某型渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸斷裂故障分析

盧秋懷 余大為 許弘博 劉廣輝

摘要：運(yùn)用斷口分析技術(shù)，分析確定了渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸斷裂的故障原因并排除了故障，排故過程中采用的分析方法可為類似故障的排除提供參考。

關(guān)鍵詞：花鍵軸；斷裂；斷口分析

Keywords：spline shaft；fracture；fracture analysis

1 故障情況

發(fā)動機(jī)地面試車時，第一次起動時渦輪起動機(jī)起動不成功，起動瞬間停車；第二次起動時渦輪起動機(jī)工作50s后停車，但發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速未上升，座艙轉(zhuǎn)速表指示為0（之后查看飛參，顯示在起動43s時n2轉(zhuǎn)速6.8%，持續(xù)約1s，其余轉(zhuǎn)速為0），柔性軸也未轉(zhuǎn)動。

搖轉(zhuǎn)檢查外置機(jī)匣和發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)動靈活，未發(fā)現(xiàn)緊澀和卡滯現(xiàn)象。拆下渦輪起動機(jī)，發(fā)現(xiàn)渦輪起動機(jī)（與飛機(jī)附件機(jī)匣連接處）輸出花鍵軸斷裂，初步分析認(rèn)為是渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸本身材料或制造缺陷導(dǎo)致其斷裂。

因此，更換渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸再次進(jìn)行起動。前兩次起動中渦輪起動機(jī)仍然工作10s后停車，發(fā)動機(jī)n2轉(zhuǎn)速分別在8.3%左右；第三次起動，渦輪起動機(jī)工作50s后停車，發(fā)動機(jī)n2轉(zhuǎn)速為0。拆下渦輪起動機(jī)，發(fā)現(xiàn)渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸又一次斷裂，與之前斷裂的渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸比較，斷裂的部位相同、斷口形貌相似，如圖1所示。

2 燃?xì)鉁u輪起動機(jī)的功用

燃?xì)鉁u輪起動機(jī)是帶有自由渦輪的渦軸式燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，主要由燃?xì)鉁u輪發(fā)生模塊、自由渦輪模塊和起動機(jī)系統(tǒng)三個部分組成。燃?xì)鉁u輪起動機(jī)在發(fā)動機(jī)起動時帶動發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、飛機(jī)和發(fā)動機(jī)附件轉(zhuǎn)動，其功率通過減速器傳輸?shù)捷敵鲚S，再經(jīng)花鍵軸傳輸?shù)酵庵酶郊C(jī)匣的傳動機(jī)構(gòu)。此外，渦輪起動機(jī)還用于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、油封和啟封。

燃?xì)饪諝饣旌蠚饨?jīng)自由渦輪導(dǎo)向器進(jìn)入自由渦輪轉(zhuǎn)子的工作葉片內(nèi)，在工作葉片上消耗氣流能量，帶動葉片轉(zhuǎn)動，在減速器輸入主動齒輪上產(chǎn)生扭矩。自由渦輪產(chǎn)生的扭矩經(jīng)減速器和輸出花鍵軸傳送到飛機(jī)外置附件機(jī)匣傳動機(jī)構(gòu)，帶動主發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

如圖2、圖3所示，燃?xì)鉁u輪起動機(jī)在結(jié)構(gòu)上包含2個裝配組件：壓氣機(jī)渦輪裝配組件、自由渦輪裝配組件。自由渦輪裝配組件組成部分主要有自由渦輪、減速器（含超越離合器）和輸出軸等。

減速器的功用是降低自由渦輪輸出的轉(zhuǎn)速并將扭矩傳輸給飛機(jī)附件傳動機(jī)構(gòu)。減速器被制作成雙面跨輪形式，由機(jī)匣、跨輪齒輪和超越離合器組成。

超越離合器的用途是將起動機(jī)自由渦輪的扭矩傳到輸出軸上，帶轉(zhuǎn)主發(fā)動機(jī)及傳動飛機(jī)附件。當(dāng)主發(fā)動機(jī)傳給離合器外套的轉(zhuǎn)速大于起動機(jī)自由渦輪傳給離合器內(nèi)套轉(zhuǎn)速時，偏心滾子脫開，從而使起動機(jī)與主發(fā)動機(jī)脫開。

