許洪明 ，曹 航 ，劉 芳 ，葛向東 ，黃福增 ，周 羽

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，2.遼寧省航空發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：沈陽 110015）

0 引言

棘輪離合器是超越離合器的一種，是依靠主動(dòng)、從動(dòng)部分的相對運(yùn)動(dòng)速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換自動(dòng)結(jié)合或脫開的離合器[1]。棘輪離合器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)和傳動(dòng)裝置的重要組成部分。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電機(jī)軸帶動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)，棘輪齒槽頂住棘爪驅(qū)使傳動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪離合器處于合閘狀態(tài)；當(dāng)安裝座的轉(zhuǎn)速大于棘輪轉(zhuǎn)速時(shí)，棘爪被棘輪齒槽的斜面壓下，使棘爪與棘輪齒槽槽底分離，棘輪和安裝座以各自轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，互不干涉[2]。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，對棘爪離合器的轉(zhuǎn)速要求越來越高，棘爪承受的扭矩越來越大，在使用過程中棘爪出現(xiàn)裂紋和發(fā)生斷裂故障有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車，影響使用安全。因此，開展棘輪離合器棘爪斷裂故障的技術(shù)研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值[3]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)，棘輪與棘爪接觸前存在一定的轉(zhuǎn)速差，在實(shí)際接觸時(shí)棘輪和棘爪會產(chǎn)生碰撞。在棘爪設(shè)計(jì)時(shí)一般會考慮正常使用過程中由于碰撞產(chǎn)生的沖擊載荷影響，并預(yù)留一定的安全系數(shù)儲備。宋成軍等[4]、沈小剛等[5]進(jìn)行了離合器棘爪的碰撞問題分析，研究了碰撞產(chǎn)生的原因和影響；周曉等[6]、冀相安等[7]、侯升亮等[8]、宋萬成等[9]開展了棘輪棘爪碰撞過程的沖擊仿真工作，獲得了棘爪沖擊過程的響應(yīng)；蘇文斗等[10]、朱湘衡等[11]分析了離合器嚙合過程中動(dòng)力學(xué)特性；楊薇等[12]、黃霞等[13]、李潤方[14]等通過研究齒輪嚙合過程給出了動(dòng)載荷系數(shù)分析的過程和方法；陳禮順等[15]開展了棘輪棘爪反復(fù)作用過程中產(chǎn)生的疲勞裂紋失效模式分析；Zhang等[16]采用有限元法開展了給定沖擊載荷位置狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題；Chandasekaran等[17]開展了齒輪沖擊載荷與剛度的關(guān)系研究。上述學(xué)者的分析和研究揭示了棘輪棘爪的承載和受力過程，以及相應(yīng)沖擊載荷下的響應(yīng)，分析方法和研究成果對棘輪離合器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和碰撞、沖擊分析提供了重要幫助；但分析研究的沖擊載荷主要由正常工作過程中的棘輪棘爪嚙合過程引起，且多數(shù)研究內(nèi)容為分析獲得，而在離合器工作過程中對于異常出現(xiàn)的沖擊載荷較難預(yù)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)很難考慮周全。

本文通過仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對某燃?xì)廨啓C(jī)棘輪離合器棘爪斷裂故障進(jìn)行分析，確定了導(dǎo)致棘爪斷裂的主要原因。

1 棘輪離合器故障現(xiàn)象

某燃?xì)廨啓C(jī)棘輪離合器由棘輪、支撐銷、離合器銷子、彈簧、棘爪和傳動(dòng)齒輪等零件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理：起動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)，棘輪的齒槽頂住棘爪，由離合器銷子驅(qū)使傳動(dòng)齒輪與棘輪一起旋轉(zhuǎn)，經(jīng)機(jī)匣內(nèi)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子起動(dòng)；在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，高壓軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、對應(yīng)棘爪達(dá)到臨界脫開轉(zhuǎn)速以上時(shí)，離合器脫開，傳動(dòng)齒輪隨高壓軸轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪和起動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)。某離合器在使用過程中，附件機(jī)匣部位出現(xiàn)了3、4 次金屬碰摩的異常聲音，而且振動(dòng)值有較大波動(dòng)并伴隨有尖峰狀變化，分解檢查發(fā)現(xiàn)棘輪離合器上3 個(gè)棘爪均發(fā)生了斷裂，如圖2、3 所示。斷口分析和材質(zhì)分析結(jié)果表明，棘爪為拉伸過載斷裂，材質(zhì)成分和硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 棘爪斷裂形貌

2 故障原因分析

2.1 故障樹

為分析棘爪斷裂故障原因，編制故障樹如圖4 所示，各項(xiàng)底事件排查見表1。鑒于故障樹底事件內(nèi)容較多，圖4和表1僅列出了主要排查項(xiàng)目。經(jīng)排查，結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工、均分度等底事件均未發(fā)現(xiàn)明顯異常，可基本排除；主要就棘爪強(qiáng)度是否滿足要求和是否存在異常載荷導(dǎo)致棘爪斷裂進(jìn)行分析，開展的主要工作包括：棘爪強(qiáng)度分析，靜力試驗(yàn)研究，沖擊試驗(yàn)研究和起動(dòng)電機(jī)扭矩測量等。

