起動(dòng)發(fā)電機(jī)彈性軸斷裂分析

田 浩 ， 傅國(guó)如 ， 陳 榮 ， 李 權(quán) ， 殷劉彥

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

0 引言

效分析，查明彈性軸斷裂原因，為提高飛行安全水平，防止類似現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生提供重要依據(jù)。

起動(dòng)發(fā)電機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要附件，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通過(guò)機(jī)載蓄電池或地面電源供電，作為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，再在轉(zhuǎn)子帶動(dòng)下作為發(fā)電機(jī)向飛機(jī)電網(wǎng)供電[1-2]。其中，起動(dòng)發(fā)電機(jī)中的彈性軸為發(fā)電機(jī)的核心零件，主要起傳遞扭矩的作用，其性能好壞直接影響發(fā)電機(jī)的正常工作[3-5]。

飛機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電機(jī)工作聲音異常，拆下發(fā)電機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)彈性軸斷脫。斷裂彈性軸材質(zhì)為50CrVA 彈簧鋼，硬度要求為HRC 43～48，大修時(shí)更換新件后使用165 h 20 min。

本研究通過(guò)對(duì)起動(dòng)發(fā)電機(jī)彈性軸故障進(jìn)行失

1 宏觀觀察

電機(jī)中的彈性軸通過(guò)花鍵端與發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣相連，彈性軸錐體與電機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸緊密貼合，通過(guò)兩配合面之間的靜摩擦力傳遞扭矩，錐體內(nèi)的半圓鍵起定位作用并輔助傳遞扭矩，彈性軸螺紋固定端通過(guò)鎖緊螺母固緊，提供彈性軸所需軸向拉緊力。

圖 1 斷裂彈性軸宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured flexible shaft

斷裂的彈性軸宏觀形貌見(jiàn)圖1，斷裂位置位于半圓鍵的左側(cè)（錐體大端側(cè)），錐體錐面局部存在明顯磨損痕跡（圖1b）。彈性軸花鍵鍵齒磨損均勻，未見(jiàn)明顯偏磨痕跡，彈性軸螺紋端螺紋也基本完好，無(wú)明顯損傷（圖1c、圖1d）。彈性軸半圓鍵工作面存在明顯擠壓痕跡（圖2a）。彈性軸半圓鍵槽底部靠近斷口一側(cè)存在材料缺失形成的孔洞，鍵槽根部R 角處可見(jiàn)明顯裂紋，裂紋貫穿鍵槽底部孔洞與斷口區(qū)域（圖2b）。檢查彈性軸其他部位未見(jiàn)異常損傷及腐蝕痕跡。

圖 2 半圓鍵及鍵槽宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the woodruff key and mounting groove

觀察彈性軸斷口宏觀形貌，可見(jiàn)斷口高度落差較大，整體呈錐形，斷口芯部較陡，且頂端磨損嚴(yán)重，已看不出原始形貌。將兩段斷裂錐體對(duì)接復(fù)原，發(fā)現(xiàn)斷口頂端部位與半圓鍵槽底部孔洞（圖2b）吻合，芯部斷面上可見(jiàn)明顯從上至下的放射棱線。斷口底部較為平坦，可見(jiàn)明顯疲勞弧線特征，斷口底部外徑區(qū)域可見(jiàn)一周剪切唇（圖3）。對(duì)彈性軸另一半匹配斷口進(jìn)行觀察，可見(jiàn)明顯從半圓鍵槽方位起始的放射棱線及疲勞弧線特征（圖4）。將半圓鍵槽R 角處裂紋打開(kāi)（沿著圖4b藍(lán)色虛線），進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)裂紋從半圓鍵槽底部R 角處線性起源（圖5）。

2 微觀檢查

彈性軸（匹配）斷口微觀形貌見(jiàn)圖6，可見(jiàn)斷口以彈性軸軸線為中心，沿周向向外徑方向螺旋擴(kuò)展，直至彈性軸斷裂。斷口上可見(jiàn)明顯放射棱線及疲勞弧線，疲勞區(qū)約占斷口面積95%以上。疲勞線性起始于半圓鍵槽根部R 角處，源區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯冶金及加工缺陷（圖7）。瞬斷區(qū)微觀形貌為典型撕裂韌窩特征。

錐體錐面磨損區(qū)為典型粘著磨損特征，磨損區(qū)的面積約占錐體錐面的60%左右，且為不均勻接觸（圖8）。

圖 3 彈性軸斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the fracture surface of the flexible shaft

圖 4 彈性軸匹配斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the matching fracture surface of the flexible shaft

圖 5 彈性軸疲勞源區(qū)宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the fatigue source zone

圖 6 彈性軸匹配斷口微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the matching fracture surface of the flexible shaft

圖 7 彈性軸疲勞源區(qū)微觀形貌Fig.7 Micro morphology of the fatigue source zone

圖 8 彈性軸錐面不均勻接觸磨損特征Fig.8 Uneven contact wear characteristics of the conical surface of the flexible shaft

3 金相組織及硬度檢查

在彈性軸斷口附近取樣檢查材料的金相組織，顯微組織未見(jiàn)異常。在彈性軸上取樣檢測(cè)材質(zhì)硬度，實(shí)測(cè)顯微硬度為HV0.3466.4，換算[6]后為HRC 46.8，滿足硬度設(shè)計(jì)要求（HRC 43～48）。

