燃?xì)鉁u輪起動機減速器離合器彈簧斷裂分析

滕旭東，劉 靜，劉寧致

(1.中國人民解放軍解放軍駐370廠軍事代表室，江蘇 常州 213002；2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司軍事代表室，湖南 株洲 413002)

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燃?xì)鉁u輪起動機減速器離合器彈簧斷裂分析

滕旭東1，劉 靜2，劉寧致2

(1.中國人民解放軍解放軍駐370廠軍事代表室，江蘇 常州 213002；2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司軍事代表室，湖南 株洲 413002)

燃?xì)鉁u輪起動機在返廠大修試車后檢查發(fā)現(xiàn)減速器超越離合器的彈簧有3處斷裂。為分析彈簧斷裂的原因，對故障件進行外觀形貌與裂紋檢查、電鏡觀察、樣件對比和金相組織檢查，并通過建模對彈簧U形彎出現(xiàn)擠壓尖角時應(yīng)力集中系數(shù)進行分析，得出結(jié)論：彈簧斷裂的失效模式是過載斷裂，彈簧斷裂的原因是彈簧沖壓模具R轉(zhuǎn)接處過渡不良、模具調(diào)整定位不準(zhǔn)確、沖壓工藝存在受力不均造成彈簧沖壓成型時R轉(zhuǎn)接外圓處產(chǎn)生原始裂紋損傷，在后續(xù)磨合試車中應(yīng)力作用下發(fā)生過載斷裂。通過對離合器的組成和原理分析，對彈簧斷裂造成的危害性進行深入分析，明確了處置措施，有效地解決了彈簧斷裂故障。

燃?xì)鉁u輪起動機；減速器離合器；彈簧；模具；應(yīng)力集中；過載斷裂

0 引言

彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件，一般用彈簧鋼制成，用以控制機件的運動、緩和沖擊或振動、儲存能量、測量力的大小等，廣泛應(yīng)用于機械儀表、減震器械、離合器等。尤其是在一些控制機械運動的設(shè)備中，彈簧失效會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此對彈簧進行失效分析顯得尤為重要。文獻[1-4]描述缺陷是造成彈簧早期失效的主要原因之一，主要包括材料的石墨化、異常組織、非金屬夾雜等。一些彈簧的斷裂特征為沿晶斷裂，一些為存在表面損傷的疲勞斷裂。以上彈簧斷裂均可以通過常規(guī)的失效分析手段進行分析，包括宏微觀檢查、組織檢查、能譜分析及硬度檢查等[1-4]。本研究中的彈簧為異形彈簧帶，經(jīng)過開窗、沖壓制成，存在特殊的形狀，除了采用常規(guī)的失效分析手段外，采用有限元分析能夠促進該類故障的快速處理，準(zhǔn)確定位時效原因。

燃?xì)鉁u輪起動機在返廠大修試車后檢查發(fā)現(xiàn)，減速器超越離合器的彈簧有3處斷裂。因此，故障的模式確定、原因機理分析、解決措施制定刻不容緩。本研究通過對彈簧故障件的外觀形貌與裂紋檢查、電鏡觀察、樣件對比和金相組織檢查，確定斷裂性質(zhì)，分析明確故障原因，并制訂改進措施。

1 試驗與分析

1.1 斷裂外觀觀察

彈簧有上下兩排U型彎，斷裂發(fā)生在同一側(cè)的3個不連續(xù)的U型彎上，按圖1所示U型彎凸面外圓面朝上放置，斷裂位置(圖1箭頭位置)位于上排U型彎凹窩右側(cè)與斜面的R轉(zhuǎn)接處。斷裂處可見頸縮(圖2a)，在相鄰的其他未斷U型彎相應(yīng)位置的凹窩(內(nèi)圈)左右兩側(cè)的R轉(zhuǎn)接處均可見轉(zhuǎn)接不良形成的尖邊，但右側(cè)(發(fā)生斷裂一側(cè))比左側(cè)尖邊更明顯(圖2b)，也說明U型彎斷裂處與出現(xiàn)尖邊的外圓處對應(yīng)。

