陳禮順，劉新靈，盧建紅

(1.中國(guó)人民解放軍5713 工廠，湖北 襄陽 441002;2.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;3.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)由地面電源或機(jī)上電源給2 臺(tái)同步連軸的直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出扭矩，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速率達(dá)到42% 后，發(fā)動(dòng)機(jī)可以獨(dú)立起動(dòng)，電源停止向起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，起動(dòng)發(fā)電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)［1］。為實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的傳遞扭矩、保護(hù)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈的功能，在發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣內(nèi)設(shè)置了起動(dòng)發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)接裝置——保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)。

近年來，該型發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)試車和外場(chǎng)使用過程中發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)多次出現(xiàn)斷裂失效故障，斷裂部位為保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的保險(xiǎn)小軸細(xì)頸處，斷裂一般發(fā)生在起動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)電的過程中或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增至80%左右，或起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電一段時(shí)間后，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全。圍繞保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)斷裂的故障情況，本研究從保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理、設(shè)計(jì)、加工、裝配、工作狀況以及發(fā)電機(jī)故障等方面進(jìn)行系統(tǒng)地分析，分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)斷裂原因，提出保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的工藝改進(jìn)方法，對(duì)提高保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)工作可靠性，確保發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全具有重要的參考作用。

1 保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of safety shaft coupling

保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)由外套齒聯(lián)軸節(jié)、內(nèi)套齒聯(lián)軸節(jié)及與它們內(nèi)孔緊配合的保險(xiǎn)小軸組成，并用2 個(gè)銷釘固定(圖1)，保險(xiǎn)小軸的制造材料為40CrNiMo。內(nèi)、外套齒聯(lián)軸節(jié)端面棘齒的平面互相貼合，棘齒斜面間有間隙。保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)外花鍵與起動(dòng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)齒輪內(nèi)花鍵連接，內(nèi)花鍵與起動(dòng)發(fā)電機(jī)伸出軸外花鍵連接傳遞扭矩，軸向有擋圈限位［2］。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通過保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的端面棘齒把起動(dòng)電機(jī)的扭矩傳給發(fā)動(dòng)機(jī)，保險(xiǎn)小軸不傳遞起動(dòng)功率;發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過保險(xiǎn)小軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)伸出軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)的伸出軸的轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，電樞軸的轉(zhuǎn)速逐漸下降，伸出軸與電樞軸之間由單向離合器連接，如果在起動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)電瞬間，滾棒在伸出軸和電樞軸之間卡滯，則會(huì)形成剎車效應(yīng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子巨大的慣性沖擊力作用在保險(xiǎn)小軸上，保險(xiǎn)小軸所受扭矩會(huì)急劇增大，超過扭斷力矩時(shí)則會(huì)斷裂以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈。而在發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)作發(fā)電機(jī)用，若輸出電流超過一定倍數(shù)的額定電流(該型發(fā)動(dòng)機(jī)約5 倍額定電流)，使保險(xiǎn)小軸承受扭矩超過扭斷力矩時(shí)，保險(xiǎn)小軸即被迅速扭斷以保護(hù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)。因此，保險(xiǎn)小軸的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈的雙向保護(hù)功能［3］。

2 保險(xiǎn)小軸斷裂原因分析

保險(xiǎn)小軸的功用是傳遞扭矩、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈、保護(hù)發(fā)電機(jī)不因電流過大而受損壞。發(fā)電機(jī)的額定發(fā)電負(fù)荷只有12 kW，聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)載荷為18 kW，在正常工作情況下保險(xiǎn)小軸不會(huì)發(fā)生斷裂。但是如果保險(xiǎn)小軸的加工精度、保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的組合裝配精度、負(fù)載力矩過大，導(dǎo)致保險(xiǎn)小軸實(shí)際承受的載荷偏離設(shè)計(jì)載荷或在使用壽命前失去功效，就會(huì)造成保險(xiǎn)小軸斷裂。經(jīng)查閱相關(guān)的技術(shù)文件、圖紙資料，結(jié)合前期的排故經(jīng)驗(yàn)，建立保險(xiǎn)小軸斷裂的故障樹(圖2)，進(jìn)行故障定位，找出保險(xiǎn)小軸斷裂的主要故障原因［4］:

圖2 保險(xiǎn)小軸斷裂故障樹Fig.2 Fault Tree of fractured safety shaft

2.1 加工質(zhì)量粗糙，增大應(yīng)力集中

加工質(zhì)量粗糙是指保險(xiǎn)小軸在加工過程中存在沿周向的加工刀痕、表面粗糙度大或轉(zhuǎn)接圓弧R 值較小，導(dǎo)致保險(xiǎn)小軸應(yīng)力集中、疲勞抗力下降，即使發(fā)動(dòng)機(jī)傳給起動(dòng)發(fā)電機(jī)功率未超過18 kW時(shí)，保險(xiǎn)小軸也可能在其細(xì)頸處提前被扭斷。

