某型直升機(jī)主減速器自由行程離合器撞擊故障分析

■ 李歧林 徐德寬 郭紅奎/ 中國(guó)人民解放軍338部隊(duì) 國(guó)營(yíng)錦江機(jī)器廠

1 故障現(xiàn)象

某型直升機(jī)更換主減速器后，地面試車啟動(dòng)過(guò)程中主減速器內(nèi)有振動(dòng)，同時(shí)伴隨著直升機(jī)抖動(dòng)，因此立即終止啟動(dòng)。近年來(lái)，該型直升機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中多次出現(xiàn)主減速器自由行程離合器撞擊故障，且故障多發(fā)生在第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)主減速器轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間。輕度撞擊會(huì)導(dǎo)致自由行程離合器零件接觸表面產(chǎn)生壓痕，重度撞擊會(huì)導(dǎo)致自由行程離合器脫開(kāi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法帶動(dòng)主減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，必須對(duì)自由行程離合器進(jìn)行拆卸修理。

2 自由行程離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

該型直升機(jī)配裝的主減速器有兩個(gè)滾棒式自由行程離合器，主要由主動(dòng)軸、滾棒、保持架和從動(dòng)軸等組成。主動(dòng)軸上均勻分布16個(gè)滾棒平臺(tái)，從動(dòng)軸內(nèi)壁加工有軸承滾道，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間裝有帶保持架的16個(gè)滾棒（見(jiàn)圖1）。該離合器的功能是在發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器之間單向傳遞功率，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作且轉(zhuǎn)速大于旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率牢靠地傳給旋翼；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停車或旋翼進(jìn)入自轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，將主減速器與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開(kāi)，使旋翼自轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)反向帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，以減少旋翼自轉(zhuǎn)時(shí)的能量消耗，并保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠再次啟動(dòng)。

圖1 離合器主、從動(dòng)軸裝配示意圖

如圖2所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離合器主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1大于從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n2（即n1＞n2），離合器滾棒在離心力和滾棒平臺(tái)的推力作用下，進(jìn)入滾棒平臺(tái)高處，離合器主動(dòng)軸滾棒平臺(tái)與離合器從動(dòng)軸滾道將16個(gè)滾棒緊緊夾住，保持架在撥桿和彈簧的作用下將滾棒保持在平臺(tái)上，使離合器主動(dòng)軸、滾棒、從動(dòng)軸成為一體，此時(shí)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n2相等，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩完全由離合器滾棒與從動(dòng)軸內(nèi)壁的摩擦力對(duì)從動(dòng)軸形成的摩擦力矩來(lái)傳遞，此時(shí)離合器接通（壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到20%～25%）；當(dāng)主動(dòng)軸減速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（即發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)），由于旋翼和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性作用，從動(dòng)軸將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并超過(guò)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速（即n1＜n2），主動(dòng)軸與從動(dòng)軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滾棒在從動(dòng)軸內(nèi)壁摩擦力的作用下，克服彈簧施加給保持架的扭力，帶動(dòng)保持架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)滾棒使其位移至主動(dòng)軸滾棒平臺(tái)低凹處，此時(shí)離合器斷開(kāi)。

圖2 自由行程離合器工作原理示意圖

3 故障原因分析

主減速器離合器撞擊是指離合器主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間發(fā)生瞬間猛烈接通，此時(shí)直升機(jī)會(huì)伴隨出現(xiàn)短時(shí)振動(dòng)或晃動(dòng)現(xiàn)象，離合器撞擊具有載荷大、沖擊性強(qiáng)、時(shí)間短、危害大等特點(diǎn)。在發(fā)生撞擊之前，離合器主、從動(dòng)軸之間具有較大轉(zhuǎn)速差，而離合器主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速是離合器撞擊必須具備的條件。離合器撞擊故障是該型主減速器常發(fā)性故障，是影響其制造和修理質(zhì)量的兩大頑疾之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年僅國(guó)內(nèi)就發(fā)生了22起撞擊故障。為此，對(duì)收集的22起自由行程離合器撞擊故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)故障原因主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)。

3.1 機(jī)上裝配質(zhì)量

主減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)采用剛性連接方式，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)彈性軸和主減速器球面套齒聯(lián)軸節(jié)傳遞給自由行程離合器的主動(dòng)軸。剛性連接的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的功率傳遞穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是軸向和徑向補(bǔ)償能力弱，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和主減速器連接的同軸度精度要求比較高。安裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)彈性軸與離合器主動(dòng)軸球形套齒的同軸度不良，很容易導(dǎo)致自由行程離合器在工作中產(chǎn)生較大的振動(dòng)，從而引起撞擊故障。

