某永磁直流力矩電動機轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象質(zhì)量改進(jìn)

李文俊，唐玉春，張學(xué)敏，秦祖和，張 瑗

(1.裝備發(fā)展部軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200437；2.中國電子科技集團(tuán)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(biāo)器系統(tǒng)，用戶反饋有個別電機存在轉(zhuǎn)軸傾斜的現(xiàn)象，造成整機部分指標(biāo)臨界，電機使用時可能存在轉(zhuǎn)軸松動、結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險。針對用戶方反饋的質(zhì)量信息后，我們組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行了摸排、分析與整改。

1 轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象分析與定位

在該型電機的技術(shù)要求中，對電機的外觀要求：表面應(yīng)無銹蝕、碰傷、劃痕或涂覆層脫落，緊固件連接應(yīng)牢固，引出線標(biāo)記及銘牌字跡應(yīng)清楚無誤，引出線應(yīng)完整無損。通過復(fù)查轉(zhuǎn)軸傾斜的電機發(fā)現(xiàn)，使用0.5 mm塞尺塞進(jìn)轉(zhuǎn)軸與護(hù)罩間隙，一周均能塞進(jìn)，電機安裝配合面同軸度復(fù)測值為φ0.012 mm，符合技術(shù)要求?？梢缘贸鼋Y(jié)論：電機雖然出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象但仍符合技術(shù)要求，因此該現(xiàn)象并非質(zhì)量問題[1]。考慮到電機轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象可能會影響總體裝備的部分性能指標(biāo)以及電機應(yīng)用場景的敏感性，根據(jù)轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象和電機結(jié)構(gòu)特點，建立以轉(zhuǎn)軸傾斜為頂事件的故障樹，如圖1所示。通過拆解轉(zhuǎn)軸傾斜的電機，復(fù)測有關(guān)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(shù)狀態(tài)已固化且生產(chǎn)過多個批次，通過分析，尤其與上個批次生產(chǎn)條件對比，裝配工序與裝配人員均未發(fā)生變化，底事件X5的可能性不能排除。因此，將電機轉(zhuǎn)軸傾斜的原因定位為轉(zhuǎn)軸安裝不到位。

2 機理分析與復(fù)現(xiàn)

2.1 機理分析

根據(jù)電機轉(zhuǎn)軸安裝工藝，轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子左側(cè)端面與轉(zhuǎn)軸右側(cè)的沉孔底面靠平壓緊，使轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子滿足同軸要求。由于配合間隙小、摩擦阻力大，假如轉(zhuǎn)軸開始推入轉(zhuǎn)子時就發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸無法在螺釘2、3的軸向壓力下回正，從而造成轉(zhuǎn)軸安裝傾斜。

可以看出，轉(zhuǎn)軸最終安裝傾斜需要同時滿足以下幾個條件：

1)轉(zhuǎn)軸初始安裝時沒有一步推入到位，初始狀態(tài)傾斜；

2)其中有一個螺釘位置正好在轉(zhuǎn)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(chǎn)生的軸向壓力不能克服接觸點1的摩擦阻力發(fā)生位移，后續(xù)擰緊螺釘產(chǎn)生的軸向壓力無法克服接觸點2的摩擦阻力發(fā)生位移。

2.2 現(xiàn)行測試方法分析

該型電機為組裝式結(jié)構(gòu)，由定子、轉(zhuǎn)子、刷架組件、護(hù)罩、轉(zhuǎn)軸、軸承等零部件組成。產(chǎn)品規(guī)范中關(guān)于同軸度的試驗方法引用的是GJB 361B—2015《控制電機通用規(guī)范》4.5.6條款 “電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動定子，判斷千分表的最大與最小讀數(shù)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(zhuǎn)軸1裝配是否傾斜，測試轉(zhuǎn)軸與機殼同軸度時，機殼均以轉(zhuǎn)軸2旋轉(zhuǎn)，無法通過測試同軸度判斷轉(zhuǎn)軸1是否傾斜。另外，轉(zhuǎn)軸與電機護(hù)罩之間的間隙很小，即使轉(zhuǎn)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(biāo)——軸伸徑向圓跳動來判斷此類電機轉(zhuǎn)軸是否傾斜。根據(jù)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(zhǔn)，將電機機殼固定，千分表的測量頭置于轉(zhuǎn)軸φ8 mm上，并盡可能靠近軸伸端，慢慢地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，判斷千分表的最大與最小讀數(shù)之間是否符合要求，具體方法如圖4所示。