4 分析及討論

送檢彈性軸斷口呈錐形，宏觀可見(jiàn)明顯放射棱線及疲勞弧線特征，放射棱線線性收斂于半圓鍵槽底部R 角處，斷口以彈性軸軸線為中心，沿周向向外徑方向螺旋擴(kuò)展，彈性軸外徑區(qū)域可見(jiàn)一周剪切唇口。根據(jù)上述特征判斷彈性軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂[7-8]，疲勞起始于彈性軸半圓鍵槽底部R 角處。

彈性軸是否出現(xiàn)疲勞斷裂主要取決于載荷大小及自身抗疲勞能力兩方面因素。由于彈性軸材質(zhì)（組織、硬度）檢測(cè)結(jié)果均符合要求，疲勞源區(qū)也未見(jiàn)明顯冶金及加工缺陷，因此，彈性軸斷裂應(yīng)該與其承受的載荷有關(guān)。

電機(jī)起動(dòng)或發(fā)電時(shí)，扭轉(zhuǎn)力矩Me是通過(guò)彈性軸錐體與轉(zhuǎn)子空心軸配合面之間的靜摩擦力f 以及彈性軸錐體上半圓鍵的剪切力τ 共同傳遞（Me=Mf+Mτ）。扭轉(zhuǎn)力矩Me恒定的情況下，靜摩擦力矩Mf越大，半圓鍵剪切力矩Mτ越小，反之亦然。參考文獻(xiàn)[9-10]，錐體錐面靜摩擦力矩Mf的大小不僅與實(shí)際貼合區(qū)域的面積有關(guān)，還與貼合區(qū)域的位置有關(guān)。如果錐體和空心軸配合面之間貼合不良，將導(dǎo)致靜摩擦力矩Mf相應(yīng)減小，而扭轉(zhuǎn)力矩Me為恒定值（由電源特性決定），半圓鍵剪切力矩Mτ隨之增加，反饋到半圓鍵及半圓鍵槽的受力將增加，鍵槽底部R 角應(yīng)力集中部位萌生疲勞裂紋，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后，疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致彈性軸斷裂。

歷史上，該型起動(dòng)發(fā)電機(jī)曾發(fā)生10 余起彈性軸斷裂故障，各大修廠均反映在歷年故檢中發(fā)現(xiàn)彈性軸存在裂紋現(xiàn)象，平均故障率約為5.8%，裂紋及斷裂位置均在半圓鍵槽部位。針對(duì)彈性軸的故障問(wèn)題，制造廠采取了相應(yīng)的糾正措施，主要將彈性軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸之間的錐面貼合度從65%提升至80%。本次故障彈性軸斷裂模式與歷史故障相同。根據(jù)錐面磨損痕跡判斷，實(shí)際承載的面積約為60%左右，且為不均勻接觸，實(shí)際承載面積偏小，導(dǎo)致靜摩擦力矩相應(yīng)減小，半圓鍵剪切力矩增加，反饋到半圓鍵的剪切力增大，半圓鍵工作面上的擠壓痕跡，證明彈性軸鍵槽受到了較大的應(yīng)力作用[11]。因此，彈性軸錐體與轉(zhuǎn)子空心軸之間配合不良，導(dǎo)致靜摩擦力矩減小，半圓鍵剪切力矩增加，半圓鍵及半圓鍵槽受力增大，是彈性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的根本原因。

起動(dòng)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)及大修工藝規(guī)程規(guī)程規(guī)定，為保證彈性軸錐體與轉(zhuǎn)子空心軸之間的錐面貼合度，要求對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)研（研磨），研磨后采用涂色法進(jìn)行貼合度檢驗(yàn)。因此，研磨工序和貼合度檢驗(yàn)工序均為關(guān)鍵工序。但實(shí)際生產(chǎn)及修理過(guò)程中，研磨過(guò)程為純手工研磨，涂色法檢查錐面貼合度的工藝對(duì)操作人員要求較高，貼合度檢驗(yàn)依靠目視判斷（圖9），研磨質(zhì)量和貼合度判斷受人為因素的影響很大。貼合度檢驗(yàn)的結(jié)果難以準(zhǔn)確反映錐面之間的配合情況[12]。以本次故障彈性軸為例，復(fù)查修理卷宗，顯示上次修理情況未見(jiàn)異常，記錄彈性軸與空心軸之間的錐面貼合度為85%，但根據(jù)錐面磨損痕跡判斷，實(shí)際承載的面積僅為60%左右，且為不均勻接觸，反映出該起動(dòng)發(fā)電機(jī)彈性軸工藝可控性差。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，彈性軸出現(xiàn)如此高的故障率（約5.8%），反映出該彈性軸產(chǎn)品可靠性低。工藝可控性差和產(chǎn)品可靠性低的根源在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，因此，建議制造廠對(duì)彈性軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)（如錐體結(jié)構(gòu)改成花鍵結(jié)構(gòu)），避免故障再次發(fā)生。

圖 9 涂色檢查法Fig.9 Method of smear test

5 結(jié)論和建議

1）起動(dòng)發(fā)電機(jī)彈性軸斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，疲勞斷裂起源于半圓鍵底部R 角處。

2）彈性軸錐體與轉(zhuǎn)子空心軸之間配合不良，導(dǎo)致靜摩擦力矩減小，半圓鍵剪切力矩增加，半圓鍵及半圓鍵槽受力增大，是彈性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的根本原因。

3）鑒于該起動(dòng)發(fā)電機(jī)彈性軸工藝可控性差、產(chǎn)品可靠性低，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題，建議制造廠對(duì)彈性軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，避免故障再次發(fā)生。