3.2 修理質(zhì)量控制

該型主減速器總壽命為6000h，維修周期為1000h/8年，整個(gè)壽命期內(nèi)需多次返廠進(jìn)行大修，使用過(guò)程中發(fā)生較大故障時(shí)也需返廠進(jìn)行排故修理。大修過(guò)程中，自由行程離合器所有轉(zhuǎn)動(dòng)零部件都需進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸檢查，修復(fù)磨損部位，精選配套；打磨保持架、撥桿和卡圈等接觸面因黏結(jié)和磨損引起的表面凸起，控制表面質(zhì)量及粗糙度；安裝主動(dòng)軸時(shí)，為防止零件損傷，不應(yīng)用力過(guò)大或撞擊，安裝后需手動(dòng)檢查自由行程離合器接通和斷開(kāi)是否自由靈活；應(yīng)從嚴(yán)控制外球面殼體球軸承安裝面與離合器從動(dòng)軸滾道面的同軸度。以上各個(gè)修理環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，都會(huì)導(dǎo)致離合器在工作中產(chǎn)生較大的振動(dòng)，從而引起撞擊故障。

3.3 外界環(huán)境因素

該型主減速器使用的潤(rùn)滑油牌號(hào)為Б-3?；驀?guó)產(chǎn)926號(hào)合成航空潤(rùn)滑油，最大添加量不大于39L。926號(hào)合成航空潤(rùn)滑油的特性曲線如圖3所示，100℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為5.03mm2/s，-40℃時(shí)為9626mm2/s。由此可見(jiàn)，其運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的下降而急劇增大。從外場(chǎng)對(duì)主減速器自由行程離合器撞擊故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，發(fā)生故障的時(shí)機(jī)主要集中在高原、高緯度地區(qū)的秋冬季直升機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)外界氣溫比較低，主減速器內(nèi)潤(rùn)滑油溫度低、運(yùn)動(dòng)黏度較大，主減速器自由行程離合器及其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件的摩擦力增大，在帶轉(zhuǎn)瞬間自由行程離合器承受的載荷最大，最容易發(fā)生撞擊故障。

圖3 926滑油特性曲線

3.4 使用過(guò)程磨損

在主減速器裝機(jī)使用過(guò)程中，自由行程離合器的滾棒與保持架窗口端面、主動(dòng)軸斜面、從動(dòng)軸的滑道表面存在滾動(dòng)摩擦、擠壓等接觸，易產(chǎn)生磨損，使活動(dòng)零件接觸面之間的間隙逐漸加大。尤其是使用達(dá)到規(guī)定的維修周期和總壽命后期，相互之間的間隙持續(xù)加大，在工作過(guò)程中易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而產(chǎn)生接觸撞擊，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生撞擊脫落故障。

4 建議對(duì)策

4.1 嚴(yán)格控制修理質(zhì)量

在自由行程離合器修理過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照修理工藝規(guī)程，仔細(xì)檢查花鍵套筒、從動(dòng)軸滾道、滾棒、保持架等零件的尺寸和表面狀況，修復(fù)表面損傷或磨損部位，更換損傷或磨損嚴(yán)重而無(wú)法修復(fù)的零件；從嚴(yán)選配滾棒，控制每組16個(gè)滾棒直徑之間的互差不大于0.005mm，保持架配合面、撥桿配合面和從動(dòng)軸滾道的直徑互差分別不大于0.06mm、0.03mm和0.01mm；確保滾棒和保持架之間、滾棒和主動(dòng)軸斜面之間的配合間隙；按順序號(hào)標(biāo)記將滾棒裝配到自由行程離合器主動(dòng)軸的尾段，滾棒的號(hào)碼應(yīng)與主動(dòng)軸滑道上的號(hào)碼一致；為了防止自由行程離合器零件損傷，安裝主動(dòng)軸時(shí)不應(yīng)用力過(guò)大或撞擊，保證主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的同軸度不大于0.20mm，裝配完成后手動(dòng)檢查自由行程離合器接通和斷開(kāi)是否自由靈活。

4.2 提高機(jī)上裝配質(zhì)量

在更換發(fā)動(dòng)機(jī)或主減速器時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器脫開(kāi)后，如果發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸外花鍵有損傷，則應(yīng)檢查主減速器自由行程離合器與輸出軸相連接的內(nèi)花鍵是否存在損傷。如果發(fā)現(xiàn)自由行程離合器套筒內(nèi)花鍵有損傷，應(yīng)向主減速器制造或修理企業(yè)咨詢?cè)撝鳒p速器是否可以繼續(xù)使用。