1)表面存在加工刀痕。對(duì)幾起保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)故障件的檢查，發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)小軸細(xì)頸處表面存在沿周向的加工刀痕，加工刀痕處容易引起應(yīng)力集中，工作中萌生疲勞裂紋，裂紋沿R 處的加工痕跡垂直于軸向擴(kuò)展，從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

2)表面粗糙度大。表面粗糙度大也容易引起應(yīng)力集中，萌生疲勞裂紋。據(jù)有關(guān)資料表明，當(dāng)表面粗糙度由0.8 μm 降低到1.6 μm 時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)將由1 增加到1.21，而使疲勞壽命降低17%，疲勞抗力明顯降低［5］。

3)轉(zhuǎn)接圓弧R 值較小。為保護(hù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)不受損壞，在保險(xiǎn)小軸中部設(shè)計(jì)了U 形槽，形成轉(zhuǎn)接圓弧R，轉(zhuǎn)接圓弧R 處產(chǎn)生應(yīng)力集中并易于萌生疲勞裂紋，然后裂紋沿著與最大拉伸正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。最后導(dǎo)致疲勞斷裂。據(jù)有關(guān)資料表明，轉(zhuǎn)接圓弧R 值大小對(duì)疲勞影響相當(dāng)明顯:保險(xiǎn)小軸直徑D 為16 mm，細(xì)頸直徑d 為10 mm，R 值為2 mm，D/d=1.6，R/d=0.2，計(jì)算細(xì)頸處應(yīng)力集中系數(shù)為1.33，當(dāng)R 值減小為1 mm時(shí)，細(xì)頸處應(yīng)力集中系數(shù)為1.58，應(yīng)力集中系數(shù)增大，使得細(xì)頸周邊上裂紋擴(kuò)展速率加大，保險(xiǎn)小軸疲勞抗力降低，產(chǎn)生疲勞斷裂［5］。

因保險(xiǎn)小軸加工質(zhì)量粗糙導(dǎo)致的斷裂模式通常為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，扭轉(zhuǎn)疲勞產(chǎn)生的疲勞裂紋通常是在切應(yīng)力作用下萌生，在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展，因此裂紋可能沿縱向萌生，也可能沿橫向萌生，但裂紋的擴(kuò)展一定是在與軸向呈45°的平面上擴(kuò)展，這個(gè)平面與正應(yīng)力垂直。如果在同一圓周上的多個(gè)位置萌生裂紋，斷口宏觀形貌呈現(xiàn)為典型的星形扭轉(zhuǎn)疲勞花樣。

2.2 組合裝配偏斜導(dǎo)致各零件配合尺寸的超差

保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)是由外套齒聯(lián)軸節(jié)、內(nèi)套齒聯(lián)軸節(jié)和與它們內(nèi)孔緊配合的保險(xiǎn)小軸組成，當(dāng)保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)組合裝配時(shí)出現(xiàn)偏斜、組合同軸度大(容易造成偏心)、內(nèi)外花鍵齒跳動(dòng)量大、起動(dòng)發(fā)電機(jī)安裝止口對(duì)保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)內(nèi)花鍵中心跳動(dòng)量大，在旋轉(zhuǎn)過程中就會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，彎曲載荷通過旋轉(zhuǎn)而周期加載到保險(xiǎn)小軸上，在扭矩和彎矩共同作用下，其應(yīng)力分布是外層大、中心小，因而疲勞裂紋在保險(xiǎn)小軸兩側(cè)首先萌生，且疲勞裂紋在兩側(cè)擴(kuò)展速率較快，在疲勞裂紋擴(kuò)展的過程中，由于保險(xiǎn)小軸還在不斷地旋轉(zhuǎn)，疲勞裂紋的前沿向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)，因此最后的瞬斷區(qū)也向旋轉(zhuǎn)相反的方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度［6］。

2.3 起動(dòng)發(fā)電機(jī)機(jī)械故障

發(fā)電機(jī)電樞軸內(nèi)裝有伸出軸，電樞軸和伸出軸用滾棒式單向離合器連接，在離合器的隔離環(huán)(橡膠支架)內(nèi)裝有兩2 排共8 個(gè)鋼滾棒，伸出軸做成凸型面，以便保證在發(fā)電狀態(tài)時(shí)空心軸與伸出軸結(jié)合。當(dāng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，電樞軸通過主動(dòng)齒輪帶動(dòng)4 個(gè)游星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，游星齒輪架與伸出軸通過套齒連接，電樞軸和伸出軸的傳動(dòng)比為3.167∶1，這時(shí)電樞軸內(nèi)單向離合器是脫開的，電樞軸主動(dòng)，伸出軸被動(dòng)，滾棒落在型面較低的地方(圖3)。當(dāng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)伸出軸旋轉(zhuǎn)，伸出軸主動(dòng)，電樞軸被動(dòng)，此時(shí)滾棒落在型面較高的地方，見圖3。因此伸出軸與電樞軸結(jié)成一體，此時(shí)減速器整體隨轉(zhuǎn)不起作用，傳動(dòng)比為1∶1［2，7］。

