某型直升機主減滑油冷卻裝置斜流風(fēng)機斷軸故障分析及改進

馬小虎，韓雅慧，張 宇

(1.陸軍裝備部 裝備項目管理中心，北京 100070；2.陸軍航空兵學(xué)院 航空機械工程系,北京 101123；3.61255部隊修理營，北京 100071)

0 引言

2016年某日，某型直升機在飛行訓(xùn)練中，主減滑油溫度顯示高出正常工作范圍。著陸后檢查發(fā)現(xiàn)，主減滑油冷卻裝置斜流風(fēng)機傳動軸從保險截面處斷裂(如圖1)。發(fā)生故障時，該產(chǎn)品隨直升機共飛行216小時。現(xiàn)場初步檢查了故障件損壞情況和機上安裝情況，并配合用戶將備件安裝到直升機上，風(fēng)機安裝過程無異常。

圖1 故障產(chǎn)品情況

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理

斜流風(fēng)機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括蝸殼、罩殼、葉輪、軸承、軸承殼體、軸、傳動軸、軸承壓蓋、軸承擋套、葉輪擋套等零件[1]。

圖2 斜流風(fēng)機結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為：直升機主減速器上的內(nèi)花鍵帶動風(fēng)機軸端的外花鍵旋轉(zhuǎn)工作，葉輪高速旋轉(zhuǎn)抽吸安裝在風(fēng)機進口的空氣-滑油散熱器的冷邊空氣，對熱邊的滑油進行冷卻。傳動軸設(shè)置有一剪切斷面(安全截面)，當(dāng)風(fēng)機軸扭矩超出設(shè)計最大扭矩時，風(fēng)機軸在該斷面必須斷開，以防止風(fēng)機意外卡滯導(dǎo)致主減損壞。

2 故障分析

2.1 初步原因分析

在用戶現(xiàn)場檢查故障件損壞情況，發(fā)現(xiàn)傳動軸斷裂，傳動軸與軸連接處的密封圈破裂，傳動軸脫出，軸內(nèi)花鍵已無潤滑脂，轉(zhuǎn)子卡滯，葉輪與罩殼偏磨。初步判斷軸承已損壞。

針對軸斷裂故障，開展了失效分析，判定斷口性質(zhì)的化驗結(jié)果為大應(yīng)力作用下的過載斷裂。斷口未見疲勞特征，進而判定傳動軸斷裂不是軸承失效原因引起的，而是某種原因引起軸承失效，軸承失效導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡滯，傳動軸剪切斷面處承受扭矩超過設(shè)計最大扭矩，傳動軸發(fā)生保護性斷裂。

2.2 定位分析

2.2.1 故障樹分析

根據(jù)故障原因初步分析結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理，從產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、使用以及軸承制造、安裝等方面入手，列出有可能造成故障的各個底事件，建立故障樹[2]，如圖3。

2.2.2 底事件排查

經(jīng)排查，除X7外，其他事件均能排除。底事件X7R的排查情況如下：

圖3 產(chǎn)品故障樹

詢問用戶機務(wù)人員，認(rèn)為故障件拆裝沒有異常，沒發(fā)現(xiàn)螺釘松動、產(chǎn)品承受附加力等情況。但在用戶現(xiàn)場檢查故障時，發(fā)現(xiàn)故障件與主減對接的安裝面存在未完全接觸現(xiàn)象；螺釘孔有較嚴(yán)重偏磨和壓痕，端面有異物。

進一步檢查發(fā)現(xiàn)：與主減對接的蝸殼法蘭端面形位公差超差，但檢查與罩殼連接的風(fēng)機進口法蘭形位公差，符合圖樣要求，由此判斷形位公差超差不合格不是風(fēng)機偏磨導(dǎo)致的，而是風(fēng)機在機上安裝不到位引起的(見圖4)。

圖4 與主減對接的風(fēng)機法蘭盤外形及超差情況

另外，目視檢查傳動軸花鍵齒受力面，兩端花鍵均存在明顯的受力不均、偏磨等現(xiàn)象，見圖5。檢查廠內(nèi)用于鑒定試驗件花鍵齒，不存在齒面不均勻磨損問題。