安裝主減速器前，首先應(yīng)清除球形件蓋端面和用千分墊測(cè)量間隙位置的軸頸盤(pán)上的漆層，并涂上ACM-3油脂或炮脂，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)和主減速器的同軸度檢查的精確度。安裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與主減速器自由行程離合器主動(dòng)軸的對(duì)接過(guò)程中，應(yīng)確保發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與自由行程離合器主動(dòng)軸之間的角度不超過(guò)30′，通過(guò)調(diào)節(jié)固定拉桿來(lái)保證配合角度；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸推進(jìn)到自由行程離合器花鍵套筒時(shí)，不允許發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)和劇烈晃動(dòng)；絕對(duì)禁止置換和改變自由行程離合器球形件蓋和球形件殼體的位置，應(yīng)嚴(yán)格保持這些零件上的標(biāo)記；準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器的同軸度，盡量獲得最小差值。

4.3 加強(qiáng)使用維護(hù)質(zhì)量

1）做好防寒加溫工作

直升機(jī)在高緯度、高海拔地域秋冬季使用，每日首次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)盤(pán)槳或用熱風(fēng)機(jī)對(duì)主減速器進(jìn)行加溫，來(lái)提高滑油溫度，降低滑油黏度，減小摩擦力，從而降低自由行程離合器接通瞬間的撞擊載荷，避免自由行程離合器的撞擊故障。根據(jù)該型主減速器維護(hù)手冊(cè)的規(guī)定，當(dāng)主減速器沉淀槽內(nèi)的滑油溫度低于-40℃時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前應(yīng)用熱空氣為主減速器加溫至沉淀槽內(nèi)的滑油溫度升高到15℃以上，加溫時(shí)間不得少于20min，送入主減速器艙內(nèi)的熱空氣溫度應(yīng)控制在70～80℃。

2）加強(qiáng)觀察和檢查

在發(fā)動(dòng)機(jī)首次開(kāi)車或試車間隔20min以上時(shí)，應(yīng)先用手順時(shí)針（沿飛行方向）轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪葉片15～20圈，若渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)順暢、無(wú)卡滯及異常聲音，表明發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器自由行程離合器脫開(kāi)情況正常；其次，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)自由渦輪葉片，若轉(zhuǎn)動(dòng)力較大時(shí)旋翼槳葉同時(shí)被轉(zhuǎn)動(dòng)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器自由行程離合器接通情況正常。

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到20%～25%而旋翼沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即終止啟動(dòng)，然后用手轉(zhuǎn)動(dòng)剛啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪葉片以進(jìn)一步確認(rèn)，如順逆時(shí)針均能輕松自由轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明與該發(fā)動(dòng)機(jī)連接的自由行程離合器已失效，需返廠修理或更換自由行程離合器。

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，如果主減速器內(nèi)有振動(dòng)，同時(shí)伴隨著直升機(jī)抖動(dòng)，應(yīng)立即終止啟動(dòng)。首先拆下發(fā)動(dòng)機(jī)，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸，如果輸出軸無(wú)扭轉(zhuǎn)以及花鍵崩刃情況，再拆下自由行程離合器，檢查從動(dòng)軸滑道是否有壓坑、劃痕、缺口、裂紋、硬化等損傷，若滑道良好，則更換自由行程離合器；當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出軸有扭轉(zhuǎn)、花鍵崩刃或從動(dòng)軸滑道上有上述損傷，則應(yīng)更換主減速器。

3）柔和使用旋翼剎車

發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，旋翼槳葉仍在慣性轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照維護(hù)手冊(cè)的規(guī)定，在旋翼轉(zhuǎn)速降至10%以下時(shí)柔和使用旋翼剎車，防止因剎車時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速偏大或剎車操作過(guò)猛，造成自由行程離合器彈簧卡滯在撥桿孔內(nèi)，引起離合器失效。

4）嚴(yán)格定期檢查工作

定期檢查發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器連接的同軸度，按左小右大，上小下大，上下、左右的互差應(yīng)不大于0.15mm的最佳調(diào)整方案，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器連接的同軸度進(jìn)行及時(shí)修正；定期檢查旋翼剎車盤(pán)與剎車片的間隙，如檢查發(fā)現(xiàn)旋翼剎車間隙不符合0.2～0.5mm的規(guī)定，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。