李豐豐 陶傳戈

摘 要：本文主要通過分解檢查出現(xiàn)故障的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)滾棒離合器彈簧斷裂后，對彈簧故障件進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及基本工作原理介紹，開展理化分析、相關(guān)尺寸檢查、彈簧變形理論計(jì)算、彈簧表面的脫碳檢查等一系列工作，探究彈簧斷裂失效原因，進(jìn)而找出起動(dòng)發(fā)電機(jī)故障原因，采取完善優(yōu)化零件加工工藝等改進(jìn)措施，以確保彈簧裝配位置符合設(shè)計(jì)圖紙要求，進(jìn)而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；起動(dòng)發(fā)電機(jī)；滾棒離合器；彈簧；斷裂

中圖分類號：TH133 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，試車兩次故障現(xiàn)象相同。將起動(dòng)發(fā)電機(jī)拆下后加負(fù)載，起動(dòng)發(fā)電機(jī)工作正常。

故障發(fā)生后，隨即對出現(xiàn)故障的起動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)雙速傳動(dòng)中摩擦離合器，棘爪離合器正常，滾棒離合器的彈簧斷裂。故障彈簧類似“Ω”型，一側(cè)端頭向上彎曲，另一側(cè)在平面方向向右側(cè)彎曲，斷裂部位在右側(cè)彎曲處。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

滾棒離合器由星形輪、護(hù)圈、外環(huán)、滾棒和彈簧等部分組成。滾棒裝到護(hù)圈周邊的孔內(nèi)，用以保護(hù)滾棒的相對位置不變。套在星形輪的外部護(hù)圈和星形輪之間還裝有一個(gè)彈簧，彈簧的一端插在星形輪的小孔內(nèi)，另一端卡入護(hù)圈的槽內(nèi)，彈簧的彈力總是試圖消除外環(huán)、滾棒和星形輪三者之間的間隙，使離合器處于結(jié)合狀態(tài)。在護(hù)圈上還固定有前蓋板，前蓋板的兩個(gè)凸邊在星形輪的凹槽中，它的作用是在外環(huán)轉(zhuǎn)速大于星形輪轉(zhuǎn)速情況下，防止?jié)L棒越過空腔中間而被星形輪的另一邊卡住，同時(shí)限定彈簧在彈性范圍內(nèi)工作，其裝配位置直接決定彈簧的工作狀況。

2 基本工作原理介紹

雙速傳動(dòng)裝置中滾棒離合器的功用是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)摩擦離合器和棘輪離合器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過附件機(jī)匣帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)，此時(shí)滾棒離合器不參與工作。起動(dòng)結(jié)束后， 棘輪離合器退出工作，由高壓壓氣機(jī)帶動(dòng)滾棒離合器和摩擦離合器轉(zhuǎn)動(dòng)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。這時(shí)，滾棒離合器才投入工作。凸輪變?yōu)橹鲃?dòng)輪，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，凸輪轉(zhuǎn)速也提高，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速大于套圈轉(zhuǎn)速時(shí)，凸輪帶動(dòng)滾棒“上坡”，滾棒進(jìn)入凸輪工作位置而落在小楔角內(nèi)，處于“楔緊狀態(tài)”，從而帶動(dòng)摩擦離合器，傳動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)。弓形彈簧具有擴(kuò)張功能，保證凸輪和保持架相互制動(dòng)。在轉(zhuǎn)速變化情況下，當(dāng)離合器套圈轉(zhuǎn)速大于凸輪轉(zhuǎn)速時(shí)，滾棒離合器不工作，利用弓形彈簧的壓縮功能，將凸輪和保持架相互彈開，從而將工作的“楔緊狀態(tài)”轉(zhuǎn)為脫開狀態(tài)。如果滾棒離合器的彈簧斷裂，使?jié)L棒離合器內(nèi)外環(huán)趨于結(jié)合的力消失，滾棒離合器將不能進(jìn)入楔緊狀態(tài)，傳遞線路中斷，電機(jī)不能轉(zhuǎn)入正常工作。

3 理化分析

3.1 宏觀檢查

經(jīng)實(shí)體顯微鏡觀察，彈簧斷口呈灰黑色，靠近端頭彎曲部位外側(cè)圓角處的斷口較平坦，平坦區(qū)面積約占斷口面積的1/2，靠近彈簧內(nèi)圓的斷口較粗糙，而且平坦區(qū)和粗糙區(qū)有較大的起伏臺(tái)階。平坦區(qū)斷口可見從彈簧彎曲部位外側(cè)圓角處起始的放射棱線，平坦區(qū)中間部位可見疲勞弧線，粗糙區(qū)為瞬斷形貌，因此彈簧是從彎曲部位外側(cè)圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展到彈簧1/2半徑位置，由于應(yīng)力較大且受力方向改變形成臺(tái)階瞬時(shí)斷裂。

3.2 微觀檢查

用掃描電鏡觀察，如圖1所示，箭頭所指處為疲勞源區(qū)。疲勞源區(qū)放射棱線清晰，可以看出疲勞起始于彈簧表面，在鄰近源區(qū)的部位即看到疲勞弧線。進(jìn)一步放大觀察，擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶細(xì)密，有多條二次裂紋。疲勞源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均未見冶金缺陷。