圖3 單向離合器示意圖Fig.3 Schematic illustration of one-way clutch

起動(dòng)發(fā)電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由于滾棒卡在電樞空心軸與單向離合器之間，容易引起磨損、壓痕。當(dāng)出現(xiàn)離合器端滾棒鍥形槽壓印較深，電樞空心軸內(nèi)壁與滾棒結(jié)合處嚴(yán)重磨損，使離合器結(jié)合間隙變大，橡膠滾棒支架變形起不到限位作用，不能使8 個(gè)滾棒在規(guī)定的型面上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致滾棒不能在起動(dòng)(超越狀態(tài))結(jié)束后，轉(zhuǎn)發(fā)電(楔緊)狀態(tài)時(shí)，使?jié)L棒快速沿鍥形面滾動(dòng)，瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)到伸出軸型面的工作位置處，造成伸出軸和電樞軸轉(zhuǎn)子結(jié)合時(shí)間延長(zhǎng)，伸出軸與電樞空心軸不能及時(shí)楔緊結(jié)成一體，伸出軸不能將發(fā)動(dòng)機(jī)功率平穩(wěn)的傳遞給電樞軸，而此時(shí)電源停止給發(fā)電機(jī)供電，電樞軸轉(zhuǎn)速快速下降，而伸出軸轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下上升至較高水平，在滾棒離合器接合的瞬間，電樞軸與伸出軸轉(zhuǎn)速差大，形成強(qiáng)烈撞擊，所產(chǎn)生的沖擊載荷將擴(kuò)大3.167 倍加載到保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)上，此時(shí)保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)所受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)載荷，保險(xiǎn)小軸斷裂以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈。

由于起動(dòng)發(fā)電機(jī)機(jī)械故障導(dǎo)致保險(xiǎn)小軸斷裂模式一般為扭轉(zhuǎn)過載斷裂。扭轉(zhuǎn)過載斷裂是扭矩在軸件表面產(chǎn)生的切應(yīng)力或正應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度而引發(fā)的一種斷裂，其斷口平整，斷面軸向垂直，斷面上有漩渦狀塑性變形痕跡，這是切應(yīng)力作用的結(jié)果［8］。

2.4 循環(huán)交變應(yīng)力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)承受著起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)-發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)-工作-停車狀態(tài)的變化，使得保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)工作過程中承受循環(huán)交變應(yīng)力，扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力和正應(yīng)力也是交變的，因此在這種交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂也是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。承受扭轉(zhuǎn)載荷的軸，其最大局部拉應(yīng)力與軸線成45°的方向上，在循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷作用下，疲勞裂紋在垂直于最大拉應(yīng)力的方向發(fā)展。保險(xiǎn)小軸受到扭轉(zhuǎn)疲勞載荷作用，由于應(yīng)力集中在最大剪切區(qū)，疲勞裂紋則沿垂直最大拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，因而在沿軸線量45°的方向形成扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂花樣，宏觀斷口形貌為典型的星形扭轉(zhuǎn)疲勞特征［9］。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述故障原因，提出了針對(duì)性的改進(jìn)方法，以提高保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)工作可靠性，確保發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全:

1)增加保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)內(nèi)外套齒的跳動(dòng)量檢查要求。

2)調(diào)整保險(xiǎn)小軸與內(nèi)外套齒聯(lián)軸節(jié)之間的配合過盈量。

3)在保險(xiǎn)小軸細(xì)頸處增加了拋光，提高表面粗糙度要求。

4)將冷組合改為溫差法和專用工裝進(jìn)行組合，保證保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)組合裝配精度。

5)嚴(yán)格發(fā)電機(jī)的裝配過程，特別是滾棒保持架的裝配過程中檢驗(yàn)人員要全程跟蹤檢查，該工步也要設(shè)為“過程檢驗(yàn)”工步。

6)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程未結(jié)束之前不能再次按下啟動(dòng)按鈕，起動(dòng)失敗后應(yīng)間隔一段時(shí)間后才能再次起動(dòng)。

4 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通過保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)的端面棘齒把起動(dòng)電機(jī)的扭矩傳給發(fā)動(dòng)機(jī)，保險(xiǎn)小軸不傳遞起動(dòng)功率，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，保險(xiǎn)小軸不承受載荷，不會(huì)發(fā)生斷裂;發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，通過保險(xiǎn)小軸帶動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，棘齒不再傳遞功率，因此保險(xiǎn)小軸斷裂一般發(fā)生在起動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)電的瞬間或發(fā)電工作一段時(shí)間之后。故障原因主要是保險(xiǎn)聯(lián)軸節(jié)存在設(shè)計(jì)不當(dāng)、加工精度不高、裝配偏斜等問題，起動(dòng)發(fā)電機(jī)為雙向發(fā)電機(jī)，在起動(dòng)中作為電動(dòng)機(jī)使用，起動(dòng)完畢后作為發(fā)電機(jī)使用，容易造成機(jī)械故障，加之保險(xiǎn)小軸是處于循環(huán)交變應(yīng)力作用下工作的，容易引起扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

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