋合理 故障率大大降低 但旧的问题解决了 新的问题又可能出来了 能迅速地发现故障 正确地分析出故障产生的原因 从而采取正确的措施排除故障或 能及时判断产生故障的征候 并采取积极的预防措施 消除故障的发生 是我们航修 战线职工不懈的追求 参 考 资 料 1 空军装备技术部.航空特设军械修理通用技术条件,1992年12月 2 空军司令部.电工学 第三分册 ,1975年07月