棘輪離合器疲勞裂紋原因分析

陳禮順，杜銳鋒，劉新靈

(1.中國人民解放軍5713 工廠，湖北 襄陽 441002；2.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)將起動機(jī)與發(fā)電機(jī)作為一體，稱為起動-發(fā)電機(jī)。發(fā)動機(jī)起動時，作為直流電動機(jī)，輸入直流電后驅(qū)動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);起動后，作為發(fā)電機(jī)，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，向飛機(jī)提供直流電源。起動-發(fā)電機(jī)作為起動機(jī)時，需要有較大的扭矩作用于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子上，因此起動機(jī)需減速后帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子;發(fā)動機(jī)正常工作時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高，一般都在10 kr/min 以上，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速則較低，一般約為8 kr/min，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子需減速后傳動發(fā)電機(jī)，因此在附件傳動機(jī)構(gòu)中設(shè)置了一套雙速傳動裝置，包括棘輪離合器、滾棒離合器和摩擦離合器，來滿足起動-發(fā)電機(jī)在兩種狀態(tài)下的傳動比要求。發(fā)動機(jī)起動時，起動-發(fā)電機(jī)通過棘輪離合器減速地帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)［1］。

棘輪離合器是超越離合器的一種，依靠主、從動部分的相對運(yùn)動速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換按照要求及時正確地接合、脫開的離合器［2］。它具有尺寸小、重量輕、承載能力高、傳動平穩(wěn)、壽命長、嚙合可靠性高等特點(diǎn)，在航空發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛［3］。

隨著航空發(fā)動機(jī)傳動技術(shù)的發(fā)展，對棘爪離合器的轉(zhuǎn)速要求越來越高，棘爪承受的扭矩越來越大，特別是近年來，航空發(fā)動機(jī)的使用壽命越來越長，在發(fā)動機(jī)使用過程中棘爪出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致破裂、掉塊的故障也越來越多，嚴(yán)重時導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車故障，影響飛行安全;因此，開展對棘爪離合器棘爪產(chǎn)生裂紋的技術(shù)研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值［4］。

1 故障現(xiàn)象

飛機(jī)在起飛前按開飛程序做相關(guān)的準(zhǔn)備工作，當(dāng)進(jìn)行地面試車時，發(fā)動機(jī)多次起動不成功，故障現(xiàn)象為起動信號燈亮，電機(jī)軸轉(zhuǎn)，高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速表無指示。該機(jī)本次工作時間為114 h 30 min，總工作時間為713 h 35 min。

2 故障原因分析

2.1 發(fā)動機(jī)起動不成功的原因分析

根據(jù)對上述故障現(xiàn)象的分析，結(jié)合發(fā)動機(jī)工作原理以及排故經(jīng)驗(yàn)，給出如圖1 所示的故障樹，進(jìn)行故障定位，以確定最終造成故障的原因。

經(jīng)過孔探儀反復(fù)檢查，壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片均無燒傷、變形、掉塊等機(jī)械損傷;轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活，沒有異常現(xiàn)象，軸承未出現(xiàn)抱軸現(xiàn)象;檢查油門拉桿間隙，拉桿間隙在合格范圍內(nèi);檢查電源車容量，容量符合要求;檢查轉(zhuǎn)速操縱盒協(xié)動轉(zhuǎn)速，協(xié)動轉(zhuǎn)速符合要求，說明TQ 電門、QD 電門沒有故障;用三用表檢查101 總電纜相關(guān)插銷的電阻，均符合要求，也未出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象;更換合格主泵后地面試車，故障再現(xiàn)，排除了主泵出現(xiàn)故障的可能性;分下起動發(fā)電機(jī)，傳動軸未出現(xiàn)斷裂情況，更換合格發(fā)電機(jī)后試車，故障未排除;檢查滑油濾，發(fā)現(xiàn)滑油濾網(wǎng)上有大量金屬屑，初步確定附件傳動部件機(jī)械損傷。分下雙速傳動機(jī)構(gòu)，打開機(jī)匣蓋，發(fā)現(xiàn)里面有大量的金屬屑，棘輪離合器的3 個離合子均已脫落，2 個離合子已經(jīng)斷成很多細(xì)小的碎塊，1 個離合子磨損卡死在甩平位置，限動銷釘還保持在原來的位置，有壓痕，損壞不大;彈簧銷釘斷裂磨損，彈簧被打碎;離合子座被嚴(yán)重撞擊，磨削;棘輪內(nèi)側(cè)鋸形齒上有明顯的壓痕，磨痕;球軸承、滾棒軸承均有壓痕，滾棒離合器上的傳動齒輪打傷破碎掉塊，摩擦離合器、主動齒輪、聯(lián)軸器均磨損嚴(yán)重，機(jī)匣殼體、機(jī)匣蓋磨損嚴(yán)重(圖2)。