我們在源區(qū)附近表面觀察，彈簧彎曲部位有長約3.5mm、寬約0.6mm的縱向痕跡，在靠近彎曲部位外側(cè)圓角處有金屬堆積現(xiàn)象。該痕跡應(yīng)是彈簧與離合器保持架凹槽接觸時(shí)產(chǎn)生的。源區(qū)側(cè)面放大觀察，可見沿彈簧橫向分布的擦痕。該痕跡應(yīng)為彈簧加工過程中在彎曲時(shí)的壓痕。

3.3 理化分析結(jié)論

彈簧斷裂為疲勞斷裂，裂紋起始于彎曲部位外側(cè)圓角處，疲勞源區(qū)未見冶金缺陷。彈簧裂紋的產(chǎn)生可能與受力異常有關(guān)。

4 相關(guān)檢查及彈簧變形理論計(jì)算

4.1 尺寸檢查

檢查起動(dòng)發(fā)電機(jī)各零件的相關(guān)尺寸，除滾棒離合器的保持架槽 R2實(shí)際僅為R0.5左右不合格外，其余主動(dòng)齒輪、離合器、凸輪、滾子均合格。

在滾棒離合器模擬恢復(fù)原狀態(tài)過程中，發(fā)現(xiàn)組合鉆孔時(shí)，保持架與夾具的劃線沒有對正，測量前蓋板上孔角度為10°，按圖紙要求偏離約2°，換算行程距離增加約1mm。測量彈簧的展開長度124.835mm，為設(shè)計(jì)圖要求展開長度的下限，因彈簧收緊時(shí)纏繞凸輪軸面，此時(shí)彈簧鉤可能被超范圍拖拽。

4.2 彈簧表面脫碳檢查

為驗(yàn)證本次故障是否與彈簧在熱處理時(shí)脫碳有關(guān)，我們采取在彈簧的橫截面磨金相觀察的方法對斷裂彈簧進(jìn)行了脫碳情況檢查，結(jié)果未見脫碳層，從而排除了該影響因素。

4.3 彈簧變形理論計(jì)算

當(dāng)滾棒離合器自由狀態(tài)，弓形彈簧迫使凸輪頂住滾棒，此時(shí)彈簧兩個(gè)約束點(diǎn)間角度約為71°。離合器的運(yùn)動(dòng)極限位置就是墊圈凸邊與凸輪擋邊相碰的位置，通過這個(gè)位置理論計(jì)算出正常工作狀態(tài)下凸輪需旋轉(zhuǎn)的最大角度約為9°，進(jìn)而計(jì)算出彈簧移動(dòng)的長度約為3.3mm。故障件滾棒離合器墊圈的凸臺(tái)位置順時(shí)針偏離原設(shè)計(jì)位置2°～4°，造成離合器的運(yùn)動(dòng)極限位置也隨著變動(dòng)，即墊圈凸邊與凸輪擋邊相碰的距離加長約0.7mm～1.46mm，進(jìn)而造成彈簧移動(dòng)的長度增加21%～44%。

5 原因分析

分解測量發(fā)現(xiàn)前蓋板的兩個(gè)凸邊在星形輪的凹槽中有偏斜，約10°，相當(dāng)于彈簧的工作行程增加了約1mm，這使彈簧不能在正常彈性范圍內(nèi)工作，造成彈簧的直角處額外受力，從而造成了該處的疲勞。

造成這個(gè)偏斜的原因是加工過程中，操作者在將兩個(gè)機(jī)件鉚接前的打孔時(shí)未能按要求將零件上的定位凹槽對準(zhǔn)夾具上的刻線。另外一個(gè)不利因素是彈簧恰好是展開長度的下限，這些綜合因素共同作用導(dǎo)致了彈簧逐漸形成疲勞而斷裂。

6 制定改進(jìn)措施

在組合鉆前蓋板孔時(shí)，將夾具上的刻線位置目視對正改為定位塊固定槽定位，確保零件加工符合設(shè)計(jì)要求角度。

滾棒離合器保持架槽口R2的加工方式由銼修改為銑床加工。工藝上明確在相鄰表面形成的棱邊須打磨圓滑，使整個(gè)圓弧與相鄰表面形成圓滑轉(zhuǎn)接，防止出現(xiàn)棱邊凸起。

控制彈簧加工長度在中上限水平，同時(shí)加強(qiáng)彈簧加工時(shí)表面質(zhì)量的控制。

結(jié)語

通過對起動(dòng)發(fā)電機(jī)分解檢查，發(fā)現(xiàn)滾棒離合器彈簧斷裂后，對彈簧故障件開展理化分析、相關(guān)尺寸檢查、彈簧變形理論計(jì)算、機(jī)理分析、前蓋板制造過程復(fù)查、彈簧表面的脫碳檢查等一系列工作，探究彈簧斷裂失效的主要因素，進(jìn)而找出起動(dòng)發(fā)電機(jī)故障原因，為制定改進(jìn)措施，完善優(yōu)化工藝，提升彈簧及相配件加工和裝配質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]李海霞，黃亮，李興東，等.某電廠高壓調(diào)節(jié)閥輔助彈簧斷裂分析[J].中國重型裝備，2017（4）：45.

[2]齊杏林， 劉加凱， 單寧. MEMS 平面W 型彈簧變形特性研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2013（6）：774-775.

[3]潘文仕.碟形彈簧失效分析與改進(jìn)措施[J].機(jī)械工程師，2016（9）：256-257.