圖5 與主減配合的外花鍵齒磨損情況

排查結(jié)論：機上安裝偏斜會導(dǎo)致主減軸與風(fēng)機軸不同心，風(fēng)機傳動軸花鍵受力不均，進一步導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)子振動，軸承受力加大，溫度升高，最終導(dǎo)致軸承因過載、高溫失效。

2.3 機理分析

2.3.1 花鍵受力及傳動過程

風(fēng)機通過傳動軸外花鍵與主減輸出軸內(nèi)花鍵配合，傳遞扭矩。為保證內(nèi)外花鍵準(zhǔn)確配合，減少花鍵的派生徑向力，結(jié)構(gòu)方面采取兩個措施：一是風(fēng)機法蘭盤與主減安裝座依靠兩個精加工的定位面配合保證同心；二是風(fēng)機傳動軸設(shè)計成柔性結(jié)構(gòu)，依靠軸的微小變形及漸開線齒形自動定心的特點，部分補償兩個花鍵的不同心，保證花鍵齒盡量均勻參與扭矩的傳遞。

風(fēng)機傳動軸因其變形量有限，難以補償風(fēng)機和主減內(nèi)外花鍵過大的不同心；另一方面，風(fēng)機傳動軸的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然能夠補償花鍵齒接觸，但也難以確保各個花鍵齒受力均勻。因此，風(fēng)機與主減花鍵任何不同心或傳動軸安裝不到位均會導(dǎo)致內(nèi)外花鍵受力不均，并產(chǎn)生附加徑向力作用于風(fēng)機和主減的軸及軸承，所產(chǎn)生的徑向力會使傳動軸的剪切斷面產(chǎn)生附加彎矩，并使軸承負(fù)荷加大，對軸承壽命帶來影響。嚴(yán)重的不同心會導(dǎo)致傳動軸由于難以承受較大的交變載荷而短時間斷裂或使軸承短時間內(nèi)損壞。

2.3.2 內(nèi)外花鍵偏斜對轉(zhuǎn)子的影響

內(nèi)外花鍵齒工作中受力情況如圖6所示。正常情況，所有齒參與扭矩傳遞，由于花鍵齒沿圓周均勻分布，因此每個花鍵齒的派生徑向力相互抵消。而當(dāng)只有部分齒參與扭矩傳遞時，顯然徑向力不能互相抵消，即產(chǎn)生了附加徑向力。該力作用在傳動軸上，并通過傳動軸最終由軸承承受。

當(dāng)兩個花鍵軸心相差0.115mm時(此時風(fēng)機實際偏斜)，不考慮軸變形，花鍵齒只有5個接觸。剩余不接觸的齒面單側(cè)最大間隙增大0.23mm。

圖6 花鍵齒工作時的受力情況

2.3.3 風(fēng)機偏斜原因分析

產(chǎn)品技術(shù)使用說明書中，未明確安裝方法和要求。根據(jù)故障件風(fēng)機安裝痕跡，風(fēng)機法蘭螺釘孔與主減螺柱有嚴(yán)重的接觸偏磨現(xiàn)象，因此推斷安裝過程曾出現(xiàn)較大的偏斜(如圖7)。

圖7 風(fēng)扇放置主減安裝座時，內(nèi)外花鍵偏轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)將風(fēng)機與主減座對接時，由于受風(fēng)機密封圈軸向阻力作用，較難直接放置到位，需要依靠自鎖螺母壓緊到位。風(fēng)機安放初始位置主減與風(fēng)機傳動軸花鍵很可能已接觸，自鎖螺母擰緊過程需逐步調(diào)節(jié)，防止花鍵損傷。偏心可能在安裝過程產(chǎn)生，安裝到位后消失，但可能已對花鍵或剪切軸造成了損傷。同樣，偏心也可能在安裝后仍存在。兩者均會對風(fēng)機運行帶來隱患。

3 排故工作及解決措施

3.1 故障復(fù)現(xiàn)