圖1 發(fā)動機(jī)起動不成功故障樹Fig.1 Fault tree for startup failure of engine

圖2 雙速傳動裝置組合件失效實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Appearance of the failed two-speed driving system

很顯然，造成飛機(jī)地面起動不成功的原因是棘輪離合器3 個離合子脫落而導(dǎo)致的棘輪離合器功能失效。

2.2 棘輪離合器的結(jié)構(gòu)及工作原理

棘輪離合器由棘輪、離合器支撐銷、離合器銷子、離合器彈簧、棘爪和撥輪組成，在彈簧的作用下，棘爪前端始終朝上，嵌在棘輪的齒槽中。當(dāng)發(fā)動機(jī)起動時，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較小，離合子的慣性離心力的作用小于彈簧張力的作用，離合子與棘輪處于嚙合狀態(tài)。離合器使棘輪離合器安裝座轉(zhuǎn)動，經(jīng)過傳動齒輪、傳動軸減速帶動發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，傳動比為2.259［5］。當(dāng)發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2達(dá)到31%～33%時，棘輪離合器的離合子由于慣性離心力的作用大于彈簧張力的作用，棘爪末端甩出，以離合器銷子為圓心旋轉(zhuǎn)，棘爪前端克服離合器彈簧的彈力后與棘輪齒槽槽底分離，棘爪處于脫開狀態(tài)，棘輪和撥輪以各自轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，互不干涉，起動發(fā)電機(jī)不能通過棘輪離合器傳動高壓轉(zhuǎn)子。相反，發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子卻通過主傳動軸相連接的軸帶動齒輪、滾棒離合器、摩擦離合器減速驅(qū)動發(fā)電機(jī)工作，傳動比為1.341［6］。棘輪離合器零件圖見圖3。

2.3 離合子脫落的原因分析

根據(jù)對故障件的檢查情況、棘輪離合器的工作原理、查閱技術(shù)文件、圖紙資料以及排故經(jīng)驗(yàn)，建立離合子脫落的故障樹(圖4)，進(jìn)行故障定位，以確定離合子脫落的故障原因。

經(jīng)過對金屬碎塊進(jìn)行仔細(xì)地拼接，未發(fā)現(xiàn)多余物;同時由于飛機(jī)已經(jīng)工作了114 h 30 min，如果存在多余物的話，該故障應(yīng)該早已經(jīng)出現(xiàn)，排除了雙速傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)部損壞是多余物打傷的可能性;如果離合子本身存在隱性裂紋，在修理過程中未檢查出來，那么在發(fā)動機(jī)多次起動過程中，隱性裂紋會不斷擴(kuò)展直至斷裂，裂紋擴(kuò)展到斷裂大約在發(fā)動機(jī)工作30 h，而該架飛機(jī)已經(jīng)工作了114 h 30 min，起落了153 次，發(fā)動機(jī)起動至少180 次，因此離合子本身存在隱性裂紋修理中漏檢的可能性也可以排除。

