功率輸出軸斷裂分析

高志坤，韓振宇，佟文偉，胡 霖，卜嘉利

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015)

0 引言

附件機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，主要起著為飛機(jī)附件機(jī)匣提供動(dòng)力的作用。功率輸出軸是將發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣的動(dòng)力(扭矩)傳遞給飛機(jī)附件機(jī)匣的主要零件，其安全、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到飛機(jī)整體的安全［1］。

發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣在進(jìn)行持久壽命試驗(yàn)時(shí)，采用膜片聯(lián)軸器將功率輸出軸的扭矩傳遞給模擬飛機(jī)附件機(jī)匣的液壓系統(tǒng)(負(fù)載)，而在飛機(jī)上并不需要膜片聯(lián)軸器聯(lián)接。當(dāng)試驗(yàn)器主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到約8 kr/min 時(shí)，發(fā)現(xiàn)功率輸出軸斷裂，半聯(lián)軸盤與功率輸出軸法蘭盤聯(lián)接螺栓有2 個(gè)斷裂，半聯(lián)軸盤、中間軸與膜片組固定的驅(qū)動(dòng)螺栓有3 個(gè)斷裂，膜片組與半聯(lián)軸盤相接一端3 個(gè)螺栓孔豁裂。至發(fā)生故障時(shí)，試驗(yàn)累計(jì)進(jìn)行約80 h。在以往發(fā)動(dòng)機(jī)試車、試飛過程中并未發(fā)生過功率輸出軸斷裂故障。

功率輸出軸在持久壽命試驗(yàn)過程中主要傳遞扭矩，但如果與之相連的膜片聯(lián)軸器異常，對(duì)軸產(chǎn)生附加彎矩作用，將使功率輸出軸由單軸疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍S疲勞。目前，關(guān)于單軸疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展研究［1-3］以及關(guān)于多軸疲勞強(qiáng)度與壽命方面的研究較多［4-7］。但關(guān)于多軸疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展形貌特性的研究還不多見。通過斷裂失效行為和特征來判別軸失效的主要載荷，對(duì)于找到失效原因具有重要作用。本研究針對(duì)某功率輸出軸組件發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，從斷口的宏微觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、組織形貌、硬度檢測等多方面對(duì)該失效組件進(jìn)行研究，以確定其斷裂性質(zhì)及失效原因，從而為此類軸失效故障的研究和預(yù)防提供借鑒。

1 試驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障功率輸出軸宏觀圖像見圖1，表面呈氧化色，斷裂產(chǎn)生于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處，法蘭盤端面有多處刮蹭、磨損痕跡，花鍵未見明顯的異常磨損。

斷口宏觀形貌見圖2。功率輸出軸一側(cè)斷口損傷嚴(yán)重，法蘭盤一側(cè)斷口保持相對(duì)完好。斷口呈皿狀，絕大部分呈灰白色，內(nèi)側(cè)邊緣呈黑色，大部分較細(xì)膩;斷口表面可見明顯的疲勞弧線，表明斷口為疲勞斷口［8］。疲勞起源于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處外表面(圖2a)，呈單源特征，且源區(qū)磨損較重;斷面與軸向約呈45°向兩側(cè)擴(kuò)展，有明顯的臺(tái)階，擴(kuò)展區(qū)面積很大，擴(kuò)展后期有明顯的疲勞弧線和擴(kuò)展棱線，瞬斷區(qū)面積很小，表明裂紋擴(kuò)展較充分［9］;瞬斷區(qū)與疲勞源區(qū)相對(duì)，但卻相對(duì)于軸的旋轉(zhuǎn)方向逆偏轉(zhuǎn)一定的角度θ。聯(lián)接螺栓和膜片斷口均未見明顯的疲勞特征，為過載斷裂性質(zhì)。

圖1 功率輸出軸宏觀形貌Fig.1 Appearance of the output power shaft

圖2 功率輸出軸斷口宏觀形貌Fig.2 Fracture surface of the output power shaft

1.2 斷口微觀檢查

采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察，可見收斂于外表面的放射棱線，進(jìn)一步表明疲勞起源于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處外表面(圖3a);放大觀察，源區(qū)主要為磨損、刮蹭特征，未見明顯的冶金缺陷(圖3b);源區(qū)附近可見到細(xì)膩的疲勞條帶(圖3c);擴(kuò)展區(qū)可見到細(xì)膩的疲勞條帶(圖3d);瞬斷區(qū)為韌窩特征(圖3e)。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

1.3 表面檢查

故障功率輸出軸斷口疲勞源區(qū)附近表面形貌見圖4，呈磨損特征，原始形貌無法觀察，疲勞源位于軸和法蘭盤的轉(zhuǎn)接R 處，為應(yīng)力集中部位，源區(qū)附近未見嚴(yán)重的機(jī)械加工刀痕。

1.4 材質(zhì)分析

1)成分分析。

對(duì)故障功率輸出軸斷口黑色區(qū)和基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。斷口黑色區(qū)O 含量明顯偏高，表明斷口黑色區(qū)應(yīng)為氧化所致;故障功率輸出軸基體材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)組織檢查。

從故障軸斷口附近截取金相試樣，將試樣打磨、腐蝕后觀察顯微組織，形貌見圖5，為回火索氏體，符合技術(shù)要求。

3)硬度檢測。

在斷口附近取樣，用TH320 型全洛氏硬度計(jì)測定洛氏硬度，結(jié)果為HRC 38.2～39.4，符合HRC 37～48 的技術(shù)要求。

2 分析與討論

圖4 源區(qū)表面形貌Fig.4 Side surface near the source

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Results of EDS analysis (mass fraction/%)

