陳禮順，劉新靈，盧建紅

(1.中國人民解放軍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)國家重點實驗室，北京 100083)

0 引言

發(fā)動機起動時由地面電源或機上電源給2 臺同步連軸的直流起動發(fā)電機供電，起動發(fā)電機輸出扭矩，帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子起動發(fā)動機。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)子速率達到42% 后，發(fā)動機可以獨立起動，電源停止向起動發(fā)電機供電，起動發(fā)電機由起動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)［1］。為實現(xiàn)起動發(fā)電機和發(fā)動機之間的傳遞扭矩、保護電機及發(fā)動機傳動鏈的功能，在發(fā)動機附件機匣內(nèi)設(shè)置了起動發(fā)電機和發(fā)動機的聯(lián)接裝置——保險聯(lián)軸節(jié)。

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

1 保險聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理

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

保險聯(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)孔緊配合的保險小軸組成，并用2 個銷釘固定(圖1)，保險小軸的制造材料為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。保險聯(lián)軸節(jié)外花鍵與起動發(fā)電機傳動齒輪內(nèi)花鍵連接，內(nèi)花鍵與起動發(fā)電機伸出軸外花鍵連接傳遞扭矩，軸向有擋圈限位［2］。發(fā)動機起動時通過保險聯(lián)軸節(jié)的端面棘齒把起動電機的扭矩傳給發(fā)動機，保險小軸不傳遞起動功率;發(fā)動機工作后，起動發(fā)電機由起動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動機通過保險小軸帶動發(fā)電機伸出軸旋轉(zhuǎn)，此時，起動發(fā)電機的伸出軸的轉(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，如果在起動轉(zhuǎn)發(fā)電瞬間，滾棒在伸出軸和電樞軸之間卡滯，則會形成剎車效應(yīng)，電機轉(zhuǎn)子巨大的慣性沖擊力作用在保險小軸上，保險小軸所受扭矩會急劇增大，超過扭斷力矩時則會斷裂以保護發(fā)動機傳動鏈。而在發(fā)動機工作后，起動發(fā)電機作發(fā)電機用，若輸出電流超過一定倍數(shù)的額定電流(該型發(fā)動機約5 倍額定電流)，使保險小軸承受扭矩超過扭斷力矩時，保險小軸即被迅速扭斷以保護起動發(fā)電機。因此，保險小軸的設(shè)計，實現(xiàn)了對電機和發(fā)動機傳動鏈的雙向保護功能［3］。

2 保險小軸斷裂原因分析

保險小軸的功用是傳遞扭矩、保護發(fā)動機傳動鏈、保護發(fā)電機不因電流過大而受損壞。發(fā)電機的額定發(fā)電負荷只有12 kW，聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計載荷為18 kW，在正常工作情況下保險小軸不會發(fā)生斷裂。但是如果保險小軸的加工精度、保險聯(lián)軸節(jié)的組合裝配精度、負載力矩過大，導(dǎo)致保險小軸實際承受的載荷偏離設(shè)計載荷或在使用壽命前失去功效，就會造成保險小軸斷裂。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，建立保險小軸斷裂的故障樹(圖2)，進行故障定位，找出保險小軸斷裂的主要故障原因［4］:

圖2 保險小軸斷裂故障樹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)致保險小軸應(yīng)力集中、疲勞抗力下降，即使發(fā)動機傳給起動發(fā)電機功率未超過18 kW時，保險小軸也可能在其細頸處提前被扭斷。

1)表面存在加工刀痕。對幾起保險聯(lián)軸節(jié)故障件的檢查，發(fā)現(xiàn)保險小軸細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，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。為保護起動發(fā)電機不受損壞，在保險小軸中部設(shè)計了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 值大小對疲勞影響相當(dāng)明顯:保險小軸直徑D 為16 mm，細頸直徑d 為10 mm，R 值為2 mm，D/d=1.6，R/d=0.2，計算細頸處應(yīng)力集中系數(shù)為1.33，當(dāng)R 值減小為1 mm時，細頸處應(yīng)力集中系數(shù)為1.58，應(yīng)力集中系數(shù)增大，使得細頸周邊上裂紋擴展速率加大，保險小軸疲勞抗力降低，產(chǎn)生疲勞斷裂［5］。