圖3 棘輪離合器零件圖Fig.3 Parts drawing of ratchet clutch

圖4 離合子脫落的故障樹Fig.4 Fault tree for breaking off of pawl

如果在起動初期因某種原因突然收油門，或者發(fā)動機(jī)沒有停轉(zhuǎn)而再次起動發(fā)動機(jī)，也有可能造成離合子打壞脫落。起動初期，傳動力矩很大，突然收油門可能打壞離合子;發(fā)動機(jī)停車時，在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降過程中，滾棒離合器仍未脫開，棘輪離合器的離合子因轉(zhuǎn)速較小，不在甩平位置，如果在高壓轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動前，給起動發(fā)電機(jī)通電再次起動，起動發(fā)電機(jī)就會帶動棘輪與離合子相撞，巨大的撞擊力可能撞壞離合子。這種損壞是突變的，而從離合子、傳動齒輪等機(jī)件被打成碎片、軸承磨損、機(jī)匣殼體金屬屑可以推斷雙速傳動機(jī)構(gòu)打傷是一個漸變過程;因機(jī)務(wù)人員操作不當(dāng)導(dǎo)致棘輪離合器脫落的可能性很小。

查棘爪設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)計(jì)圖紙要求棘爪內(nèi)圈的4 個角①、②、③、④要進(jìn)行R 1～1.5 mm 倒圓，如圖5 所示。經(jīng)檢查，棘爪內(nèi)圈4 個角未倒圓，基本成直角，這容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在棘爪工作過程中，經(jīng)反復(fù)結(jié)合與脫開的大扭矩傳動中，可能導(dǎo)致微裂紋繼而出現(xiàn)疲勞裂紋［8］。

圖5 棘爪裂紋示意圖Fig.5 Schematic illustration of the fractured pawl

從故障件可以看出，棘輪離合器的3 個離合子脫落，限動銷釘完好，可以確認(rèn)離合子在固定銷釘處斷裂，固定銷釘靠近棘爪內(nèi)圈4 個角處;從離合子座上嚴(yán)重的磨壓痕跡及離合子的破壞痕跡可以判斷該斷裂的離合子曾經(jīng)卡滯在棘輪內(nèi)，使離合子座和棘輪處于很大的受力狀態(tài)。離合子座的受傷痕跡均處于旋轉(zhuǎn)方向，可以判斷離合子座作為施力件，棘輪作為受力件造成的，即離合子座帶動棘輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，在工作過程中，由于應(yīng)力集中，微裂紋在棘爪內(nèi)圈某個角處產(chǎn)生。在大轉(zhuǎn)速、大離心力作用下，微裂紋得以擴(kuò)展，產(chǎn)生疲勞裂紋繼而斷裂脫落，脫落件在工作中不斷地打傷其它機(jī)件，包括另外2 個棘爪。在這個過程中，脫落件會卡在棘輪離合器內(nèi)，高壓轉(zhuǎn)子通過附件機(jī)匣內(nèi)的傳動齒輪帶動雙速傳動機(jī)構(gòu)中的大傳動齒輪轉(zhuǎn)動，大傳動齒輪增速帶動離合子座轉(zhuǎn)動，由于離合子卡在棘輪離合器內(nèi)，離合子座帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪增速帶動滾棒離合器外環(huán)轉(zhuǎn)動，滾棒離合器外環(huán)的轉(zhuǎn)速將大于星形輪的轉(zhuǎn)速，滾棒脫開，滾棒離合器處于“離開”狀態(tài)，發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子將會以2.259［6］的增速比帶動起動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，傳動關(guān)系由滾棒離合器、摩擦離合器帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動變?yōu)榧嗠x合器、摩擦離合器帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動。若發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為10 kr/min，則起動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為22.59 kr/min，大大超過發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，起動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所承受的離心力是允許最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)的6.3 倍［7］，破壞力很大，就會造成棘爪打成碎片，齒輪打傷掉塊、機(jī)件磨損報(bào)廢等故障現(xiàn)象;因此，由于制造缺陷導(dǎo)致棘爪產(chǎn)生疲勞裂紋直至脫落的可能性非常大。

當(dāng)S 雜質(zhì)含量超標(biāo)時，部件內(nèi)基體與夾雜比較容易分離，材料內(nèi)部組織結(jié)合力差。在反復(fù)結(jié)合與脫開的大扭矩傳動中易導(dǎo)致了微裂紋得發(fā)生，在反復(fù)的疲勞沖擊作用下微裂紋受到疲勞擴(kuò)展，嚴(yán)重時發(fā)生棘爪過載瞬斷裂、脫落，產(chǎn)生上述的故障現(xiàn)象。