該型電機轉(zhuǎn)軸是通過螺釘固定在轉(zhuǎn)子軸套上的，轉(zhuǎn)軸的圓跳動主要由軸承徑向間隙、軸承與轉(zhuǎn)子內(nèi)孔的配合間隙、轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與外圓的同心度、轉(zhuǎn)子外圓與轉(zhuǎn)軸內(nèi)孔的配合間隙、轉(zhuǎn)軸內(nèi)孔和轉(zhuǎn)軸軸伸的同心度等組成，通過查閱相關(guān)參數(shù)得知，該電機軸伸徑向圓跳動理論最大值為0.112 mm。出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)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(zhuǎn)軸固定螺釘后將軸松動，把轉(zhuǎn)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(jié)果為0.022 mm，轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象消失。隨后按照前文所述條件，對電機轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，軸伸徑向圓跳動測試值為0.18 mm，超出了理論最大值。

3 質(zhì)量改進(jìn)措施

對于電機轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象，主要擔(dān)心的是電機在工作時可能會產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸松動、結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險。所以，在提出質(zhì)量改進(jìn)措施前，首先進(jìn)行理論分析與試驗驗證，以判斷電機在使用時轉(zhuǎn)軸是否松動。

3.1 理論分析

電機工作時，轉(zhuǎn)軸通過鋼絲繩輸出轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)軸受鋼絲繩產(chǎn)生的徑向力F1、F2作用，軸向受3-M2螺釘鎖緊后的預(yù)緊力F3、F4、F5作用，具體如圖5所示。轉(zhuǎn)軸安裝傾斜時，由于下側(cè)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(zhuǎn)軸傾斜發(fā)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(zhuǎn)軸傾斜回正，導(dǎo)致螺釘松動、結(jié)構(gòu)失效。

通過查閱螺釘緊固扭矩、螺紋摩擦系數(shù)、支撐面摩擦系數(shù)、螺釘公稱直徑等相關(guān)參數(shù)，可以計算得到軸向預(yù)緊力F3、F4、F5值為450 N，電機在整機上受力F1、F2設(shè)計值為200 N，對應(yīng)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(chǎn)生彎矩W1、W2與螺釘預(yù)緊力F3、F4、F5產(chǎn)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(dāng)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(dāng)W1+W2=15 390 N·mm時，螺釘預(yù)緊力降為0，

W1+W2=F1L1+F2L2，且F1=F2，則可以計算得到此時對應(yīng)的外力F1=F2=1 166 N。如果繼續(xù)加大W1、W2，需要的阻力矩開始加大，結(jié)構(gòu)存在松動失效風(fēng)險。換言之，當(dāng)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(zhuǎn)軸回正、螺釘松動。通過理論計算可以得出結(jié)論，在當(dāng)前F1、F2為200 N條件下，電機結(jié)構(gòu)不會在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生松動失效。

3.2 試驗驗證

選取2臺轉(zhuǎn)軸傾斜的電機進(jìn)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(jié)束后測試電機軸伸徑向圓跳動，結(jié)果如表1所示。另選取2臺轉(zhuǎn)軸傾斜的電機，模擬電機在整機中的使用環(huán)境，對轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸也沒有發(fā)生松動，印證了本文理論分析的正確性。

3.3 質(zhì)量改進(jìn)措施

針對電機轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象制定如下措施：

1)對于已交付且已裝機的電機，經(jīng)理論分析和試驗驗證，轉(zhuǎn)軸傾斜不會造成電機松動，并且整機對應(yīng)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(rèn)可。

2)對于已交付未裝機的電機，補測轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸，軸伸徑向圓跳動復(fù)測合格后用戶予以接收。

3)承制單位生產(chǎn)的電機中只有該型電機轉(zhuǎn)軸為組裝式結(jié)構(gòu)，為此，轉(zhuǎn)軸傾斜現(xiàn)象質(zhì)量改進(jìn)只涉及該型電機。

對于后續(xù)該型電機，改進(jìn)措施包括：

1)增加技術(shù)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(shù)要求。

2)修改工藝文件，增加過程質(zhì)量控制點。修改電機生產(chǎn)工藝文件，要求轉(zhuǎn)軸裝入轉(zhuǎn)子后旋轉(zhuǎn)一周應(yīng)能轉(zhuǎn)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(yù)擰緊，再使用力矩螺絲刀按力矩要求(0.4 N·m)擰緊到位；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸φ8 mm徑向圓跳動，要求不大于0.07 mm。

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

4 結(jié) 語

本文電機轉(zhuǎn)軸為組裝式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸與機殼之間的間隙很小，即使轉(zhuǎn)軸安裝傾斜，僅通過測試轉(zhuǎn)軸與機殼之間的同軸度也無法判斷出轉(zhuǎn)軸安裝是否傾斜。本文結(jié)合電機結(jié)構(gòu)特點，通過事前增加軸伸徑向圓跳動的技術(shù)要求、事中修改工藝操作方法、事后增加測試項等措施，有效提升了電機質(zhì)量水平。