高志坤，韓振宇，佟文偉，胡 霖，卜嘉利

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015)

0 引言

附件機匣作為航空發(fā)動機的重要部件之一，主要起著為飛機附件機匣提供動力的作用。功率輸出軸是將發(fā)動機附件機匣的動力(扭矩)傳遞給飛機附件機匣的主要零件，其安全、可靠運轉(zhuǎn)直接關(guān)系到飛機整體的安全［1］。

發(fā)動機附件機匣在進行持久壽命試驗時，采用膜片聯(lián)軸器將功率輸出軸的扭矩傳遞給模擬飛機附件機匣的液壓系統(tǒng)(負載)，而在飛機上并不需要膜片聯(lián)軸器聯(lián)接。當(dāng)試驗器主軸轉(zhuǎn)速達到約8 kr/min 時，發(fā)現(xiàn)功率輸出軸斷裂，半聯(lián)軸盤與功率輸出軸法蘭盤聯(lián)接螺栓有2 個斷裂，半聯(lián)軸盤、中間軸與膜片組固定的驅(qū)動螺栓有3 個斷裂，膜片組與半聯(lián)軸盤相接一端3 個螺栓孔豁裂。至發(fā)生故障時，試驗累計進行約80 h。在以往發(fā)動機試車、試飛過程中并未發(fā)生過功率輸出軸斷裂故障。

功率輸出軸在持久壽命試驗過程中主要傳遞扭矩，但如果與之相連的膜片聯(lián)軸器異常，對軸產(chǎn)生附加彎矩作用，將使功率輸出軸由單軸疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍S疲勞。目前，關(guān)于單軸疲勞裂紋萌生與擴展研究［1-3］以及關(guān)于多軸疲勞強度與壽命方面的研究較多［4-7］。但關(guān)于多軸疲勞裂紋萌生與擴展形貌特性的研究還不多見。通過斷裂失效行為和特征來判別軸失效的主要載荷，對于找到失效原因具有重要作用。本研究針對某功率輸出軸組件發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，從斷口的宏微觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、組織形貌、硬度檢測等多方面對該失效組件進行研究，以確定其斷裂性質(zhì)及失效原因，從而為此類軸失效故障的研究和預(yù)防提供借鑒。

1 試驗與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障功率輸出軸宏觀圖像見圖1，表面呈氧化色，斷裂產(chǎn)生于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處，法蘭盤端面有多處刮蹭、磨損痕跡，花鍵未見明顯的異常磨損。

斷口宏觀形貌見圖2。功率輸出軸一側(cè)斷口損傷嚴(yán)重，法蘭盤一側(cè)斷口保持相對完好。斷口呈皿狀，絕大部分呈灰白色，內(nèi)側(cè)邊緣呈黑色，大部分較細膩;斷口表面可見明顯的疲勞弧線，表明斷口為疲勞斷口［8］。疲勞起源于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處外表面(圖2a)，呈單源特征，且源區(qū)磨損較重;斷面與軸向約呈45°向兩側(cè)擴展，有明顯的臺階，擴展區(qū)面積很大，擴展后期有明顯的疲勞弧線和擴展棱線，瞬斷區(qū)面積很小，表明裂紋擴展較充分［9］;瞬斷區(qū)與疲勞源區(qū)相對，但卻相對于軸的旋轉(zhuǎn)方向逆偏轉(zhuǎn)一定的角度θ。聯(lián)接螺栓和膜片斷口均未見明顯的疲勞特征，為過載斷裂性質(zhì)。

圖1 功率輸出軸宏觀形貌Fig.1 Appearance of the output power shaft

圖2 功率輸出軸斷口宏觀形貌Fig.2 Fracture surface of the output power shaft

1.2 斷口微觀檢查

采用掃描電鏡對斷口進行微觀觀察，可見收斂于外表面的放射棱線，進一步表明疲勞起源于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處外表面(圖3a);放大觀察，源區(qū)主要為磨損、刮蹭特征，未見明顯的冶金缺陷(圖3b);源區(qū)附近可見到細膩的疲勞條帶(圖3c);擴展區(qū)可見到細膩的疲勞條帶(圖3d);瞬斷區(qū)為韌窩特征(圖3e)。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

1.3 表面檢查

故障功率輸出軸斷口疲勞源區(qū)附近表面形貌見圖4，呈磨損特征，原始形貌無法觀察，疲勞源位于軸和法蘭盤的轉(zhuǎn)接R 處，為應(yīng)力集中部位，源區(qū)附近未見嚴(yán)重的機械加工刀痕。

1.4 材質(zhì)分析

1)成分分析。

對故障功率輸出軸斷口黑色區(qū)和基體進行能譜分析，結(jié)果見表1。斷口黑色區(qū)O 含量明顯偏高，表明斷口黑色區(qū)應(yīng)為氧化所致;故障功率輸出軸基體材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)組織檢查。

從故障軸斷口附近截取金相試樣，將試樣打磨、腐蝕后觀察顯微組織，形貌見圖5，為回火索氏體，符合技術(shù)要求。

3)硬度檢測。

在斷口附近取樣，用TH320 型全洛氏硬度計測定洛氏硬度，結(jié)果為HRC 38.2～39.4，符合HRC 37～48 的技術(shù)要求。

2 分析與討論

圖4 源區(qū)表面形貌Fig.4 Side surface near the source

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Results of EDS analysis (mass fraction/%)