2.4 裂紋斷口分析和化學(xué)成分分析

由于該臺發(fā)動機(jī)棘爪完全破壞，無法進(jìn)行棘爪斷口分析。為避免在修理過程中出現(xiàn)棘爪裂紋漏檢的可能性，將三爪離合器由整體磁探改為單個棘爪進(jìn)行磁粉探傷檢查。通過整體磁探探傷合格的30 個棘爪采用單個棘爪磁探，發(fā)現(xiàn)有7 個棘爪內(nèi)圈R 處有磁痕顯示(圖5)。

為確定裂紋的真實(shí)性，對這7 個棘爪進(jìn)行著色探傷檢查，發(fā)現(xiàn)有3 個棘爪有裂紋跡象，將這3個棘爪沿磁痕顯示處剖開裂紋，采用掃描電鏡對斷口表面進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示:在裂紋源區(qū)附近有扇形疲勞弧線和發(fā)散狀的疲勞條帶，后面的區(qū)域較平整，疲勞條帶的區(qū)域占整個斷口的比例較小，為疲勞裂紋。進(jìn)一步做化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)棘爪中S 含量超過0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

從故障樹分析、棘爪裂紋斷口分析和化學(xué)成分分析可知，產(chǎn)生該故障的原因是棘爪在工作過程中斷裂、脫落，雙速傳動機(jī)構(gòu)功能失效導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起動不成功;棘爪脫落的可能原因一是制造加工時棘爪內(nèi)圈4 個角處未按設(shè)計(jì)要求倒圓，工作中由于應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋，二是S 含量超標(biāo)導(dǎo)致棘爪在工作中產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)生斷裂脫落故障。

3 工藝改進(jìn)

根據(jù)故障樹分析，找到了棘爪斷裂的故障原因，針對故障原因，從制造、修理工藝上采取如下改進(jìn)措施:

1)制造時嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖樣加工，保證棘爪內(nèi)圈4 個角進(jìn)行倒圓;

2)控制棘爪材料，保證棘爪硫化物的含量符合技術(shù)要求;

3)修理中增加對棘爪內(nèi)圈檢查，如果發(fā)現(xiàn)棘爪內(nèi)圈4 個角未進(jìn)行倒圓，在修理中采用油石、砂布進(jìn)行打磨倒圓，保證棘爪內(nèi)圈4 個角進(jìn)行R 1～1.5 mm 倒圓;

4)為避免在修理過程中出現(xiàn)棘爪裂紋漏檢的可能性，將三爪離合器由整體磁探改為單個棘爪磁探檢查，存疑時增加著色檢查［9］。

4 結(jié)論

1)發(fā)動機(jī)起動不成功的原因是棘爪脫落導(dǎo)致棘輪離合器功能失效。

2)棘輪離合器功能失效的原因是棘爪因疲勞裂紋產(chǎn)生脫落。

3)棘爪產(chǎn)生疲勞裂紋的原因是棘爪內(nèi)圈4個角未按要求倒圓以及S 含量超標(biāo)。

［1］林基恕.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)手冊(第12 冊):傳動及潤滑系統(tǒng)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2002:634-636.

［2］章永鋒.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)手冊(第13 冊):減速器［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2002:276-290.

［3］《機(jī)械工程手冊》編委會.機(jī)械工程手冊:機(jī)械零件設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996，9:6-88～6-92.

［4］林基恕.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2005:152-158.

［5］鄧華舟.殲七、殲八型飛機(jī)發(fā)動機(jī)構(gòu)造［M］.河南:空軍第一航空學(xué)院，1996:69-72.

［6］劉長福.航空發(fā)動機(jī)構(gòu)造［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1989:239-241.

［7］蘇偉.強(qiáng)五飛機(jī)起動發(fā)電機(jī)和棘輪離合器一起嚴(yán)重故障分析［J］.飛行事故和失效分析，2001(1):45-48.

［8］吳富民.結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1985:16-64.

［9］《透平機(jī)械現(xiàn)代制造技術(shù)叢書》編委會.裝配試車技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:133.