轉(zhuǎn)接軸花鍵磨損問題分析

白志剛

摘? 要：該文針對轉(zhuǎn)接軸花鍵異常磨損問題，對花鍵設(shè)計強度、對中性、裝配間隙、表面質(zhì)量等方面進行分析，發(fā)現(xiàn)花鍵磨損不僅會和接觸應(yīng)力偏大，花鍵對中性不好，作用側(cè)隙設(shè)計不合理等因素相關(guān)，花鍵的接觸面硬度不匹配同樣可能造成花鍵故障，造成花鍵異常磨損的原因很多，設(shè)計花鍵時應(yīng)全面考慮，避免造成不必要的損失。

關(guān)鍵詞：花鍵;磨損;套齒;發(fā)動機

中圖分類號：TG372? ? ? 文獻標志碼：A

航空花鍵結(jié)構(gòu)因具有承載能力高、定心性能好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，在現(xiàn)代航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛應(yīng)用，然而航空花鍵工作環(huán)境苛刻， 一旦出現(xiàn)問題，造成的危害較大，更為糟糕的是由于空間狹小和設(shè)計等原因?qū)е碌牟豢山咏?，使花鍵檢修和更換困難，設(shè)計時需要考慮全面，避免造成不必要的損失。

1 問題描述

某發(fā)動機故檢中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)接軸花鍵尺寸出現(xiàn)超差，檢查發(fā)現(xiàn)花鍵存在異常磨損現(xiàn)象，轉(zhuǎn)接軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，磨損如圖2所示。轉(zhuǎn)接軸前端開有螺栓孔，通過螺栓與壓氣機轉(zhuǎn)子連接，并設(shè)計過盈止口用于定心;后端設(shè)有內(nèi)花鍵，用于輸入扭矩，帶動壓氣機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。內(nèi)花鍵為漸開線花鍵，參數(shù)見表1，漸開線花鍵的齒廓受載時各齒承受大小相等且指向圓心的徑向分力，總接觸面積大、可自動定心，適于應(yīng)用在傳遞轉(zhuǎn)矩大且定心精度要求高的傳扭結(jié)構(gòu)中。造成花鍵異常磨損的原因很多，分析磨損問題需要全面考慮強度、裝配、工藝等方面。

2 問題分析

2.1 接觸應(yīng)力

漸開線花鍵接觸應(yīng)力是影響花鍵副微動磨損的重要參數(shù)，漸開線花鍵副花鍵擠壓應(yīng)力σp計算公式如下：

（1）

式（1）中：T—轉(zhuǎn)矩（Nm）;ψ—各齒間載荷不均勻系數(shù)，通常取ψ=0.7～0.8;z—齒數(shù);hg—齒的工作高度（mm）;lg—齒的工作長度（mm）;Dm—為分度圓直徑（mm）。

花鍵輸入轉(zhuǎn)矩T計算公式如下：

（2）

式（2）中：P—輸入功率（W）;n—轉(zhuǎn)速（r/min）。

考慮設(shè)計轉(zhuǎn)速下，壓氣機需要的輸入功率按如下公式考慮，

（3）

式（3）中：Qm—空氣流量; Cp—定壓比熱容;T? *

2—壓氣機出口總溫; T*

1—壓氣機進口總溫;η—轉(zhuǎn)子機械效率。

按照上述公式計算，將壓氣機參數(shù)帶入，計算得到花鍵所在軸的功率為P=128 kW，花鍵的正壓力σp為110 MPa;從計算結(jié)果來看，所有計算花鍵中齒面接觸強度許用值與計算應(yīng)力之比

最小值為10.8?；ㄦI的計算應(yīng)力遠遠小于許用值，能保證所用花鍵安全地工作。

2.2 內(nèi)、外花鍵對中性分析

內(nèi)外花鍵不對中也可能造成套齒磨損，以下幾個方面可能造成內(nèi)外花鍵不對中：1）零件缺少定心或定心不牢固;2）零件剛度不足，工作中存在較大變形;3）內(nèi)外花鍵材料熱膨脹系數(shù)差異大，工作中內(nèi)外花鍵變形不協(xié)調(diào);4）內(nèi)外花鍵所在截面的厚度不能有較大差異，防止出現(xiàn)受力變形不協(xié)調(diào)。

通過對零件端面跳動、材料、剛度等方面的復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)造成套齒不對中的因素，因此認為磨損和零件不對中無關(guān)。

2.3裝配間隙

花鍵側(cè)隙設(shè)計是影響磨損的一個重要參數(shù)，花鍵側(cè)隙設(shè)計值為0.13 mm～0.26 mm，參照航空標準，該花鍵齒側(cè)間隙相對較大，較大齒側(cè)間隙有利于增強內(nèi)、外花鍵的不對中適應(yīng)能力，通過檢查，花鍵裝配側(cè)隙符合要求，因此齒側(cè)間隙不是花鍵磨損的原因。

2.4 表面質(zhì)量檢查

為檢驗是否由于內(nèi)、外花鍵硬度不匹配造成磨損故障，從花鍵副的材料和表面硬度對磨損情況進行分析，內(nèi)、外花鍵的材料都是高強度合金鋼，且內(nèi)花鍵的材料硬度略高于外花鍵，這樣的設(shè)計是合理的，使用過程中有利于保護內(nèi)花鍵，但是，外花鍵表面做了滲氮處理，硬度大大提高，而內(nèi)花鍵未做表面處理，內(nèi)、外花鍵硬度相差較大，嚴重不匹配。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外發(fā)動機中與其結(jié)構(gòu)相近的發(fā)動機，花鍵表面均有強化要求。

另外檢查了花鍵表面的粗糙度、內(nèi)花鍵相對于安裝座止口的徑向跳動等參數(shù)，均未見異常。

2.5 振動

在有振動的機械中，螺紋連接、花鍵連接和過盈配合連接等容易發(fā)生微動磨損。微動是指2個接觸表面之間小振幅振蕩運動，涉及面與面接觸循環(huán)小幅度的相對位移，這一般與花鍵轉(zhuǎn)子振幅基本一致。通過復(fù)查發(fā)動機振動情況并結(jié)合磨損現(xiàn)象認為振動不是造成異常磨損的主要因素。

3 改進措施及驗證結(jié)果

通過對花鍵接觸應(yīng)力、對中性、裝配間隙等方面的分析，花鍵在表面硬度的匹配性上與其它發(fā)動機存在差異，其它方面未發(fā)現(xiàn)異常，對內(nèi)花鍵表面增加滲碳要求，滲碳深度0.2 mm～0.5 mm，使其表面硬度略高于外花鍵的表面硬度，經(jīng)試車考核，花鍵工作正常，未見磨損痕跡，改進措施有效。因此認為，齒面硬度不匹配是齒面磨損的主要原因。

4 結(jié)論

通過對轉(zhuǎn)接軸花鍵異常磨損問題的分析，花鍵磨損不僅會和接觸應(yīng)力偏大、花鍵對中性不好、作用側(cè)隙設(shè)計不合理等因素相關(guān)，花鍵的接觸面硬度不匹配同樣可能造成花鍵故障。造成花鍵異常磨損的原因很多，設(shè)計花鍵時應(yīng)全面考慮，避免造成不必要的損失。

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