空氣渦輪起動(dòng)機(jī)傳扭軸斷裂故障分析

蔣聰，陳靖華，張雪強(qiáng)

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引言

航空旋轉(zhuǎn)類部件上普遍存在沖擊轉(zhuǎn)矩。過大的沖擊轉(zhuǎn)矩將導(dǎo)致傳扭軸斷裂、齒輪斷裂[1]和離合器磨損等影響產(chǎn)品安全性的問題發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮沖擊轉(zhuǎn)矩的形成和預(yù)防也越來(lái)越受到重視。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間出現(xiàn)傳扭軸斷裂，繼而導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)渦輪超轉(zhuǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)輸入轉(zhuǎn)速現(xiàn)象。本文基于該現(xiàn)象，對(duì)沖擊轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致傳扭軸斷裂的發(fā)生原因進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。

1 理化檢查

傳扭軸在設(shè)計(jì)保護(hù)切斷的軸頸處斷裂，斷裂位置合理，見圖1。

圖1 齒面剝落位置

斷口表面未見夾雜、裂紋等原始缺陷，見圖2。進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)斷口表面可見明顯磨損痕跡，見圖3。

圖2 聯(lián)接軸微觀形貌31X

圖3 斷口放大形貌100X

未磨損區(qū)域放大觀察可見明顯的拉長(zhǎng)韌窩形貌，見圖4和圖5。

圖4 未磨損區(qū)韌窩形貌3 000X

圖5 拉長(zhǎng)韌窩形貌6000X

取樣鑲嵌后進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果為510 HV0.5(約50 HRC)，滿足設(shè)計(jì)要求。綜合判斷導(dǎo)致該傳扭軸斷裂的主要原因?yàn)樗矔r(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩[2]引起的過載扭轉(zhuǎn)剪切斷裂。

2 故障分析

2.1 原因分析

導(dǎo)致此次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)無(wú)轉(zhuǎn)速的原因是起動(dòng)機(jī)中傳扭軸斷裂。以傳扭軸斷裂為頂事件建立故障樹，如圖6所示。

圖6 傳扭軸斷裂問題故障樹

沖擊轉(zhuǎn)矩與以下故障樹分支有關(guān)，分別是進(jìn)氣條件、發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的齒側(cè)間隙、發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度[3]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Tcmax/T為沖擊轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Is為起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ks為起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/rad；ke為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/rad；α為系統(tǒng)圓周側(cè)隙 rad；T為穩(wěn)態(tài)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.2 原因定位

傳扭軸材料化驗(yàn)結(jié)果為40CrNiMoA，內(nèi)外徑尺寸符合要求，實(shí)測(cè)硬度為50 HRC，滿足要求的(47～52)HRC，且斷口金相分析未見初始裂紋損傷，斷口為韌窩形貌，過載扭轉(zhuǎn)剪切斷裂。同時(shí)復(fù)查同批次傳扭軸轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)記錄，符合轉(zhuǎn)矩要求。

起動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度主要由渦輪、齒輪、軸、離合器等零部件的材料特性和幾何尺寸決定，不可能在使用過程中增大而引起沖擊轉(zhuǎn)矩大幅升高。故發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)沖擊轉(zhuǎn)矩影響很小，可以排除其引起沖擊轉(zhuǎn)矩大幅升高的可能。

以上分析可以排除X1、X2、X3、X4、X5和X6項(xiàng)故障樹底事件。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體轉(zhuǎn)子外，還包括帶轉(zhuǎn)的附件轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由材料特性和幾何尺寸決定，不可能變化，但需考慮帶轉(zhuǎn)的負(fù)載變化及阻力變化，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子卡滯或轉(zhuǎn)子阻力矩偏大也會(huì)引起沖擊轉(zhuǎn)矩過大。復(fù)查發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間、起動(dòng)機(jī)脫開轉(zhuǎn)速和燃?xì)獍l(fā)生器余轉(zhuǎn)時(shí)間，均在正常范圍，可以排除轉(zhuǎn)子阻力矩偏大的影響。但起動(dòng)瞬間如果存在燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子卡滯，導(dǎo)致折算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大是有可能的，因此不能排除轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響[4]。

齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，為避齒輪卡死，齒廓之間必須留有間隙。齒側(cè)間隙的存在會(huì)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致起動(dòng)瞬間傳扭軸遭受較大的沖擊載荷而斷裂。起動(dòng)機(jī)的齒側(cè)間隙包括齒輪測(cè)隙、花鍵間隙，計(jì)算得出該型起動(dòng)機(jī)理論齒側(cè)間隙范圍為(0.006～0.009)rad。實(shí)測(cè)故障件齒側(cè)間隙為0.009 5rad，略高于合理范圍。該型起動(dòng)機(jī)花鍵配合間隙計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 花鍵配合間隙計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果得出，故障起動(dòng)機(jī)的齒側(cè)間隙=齒輪側(cè)隙+花鍵側(cè)隙=(0.009 5～0.028 2)rad，大于合理值范圍，因此不能排除齒側(cè)間隙的影響[5]。

起動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩取決于進(jìn)氣參數(shù)隨著進(jìn)氣壓力、溫度增加，最大轉(zhuǎn)矩增加，對(duì)應(yīng)的沖擊轉(zhuǎn)矩也增加[6]。當(dāng)進(jìn)氣壓力超調(diào)至合理值的105%時(shí)，沖擊轉(zhuǎn)矩將進(jìn)入傳扭軸極限承扭范圍，極有可能發(fā)生斷軸，因此不能排除進(jìn)氣壓力超調(diào)的影響。

3 機(jī)理分析

根據(jù)飛行參數(shù)曲線判斷，該起動(dòng)機(jī)傳扭軸斷裂發(fā)生在起動(dòng)瞬間，斷口分析證明斷裂原因是承受了過大的瞬時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩。經(jīng)故障樹判斷單一因素的沖擊轉(zhuǎn)矩達(dá)不到斷軸范圍，但綜合因素是可以達(dá)到的。過大的瞬時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩來(lái)自于進(jìn)氣壓力超調(diào)、起動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈齒側(cè)間隙、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的隨機(jī)性綜合作用，傳扭軸在以上因素作用下發(fā)生的斷裂屬于保護(hù)起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)免受繼發(fā)破壞性質(zhì)的主動(dòng)斷軸，斷裂位置在傳扭軸設(shè)置的最薄弱位置，符合設(shè)計(jì)意圖[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

瞬時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩過大是導(dǎo)致空氣渦輪起動(dòng)機(jī)傳扭軸斷裂最常見原因之一，本文通過對(duì)斷口形貌進(jìn)行理化檢查和分析，確定失效模式，并對(duì)可能導(dǎo)致該故障的各個(gè)因素進(jìn)行了排查，得出引起沖擊轉(zhuǎn)矩過大的深層次原因，為后續(xù)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)和加工制造提供了依據(jù)。