在工廠對已完成定期例行試驗的產(chǎn)品上，在風(fēng)機安裝法蘭面(與主減對接面)局部加0.18mm的墊片，人為造成“安裝偏斜”(相當(dāng)于偏斜0.084°)，測量該狀態(tài)風(fēng)機蝸殼振動情況，并與正常安裝狀態(tài)進行比較。經(jīng)比較，增加墊片后，風(fēng)機振動加速度增大明顯，完成了原理復(fù)現(xiàn)。對比試驗振動情況見表1。

表1 風(fēng)機正常安裝與法蘭局部增加墊片后振動情況比較

經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機安裝偏斜對轉(zhuǎn)子振動影響較大。由于風(fēng)機轉(zhuǎn)子振動載荷主要由葉輪端軸承承擔(dān)，葉輪端軸承在長期較大的振動載荷作用下，一方面會使軸承溫度升高，另一方面轉(zhuǎn)子動平衡逐步破壞，最終導(dǎo)致軸承失效。

3.2 糾正措施及驗證情況

3.2.1 糾正措施

復(fù)查主減滑油冷卻裝置技術(shù)使用說明書，發(fā)現(xiàn)該說明書中未對主減滑油冷卻裝置明確安裝要求，需對說明書進行更改，明確相關(guān)要求。

一是風(fēng)機安裝前，目視檢查風(fēng)機外花鍵、剪切斷面、蝸殼安裝面(平面及圓柱面),確保無異物及損傷；檢查安裝面倒角、孔、邊無毛刺、飛邊等，并在直升機維修手冊中增加與風(fēng)機對接的主減安裝面檢查要求；相應(yīng)檢查主減安裝面(平面及內(nèi)圓柱面),確保無異物、漆層及損傷；檢查安裝面倒角、邊緣無毛刺、飛邊等。

二是風(fēng)機安裝過程中，依靠4個自鎖螺母將風(fēng)機壓裝到位。4個自鎖螺母擰緊過程應(yīng)盡量均勻一致，防止風(fēng)機發(fā)生過度偏斜損壞花鍵或傳動軸剪切斷面。

三是風(fēng)機安裝后，檢查風(fēng)機葉輪葉片沿圓周應(yīng)有活動量(主減軸固定)，并在直升機維修手冊中增加“用0.05mm塞尺檢查風(fēng)機與主減安裝面應(yīng)無間隙”的檢查要求。

四是風(fēng)機拆卸時，首先拆除自鎖螺母，然后手動向上拉、拔風(fēng)機，使風(fēng)機安裝法蘭面與主減法蘭面出現(xiàn)間隙，再在兩側(cè)分別用兩個螺絲刀插入縫隙，將風(fēng)機從主減安裝孔中撬出。螺絲刀應(yīng)包覆銅皮或綢布等，防止損傷風(fēng)機和主減安裝面。

3.2.2 驗證情況

根據(jù)更改后的主減滑油冷卻裝置技術(shù)使用說明書要求進行了風(fēng)機安裝和拆卸工作，證明所采取的安裝、拆卸及檢查措施在直升機上可方便實施。同時，按更改措施安裝的主減滑油冷卻裝置隨直升機飛行了100小時，主減滑油冷卻裝置工作正常，飛行后檢查主減與風(fēng)機配合面(法蘭端面、圓柱面)沒有發(fā)現(xiàn)損傷，風(fēng)機傳動軸與軸之間無缺脂現(xiàn)象。

4 結(jié)論和啟示

綜上所述，由于主減滑油冷卻裝置技術(shù)使用說明書中未對斜流風(fēng)機的安裝、拆卸、檢查要求作出明確規(guī)定，造成用戶在安裝風(fēng)機時發(fā)生安裝不到位問題，進而造成產(chǎn)品發(fā)生斷軸故障。從這起故障排查中，應(yīng)受到以下啟示：

一是在產(chǎn)品狀態(tài)定型審查時，應(yīng)加強對文件資料的審查把關(guān)，細(xì)化安裝、拆卸、檢查要求，確保向用戶交付的技術(shù)文件資料內(nèi)容完整、準(zhǔn)確。

二是要加強對用戶維護人員的技能培訓(xùn)，類似本文所述主減滑油冷卻裝置的風(fēng)機安裝技術(shù)應(yīng)是維護人員必須掌握的的基本技能。