3 斷裂機(jī)理分析

渦輪起動機(jī)通過輸出花鍵軸向飛機(jī)附件傳動機(jī)構(gòu)傳遞扭矩，主要承受扭轉(zhuǎn)力矩。其斷裂的可能原因有花鍵軸本身承載能力不足或花鍵軸承受的載荷超出了設(shè)計(jì)要求。

利用有限元分析模塊對花鍵軸進(jìn)行定性分析（見圖4），發(fā)現(xiàn)輸出花鍵軸扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力在A（R2圓角）截面周邊各點(diǎn)處，這與花鍵軸實(shí)際發(fā)生斷裂的部位吻合。

花鍵軸材料為16X3HB，許用切應(yīng)力（τ）為765MPa?；ㄦI軸所受到的最大切應(yīng)力τmax遠(yuǎn)小于材料的許用切應(yīng)力（τ），滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

對斷裂的花鍵軸進(jìn)行材料能譜分析（圖6）及斷口形貌SEM掃描電鏡分析（圖7），得到的元素含量與材料元素含量基本吻合。從斷口微觀特征分析來看，斷口總體齊平，與軸向垂直，存在明顯的螺旋形流線，斷口上未發(fā)現(xiàn)疲勞條帶等疲勞斷裂特征，也未發(fā)現(xiàn)材料有制造及加工缺陷，整個斷口為典型扭矩過載斷裂特征。

4 原因分析

根據(jù)渦輪起動機(jī)的工作原理，得到如圖8所示的扭矩傳遞圖。渦輪起動機(jī)工作50s后停車，說明渦輪起動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但通過現(xiàn)象可知自由渦輪的扭矩沒有傳遞到發(fā)動機(jī)。

從圖2可知，發(fā)動機(jī)正常起動時，渦輪起動機(jī)離合器的偏心滾子（4）被彈簧（10）壓在外套（7）的內(nèi)表面和內(nèi)套（5）的外表面來傳遞扭矩，由于離合器故障，偏心滾子沒有壓緊，自由渦輪扭矩?zé)o法傳遞，此時自由渦輪負(fù)載小，轉(zhuǎn)速迅速上升，這時偏心滾子再壓緊，輸出花鍵軸受到一個很大的沖擊扭矩，遠(yuǎn)超出花鍵軸的許用切應(yīng)力，因而導(dǎo)致花鍵軸瞬間斷裂。

因此，導(dǎo)致輸出花鍵軸斷裂的原因是渦輪起動機(jī)離合器失效。更換渦輪起動機(jī)之后，發(fā)動機(jī)起動正常。將故障渦輪起動機(jī)返廠檢修，確定故障原因?yàn)殡x合器失效。

5 結(jié)束語

在排除故障時，應(yīng)認(rèn)真分析原因，確定故障點(diǎn)，不能想當(dāng)然，在原因不清的情況下就盲目采取措施。此次花鍵軸斷裂故障中，第一次在沒有認(rèn)真分析的情況下，只通過搖轉(zhuǎn)檢查外置機(jī)匣和發(fā)動機(jī)的靈活性，就認(rèn)為可能是渦輪起動機(jī)輸出花鍵軸本身材料或制造缺陷導(dǎo)致的斷裂，沒有進(jìn)一步查找確定原因就盲目換件，導(dǎo)致第二根花鍵軸再次出現(xiàn)斷裂。在今后的工作中應(yīng)吸取這次教訓(xùn)，避免類似問題再次發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介

盧秋懷，高級工程師，主要從事飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)修理技術(shù)研究工作。

余大為，助理工程師，主要從事飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)修理技術(shù)研究工作。

許弘博，工程師，主要從事飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)修理技術(shù)研究工作。

劉廣輝，工程師，主要從事飛機(jī)機(jī)械附件修理技術(shù)研究工作。