因保險小軸加工質(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，但裂紋的擴展一定是在與軸向呈45°的平面上擴展，這個平面與正應(yīng)力垂直。如果在同一圓周上的多個位置萌生裂紋，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)孔緊配合的保險小軸組成，當(dāng)保險聯(lián)軸節(jié)組合裝配時出現(xiàn)偏斜、組合同軸度大(容易造成偏心)、內(nèi)外花鍵齒跳動量大、起動發(fā)電機安裝止口對保險聯(lián)軸節(jié)內(nèi)花鍵中心跳動量大，在旋轉(zhuǎn)過程中就會產(chǎn)生附加彎矩，彎曲載荷通過旋轉(zhuǎn)而周期加載到保險小軸上，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小軸兩側(cè)首先萌生，且疲勞裂紋在兩側(cè)擴展速率較快，在疲勞裂紋擴展的過程中，由于保險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)一個角度［6］。

2.3 起動發(fā)電機機械故障

發(fā)電機電樞軸內(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 個鋼滾棒，伸出軸做成凸型面，以便保證在發(fā)電狀態(tài)時空心軸與伸出軸結(jié)合。當(dāng)起動發(fā)電機在起動時，電樞軸通過主動齒輪帶動4 個游星齒輪轉(zhuǎn)動，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比為3.167∶1，這時電樞軸內(nèi)單向離合器是脫開的，電樞軸主動，伸出軸被動，滾棒落在型面較低的地方(圖3)。當(dāng)起動發(fā)電機轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)時，發(fā)動機帶動伸出軸旋轉(zhuǎn)，伸出軸主動，電樞軸被動，此時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，此時減速器整體隨轉(zhuǎn)不起作用，傳動比為1∶1［2，7］。

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

起動發(fā)電機在發(fā)電狀態(tài)時，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 個滾棒在規(guī)定的型面上運動，導(dǎo)致滾棒不能在起動(超越狀態(tài))結(jié)束后，轉(zhuǎn)發(fā)電(楔緊)狀態(tài)時，使?jié)L棒快速沿鍥形面滾動，瞬時運動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)合時間延長，伸出軸與電樞空心軸不能及時楔緊結(jié)成一體，伸出軸不能將發(fā)動機功率平穩(wěn)的傳遞給電樞軸，而此時電源停止給發(fā)電機供電，電樞軸轉(zhuǎn)速快速下降，而伸出軸轉(zhuǎn)速在發(fā)動機帶動下上升至較高水平，在滾棒離合器接合的瞬間，電樞軸與伸出軸轉(zhuǎn)速差大，形成強烈撞擊，所產(chǎn)生的沖擊載荷將擴大3.167 倍加載到保險聯(lián)軸節(jié)上，此時保險聯(lián)軸節(jié)所受的載荷遠遠超出設(shè)計載荷，保險小軸斷裂以保護發(fā)動機傳動鏈。

由于起動發(fā)電機機械故障導(dǎo)致保險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)動機在工作狀態(tài)時，保險聯(lián)軸節(jié)承受著起動發(fā)電機起動-發(fā)電、發(fā)動機起動-工作-停車狀態(tài)的變化，使得保險聯(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 改進措施

根據(jù)上述故障原因，提出了針對性的改進方法，以提高保險聯(lián)軸節(jié)工作可靠性，確保發(fā)動機使用安全:

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

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

3)在保險小軸細頸處增加了拋光，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行組合，保證保險聯(lián)軸節(jié)組合裝配精度。

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

6)在發(fā)動機起動過程未結(jié)束之前不能再次按下啟動按鈕，起動失敗后應(yīng)間隔一段時間后才能再次起動。

4 結(jié)束語

發(fā)動機起動時通過保險聯(lián)軸節(jié)的端面棘齒把起動電機的扭矩傳給發(fā)動機，保險小軸不傳遞起動功率，因此在發(fā)動機起動階段，保險小軸不承受載荷，不會發(fā)生斷裂;發(fā)動機工作后，發(fā)動機輸出功率，通過保險小軸帶動起動發(fā)電機進行發(fā)電，棘齒不再傳遞功率，因此保險小軸斷裂一般發(fā)生在起動轉(zhuǎn)發(fā)電的瞬間或發(fā)電工作一段時間之后。故障原因主要是保險聯(lián)軸節(jié)存在設(shè)計不當(dāng)、加工精度不高、裝配偏斜等問題，起動發(fā)電機為雙向發(fā)電機，在起動中作為電動機使用，起動完畢后作為發(fā)電機使用，容易造成機械故障，加之保險小軸是處于循環(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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