圖5 斷口附近組織形貌Fig.5 Microstructure near the fracture surface of the shaft

通過對(duì)故障功率輸出軸斷口檢查與分析可知:疲勞起源于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處外表面、單源，斷口呈皿狀，瞬斷區(qū)在疲勞源區(qū)的對(duì)面、但卻相對(duì)于軸的旋轉(zhuǎn)方向逆偏轉(zhuǎn)一定的角度，以上特征與文獻(xiàn)［10-11］闡述的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征一致;而與扭轉(zhuǎn)斷口的呈“階梯”、“鋸齒”狀和星型，邊緣存在明顯的“漩渦”狀摩擦條痕等特征存在明顯差異，這表明故障功率輸出軸在旋轉(zhuǎn)過程中受到較明顯的彎曲載荷。在旋轉(zhuǎn)彎矩作用下，產(chǎn)生故障軸疲勞斷口瞬斷區(qū)向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)的根本原因是疲勞裂紋進(jìn)入拉應(yīng)力區(qū)的狀態(tài)不同［12］。在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，軸還在不斷的旋轉(zhuǎn)，疲勞裂紋的前沿向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)，因此，最后的瞬斷區(qū)也向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。故障功率輸出軸的材料成分、組織和硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，疲勞源區(qū)表面未見嚴(yán)重的機(jī)械加工刀痕，表明該軸的疲勞斷裂與材質(zhì)、冶金缺陷和機(jī)械加工無關(guān)。

膜片聯(lián)軸器具有扭轉(zhuǎn)方向剛性大、能傳遞大扭矩、在軸向和角向有很大撓度、并有吸振、減振等特點(diǎn)，作為一種新型撓性聯(lián)接裝置被廣泛用于高速重載場合［13］。其工作原理是:扭矩從主動(dòng)端半聯(lián)軸器輸入，經(jīng)沿圓周間隔布置的高強(qiáng)度螺栓將扭矩傳輸至前端撓性鋼片組(膜片)，再由撓性鋼片組通過高強(qiáng)度螺栓傳到中間軸，并同樣由另后端撓性鋼片組、高強(qiáng)度螺栓及從動(dòng)半聯(lián)軸器輸出(圖6)。與故障軸聯(lián)接的膜片聯(lián)軸器設(shè)計(jì)要求是只傳遞軸的扭矩，盡量對(duì)軸不產(chǎn)生附加的彎矩。正常工作條件下，功率輸出軸主要傳遞扭矩，所受彎矩很小，而斷口分析表明故障功率輸出軸疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展主要是受到了異常彎矩的作用。

通常在膜片聯(lián)軸器總長度一定的情況下，聯(lián)軸器的中間軸長度在確保不超過聯(lián)軸器外徑的條件下盡可能長，2 個(gè)半聯(lián)軸盤長度不超過中間節(jié)、并盡量短，這不僅可以最大限度增加膜片聯(lián)軸器膜片的補(bǔ)償能力，還可以降低對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的附加作用力和附加旋轉(zhuǎn)彎矩。與故障軸聯(lián)接的膜片聯(lián)軸器半聯(lián)軸盤長度為75 mm，中間軸長度為70 mm，且質(zhì)量均較重，與常規(guī)設(shè)計(jì)［14］相悖，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，由于膜片聯(lián)軸器離心力作用勢必對(duì)軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)彎矩。需要說明的是，該彎矩大小應(yīng)與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的附加彎矩大，作用于軸的應(yīng)力也大，反之亦然;本試驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)速并非恒定不變，在相對(duì)低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)為高轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使疲勞擴(kuò)展區(qū)形成多處弧線臺(tái)階，而隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，軸的有效承載截面變小，加大了該部位的應(yīng)力，從而在疲勞擴(kuò)展后期形成粗大擴(kuò)展棱線。

圖6 故障軸組件示意圖Fig.6 Structural diagram of the output power shaft

構(gòu)件的形狀和材料性質(zhì)急劇改變的地方，會(huì)產(chǎn)生局部的高應(yīng)力(σmax)應(yīng)力集中。一般在結(jié)構(gòu)零件的臺(tái)階、轉(zhuǎn)角、溝槽以及材料缺陷等附近，都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。而且缺陷或轉(zhuǎn)角等形狀愈尖銳，材料的強(qiáng)度愈高，塑性愈低，應(yīng)力集中系數(shù)也就愈大。當(dāng)這種集中應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，并使裂紋不斷擴(kuò)展，直至發(fā)生斷裂［15］。故障軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處(疲勞源)即為應(yīng)力集中部位，降低了軸的抗疲勞強(qiáng)度，促進(jìn)了疲勞裂紋過早萌生。

通過對(duì)聯(lián)軸器上的聯(lián)接螺栓和膜片斷口檢查可知均為過載斷裂(敘述省略)，說明功率輸出軸疲勞斷裂在先、而后聯(lián)軸器失去平衡在旋轉(zhuǎn)慣性下致使聯(lián)接螺栓和膜片瞬時(shí)斷裂，在該試驗(yàn)條件下，膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)功率輸出軸疲勞性能的影響大于膜片，而理想設(shè)計(jì)條件下膜片聯(lián)軸器的通常失效模式是膜片疲勞開裂，進(jìn)一步說明膜片聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

3 結(jié)論

1)功率輸出軸在傳遞扭矩的過程中受到較明顯的彎曲載荷而發(fā)生疲勞斷裂，其斷裂行為主要體現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂特征，疲勞起始與材質(zhì)、冶金缺陷和機(jī)械加工無關(guān)。

2)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生的附加彎矩是導(dǎo)致功率輸出軸疲勞開裂的主要原因。

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