圖1 斷裂彈簧外觀

圖2 U型彎

掃描電鏡下觀察，斷裂的U型彎左側(cè)R轉(zhuǎn)接處外側(cè)也可見裂紋(圖3a)，裂紋處可見與裂紋平行的“橘皮”皺紋(圖3b)。進一步觀察，同一排(上排)其他未斷的U型彎左右兩側(cè)的R轉(zhuǎn)接外圓處也可見不同程度的開裂現(xiàn)象，U型彎右側(cè)R轉(zhuǎn)接外圓處裂紋連續(xù)，個別U型彎局部已貫穿，左側(cè)裂紋呈不連續(xù)狀，說明U型彎右側(cè)R轉(zhuǎn)接外圓處裂紋比左側(cè)裂紋更嚴(yán)重，此外，觀察斷裂彈簧的下排U型彎也可見不同程度的開裂現(xiàn)象，但程度稍輕于上排，同樣每一個U型彎右側(cè)R轉(zhuǎn)接外圓處裂紋比左側(cè)裂紋更嚴(yán)重。

圖3 斷裂U型彎斷裂外觀

圖4 U型彎斷口微觀特征

1.3 樣件與失效件U形彎對比

采用掃描電鏡觀察樣件外貌，并與失效件就U形彎的形狀進行對比，結(jié)果見圖5。

圖5 樣件與失效件的U形彎

由對比分析可知：

1)樣件的U形彎形狀完整圓滑，弧面尺寸基本一致；失效件的U形彎出現(xiàn)擠壓尖角區(qū)，擠壓尖角區(qū)存在明顯的“頸縮”現(xiàn)象，且存在表面微裂紋。

2)樣件的U形彎外徑面中間區(qū)域也存在蠕蟲狀微裂紋，但尺寸明顯小于國產(chǎn)件。

檢查未使用的新彈簧與斷裂彈簧進行對比分析，在新彈簧上排U型彎的右側(cè)R轉(zhuǎn)接外圓處出現(xiàn)裂紋，但裂紋較輕微呈現(xiàn)斷續(xù)狀，U型彎左側(cè)裂紋不明顯，下排U型彎左右兩側(cè)R轉(zhuǎn)接處未見裂紋或裂紋不明顯。高倍觀察彈簧R轉(zhuǎn)接處可見較多的與宏觀主裂紋平行的蠕蟲狀微裂紋。對彈簧U型彎的截面進行觀察，新彈簧U型彎R轉(zhuǎn)接處過渡好于斷裂彈簧，但R轉(zhuǎn)接處仍可見過渡不良甚至尖邊的情況，說明U型彎裂紋出現(xiàn)的位置與U型彎轉(zhuǎn)接處過渡不良對應(yīng)。

1.4 金相組織檢查

在斷裂彈簧上下兩排U型彎中隨機各選取一個U型彎制備縱向截面金相試樣。從縱向截面看，U型彎R轉(zhuǎn)接處均存在一定的頸縮甚至尖邊，但上排U型彎R轉(zhuǎn)接過渡明顯要差于下排U型彎(圖6)。裂紋處組織和完好處組織無明顯差異，組織未見異常(圖7)。

圖6 斷裂彈簧U型彎縱截面

圖7 斷裂彈簧U型彎截面金相組織

2 彈簧U形彎出現(xiàn)擠壓尖角時應(yīng)力集中系數(shù)分析

為摸清彈簧U形彎出現(xiàn)擠壓尖角時應(yīng)力集中系數(shù)，根據(jù)零件實際形狀做出模型進行計算[2-4]，主要對彈簧U形彎圓滑過渡(標(biāo)準(zhǔn)模型)及有擠壓尖角(超差模型)做定性對比計算分析。標(biāo)準(zhǔn)模型與超差模型。計算時取一個循環(huán)對稱段進行分析，約束如圖8所示A面，在B面施加切向方向載荷。

計算結(jié)果見表1。從計算結(jié)果中可知，在同等邊界約束和載荷作用下，相對標(biāo)準(zhǔn)模型，超差模型最大當(dāng)量應(yīng)力位置發(fā)生變化，由標(biāo)準(zhǔn)模型的中間部位(圖9)轉(zhuǎn)移到超差部位(圖10)，并且在超差部位的應(yīng)力由標(biāo)準(zhǔn)模型的105 MPa增大至141 MPa，當(dāng)量應(yīng)力相對增大34.3%，超差部位的應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。

圖8 有限元模型

3 分析與討論

彈簧斷裂處可見頸縮等塑性變形特征，斷口粗糙，微觀為韌窩撕裂特征，彈簧斷裂性質(zhì)為過載[5-6]。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)模型在超差部位當(dāng)量應(yīng)力分布