圖5 斷口附近組織形貌Fig.5 Microstructure near the fracture surface of the shaft

通過對故障功率輸出軸斷口檢查與分析可知:疲勞起源于軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處外表面、單源，斷口呈皿狀，瞬斷區(qū)在疲勞源區(qū)的對面、但卻相對于軸的旋轉(zhuǎn)方向逆偏轉(zhuǎn)一定的角度，以上特征與文獻［10-11］闡述的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征一致;而與扭轉(zhuǎn)斷口的呈“階梯”、“鋸齒”狀和星型，邊緣存在明顯的“漩渦”狀摩擦條痕等特征存在明顯差異，這表明故障功率輸出軸在旋轉(zhuǎn)過程中受到較明顯的彎曲載荷。在旋轉(zhuǎn)彎矩作用下，產(chǎn)生故障軸疲勞斷口瞬斷區(qū)向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)的根本原因是疲勞裂紋進入拉應(yīng)力區(qū)的狀態(tài)不同［12］。在疲勞裂紋擴展過程中，軸還在不斷的旋轉(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)的相反方向偏轉(zhuǎn)一個角度。故障功率輸出軸的材料成分、組織和硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，疲勞源區(qū)表面未見嚴(yán)重的機械加工刀痕，表明該軸的疲勞斷裂與材質(zhì)、冶金缺陷和機械加工無關(guān)。

膜片聯(lián)軸器具有扭轉(zhuǎn)方向剛性大、能傳遞大扭矩、在軸向和角向有很大撓度、并有吸振、減振等特點，作為一種新型撓性聯(lián)接裝置被廣泛用于高速重載場合［13］。其工作原理是:扭矩從主動端半聯(lián)軸器輸入，經(jīng)沿圓周間隔布置的高強度螺栓將扭矩傳輸至前端撓性鋼片組(膜片)，再由撓性鋼片組通過高強度螺栓傳到中間軸，并同樣由另后端撓性鋼片組、高強度螺栓及從動半聯(lián)軸器輸出(圖6)。與故障軸聯(lián)接的膜片聯(lián)軸器設(shè)計要求是只傳遞軸的扭矩，盡量對軸不產(chǎn)生附加的彎矩。正常工作條件下，功率輸出軸主要傳遞扭矩，所受彎矩很小，而斷口分析表明故障功率輸出軸疲勞裂紋萌生與擴展主要是受到了異常彎矩的作用。

通常在膜片聯(lián)軸器總長度一定的情況下，聯(lián)軸器的中間軸長度在確保不超過聯(lián)軸器外徑的條件下盡可能長，2 個半聯(lián)軸盤長度不超過中間節(jié)、并盡量短，這不僅可以最大限度增加膜片聯(lián)軸器膜片的補償能力，還可以降低對傳動系統(tǒng)的附加作用力和附加旋轉(zhuǎn)彎矩。與故障軸聯(lián)接的膜片聯(lián)軸器半聯(lián)軸盤長度為75 mm，中間軸長度為70 mm，且質(zhì)量均較重，與常規(guī)設(shè)計［14］相悖，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，由于膜片聯(lián)軸器離心力作用勢必對軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)彎矩。需要說明的是，該彎矩大小應(yīng)與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的附加彎矩大，作用于軸的應(yīng)力也大，反之亦然;本試驗條件下轉(zhuǎn)速并非恒定不變，在相對低轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)一段時間后轉(zhuǎn)為高轉(zhuǎn)速，進而使疲勞擴展區(qū)形成多處弧線臺階，而隨著疲勞裂紋的擴展，軸的有效承載截面變小，加大了該部位的應(yīng)力，從而在疲勞擴展后期形成粗大擴展棱線。

圖6 故障軸組件示意圖Fig.6 Structural diagram of the output power shaft

構(gòu)件的形狀和材料性質(zhì)急劇改變的地方，會產(chǎn)生局部的高應(yīng)力(σmax)應(yīng)力集中。一般在結(jié)構(gòu)零件的臺階、轉(zhuǎn)角、溝槽以及材料缺陷等附近，都會出現(xiàn)應(yīng)力集中。而且缺陷或轉(zhuǎn)角等形狀愈尖銳，材料的強度愈高，塑性愈低，應(yīng)力集中系數(shù)也就愈大。當(dāng)這種集中應(yīng)力大于材料的強度極限時，就會在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，并使裂紋不斷擴展，直至發(fā)生斷裂［15］。故障軸與法蘭盤轉(zhuǎn)接處(疲勞源)即為應(yīng)力集中部位，降低了軸的抗疲勞強度，促進了疲勞裂紋過早萌生。

通過對聯(lián)軸器上的聯(lián)接螺栓和膜片斷口檢查可知均為過載斷裂(敘述省略)，說明功率輸出軸疲勞斷裂在先、而后聯(lián)軸器失去平衡在旋轉(zhuǎn)慣性下致使聯(lián)接螺栓和膜片瞬時斷裂，在該試驗條件下，膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而產(chǎn)生的附加彎矩對功率輸出軸疲勞性能的影響大于膜片，而理想設(shè)計條件下膜片聯(lián)軸器的通常失效模式是膜片疲勞開裂，進一步說明膜片聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

3 結(jié)論

1)功率輸出軸在傳遞扭矩的過程中受到較明顯的彎曲載荷而發(fā)生疲勞斷裂，其斷裂行為主要體現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂特征，疲勞起始與材質(zhì)、冶金缺陷和機械加工無關(guān)。

2)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而產(chǎn)生的附加彎矩是導(dǎo)致功率輸出軸疲勞開裂的主要原因。

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