表1 計算結(jié)果

從斷裂彈簧斷口上撕裂韌窩方向推斷，斷裂起源于U型彎的外圓表面，其他未斷U型彎也在凹窩R轉(zhuǎn)接處的外圓面存在不同程度的開裂現(xiàn)象。此外，從未使用的彈簧檢查結(jié)果看，未使用的新彈簧部分U型彎在相應(yīng)位置也存在不同程度的裂紋，未裂U型彎處存在塑性變形及橘皮狀微裂紋，因此推斷彈簧在使用前已存在裂紋或發(fā)生了塑性變形損傷。U型彎截面形貌及截面金相均表明U型彎R轉(zhuǎn)接處過渡不良，在R轉(zhuǎn)接內(nèi)圓面存在尖邊，裂紋出現(xiàn)在尖邊對應(yīng)的外圓R角處，且內(nèi)圓過渡不良的情況越嚴(yán)重，相應(yīng)的外圓出現(xiàn)裂紋的概率或開裂程度越大，說明U型彎裂紋產(chǎn)生與R轉(zhuǎn)接處的過渡不良情況有直接關(guān)系[7-8]。結(jié)合彈簧的生產(chǎn)工藝，U型彎R轉(zhuǎn)接處的過渡不良甚至開裂應(yīng)該產(chǎn)生于磨具沖壓成型的過程中，彈簧在沖壓成型時磨具沖頭頂端圓角過渡不良導(dǎo)致成型的U型彎內(nèi)圓處存在尖角及頸縮塑性變形，對應(yīng)外圓處受到拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生橘皮狀的“皺紋”塑性變形損傷甚至開裂[9-13]。

從斷裂彈簧和新彈簧的失效情況看，有2個規(guī)律：1)斷裂均位于上排U型彎上，3個彈簧上排U型彎裂紋程度大于下排；2)斷裂均位于U型彎的同一側(cè)R轉(zhuǎn)接處，其他U型彎上的裂紋也均在斷裂側(cè)更嚴(yán)重，未使用的彈簧初始裂紋也均出現(xiàn)凹窩同一側(cè)(2件新彈簧，其中1件在左側(cè)嚴(yán)重，另1件在右側(cè)嚴(yán)重)；兩個規(guī)律說明此模具沖壓成型過程中存在上下兩排左右兩側(cè)應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，使得某一側(cè)沖壓時受力過大，外圓R轉(zhuǎn)接處受到的拉應(yīng)力更大。

4 結(jié)論

1)彈簧斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

2)彈簧斷裂的原因是彈簧沖壓模具R轉(zhuǎn)接處過渡不良、模具調(diào)整定位不準(zhǔn)確、沖壓工藝存在受力不均造成彈簧沖壓成型時R轉(zhuǎn)接外圓處產(chǎn)生原始裂紋損傷，在后續(xù)磨合試車中應(yīng)力作用下發(fā)生過載斷裂。

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Fracture Analysis of Retarder Clutch Spring in Gas Turbine Starter

TENG Xu-dong1，LIU Jing2，LIU Ning-zhi2

(1.TheChinesePLARepresentativeOfficeat370Factory,JiangsuChangzhou213002,China;2.TheChinesePLARepresentativeOfficeatAECCSouthIndustryCo.,Ltd.,HunanZhuzhou413002,China)

After the gas turbine starter was fixed back in the factory and then tested, its retarder clutch spring was found to have fractured at three locations. In order to find out the fracture reason of the spring, macro and micro observation, sample comparison and metallographic examination were carried out. And the stress concentration coefficient at the stamping sharp-point of the spring was analyzed. The results show that the failure mode of the spring overload fracture. There existed poor transition at the R corner of the spring mould, module adjusting was not accurate, and uneven stress existed during the stamping process, which caused the initiation of original cracks at the R corner during the stamping process. The cracks propagated during the sequent testing, resulting in the fracture of the spring. Based on analysis of the structure and principle of the retarder clutch, some measures were put forward and thus such failure has been effectively prevented.

gas turbine starter; retarder clutch; spring; mould; stress concentration; overload fracture

2016年5月14日

2016年7月19日

滕旭東(1978年-)，男，工程師，主要從事航空發(fā)動機制造，裝配與試車等方面的研究。

V233.19

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.009

1673-6214(2016)04-0240-06