表1 棘爪斷裂故障樹底事件排查

圖4 棘爪斷裂故障樹

2.2 棘爪強(qiáng)度和壽命分析

棘爪設(shè)計(jì)狀態(tài)為3 爪同時(shí)承載，但考慮實(shí)際加工精度影響，棘爪在實(shí)際工作狀態(tài)下很難保證3 爪同時(shí)承載，最極限狀態(tài)為單爪承載。本文對棘爪進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，按單爪承載狀態(tài)考慮。

棘爪受力分析如圖5 所示。其中Fg為棘輪和棘爪間的相互作用力，F(xiàn)1為棘爪和支撐銷間的作用力，F(xiàn)r為棘爪與制動(dòng)裝置間的作用力，F(xiàn)1和Fr可根據(jù)棘爪載荷平衡關(guān)系由Fg計(jì)算獲得。實(shí)際測量起動(dòng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最大可能輸出起動(dòng)扭矩M=630 N·m。單爪承載時(shí)，根據(jù)力的平衡方程計(jì)算可得Fg=M/r=630/0.0424=14858.5 N，F(xiàn)1=22104 N，F(xiàn)r=10098 N。

圖5 棘爪和銷釘承載

理論分析結(jié)果：棘爪的薄弱環(huán)節(jié)為耳片部位，在F1作用下的載荷分解如圖6 所示。將載荷F1分解到a-a 和b-b 截面，計(jì)算棘爪耳片的抗拉伸強(qiáng)度安全系數(shù)；將F1按雙剪切面分解到c-c 和d-d 截面，計(jì)算棘爪耳片的抗剪切強(qiáng)度安全系數(shù)。單爪承載時(shí)，棘爪安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2，極限強(qiáng)度安全系數(shù)最低為1.77，棘爪滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表2 單棘承載時(shí)強(qiáng)度理論分析結(jié)果

圖6 棘爪載荷分解

有限元仿真分析結(jié)果：模型和應(yīng)力如圖7 所示，主要薄弱部位為b-b截面耳片內(nèi)側(cè)（圖6）。單個(gè)棘爪承載時(shí)，棘爪耳片處b-b截面的名義應(yīng)力為696 MPa，極限強(qiáng)度安全系數(shù)1.65，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。此外，耳片處存在應(yīng)力水平較大的局部應(yīng)力集中點(diǎn)，最大單點(diǎn)應(yīng)力2200 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約3.16，采用名義應(yīng)力法并考慮應(yīng)力集中系數(shù)影響計(jì)算棘爪壽命：單個(gè)棘爪承載時(shí)的壽命約為11350（-3σ 值），2 爪時(shí)為128612，3 爪承載時(shí)壽命超過107，均能滿足2000 次的疲勞壽命設(shè)計(jì)要求。

圖7 棘爪仿真分析模型及應(yīng)力

2.3 棘爪靜力試驗(yàn)

靜力試驗(yàn)?zāi)康臑楂@得靜載狀態(tài)下的棘爪破壞模式和破壞載荷，驗(yàn)證強(qiáng)度分析的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)安裝加載方案如圖8 所示，試驗(yàn)裝置如圖9 所示。試驗(yàn)載荷按扭矩630 N·m 設(shè)計(jì)，取單個(gè)棘爪承載時(shí)的最大載荷Fg＝14859 N 作為試驗(yàn)考核載荷。試驗(yàn)結(jié)果見表3，破壞模式如圖10 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：

表3 棘爪靜力試驗(yàn)結(jié)果

圖8 棘爪靜力試驗(yàn)工裝和試驗(yàn)方案

圖9 棘爪靜力試驗(yàn)裝置

圖10 棘爪靜力試驗(yàn)破壞模式

（1）棘爪平均破壞載荷為25.1 kN，試驗(yàn)現(xiàn)象為雙耳片屈服后，單個(gè)耳片發(fā)生斷裂；

（2）單個(gè)棘爪承載的極限強(qiáng)度安全系數(shù)為1.69，介于強(qiáng)度理論分析（1.77）和有限元分析結(jié)果（1.65）之間，兩種分析方法的誤差分別為4.7%和2.4%。

2.4 棘爪抗沖擊試驗(yàn)

根據(jù)上述強(qiáng)度分析和靜力試驗(yàn)結(jié)果，單個(gè)棘爪承載狀態(tài)可以滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。為分析棘爪在沖擊載荷作用下承載能力和破壞模式，規(guī)劃開展了棘爪抗沖擊能力試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如圖11 所示，棘爪工裝和加載位置與靜力試驗(yàn)相同，沖擊載荷通過擺錘施加，試驗(yàn)裝置如圖12所示。

圖11 沖擊試驗(yàn)方案

圖12 沖擊試驗(yàn)裝置

在沖擊試驗(yàn)中，沖擊載荷的確定與沖擊作用時(shí)間密切相關(guān)，為更加準(zhǔn)確的測得沖擊過程中相互作用時(shí)間，分別采用加速度傳感器（采樣率100 kHz，誤差0.01 ms）和高速攝像的方式測量沖擊時(shí)間，其中，加速度傳感器分別安裝在棘爪工裝和擺錘上。通過棘爪工裝和擺錘的加速度變化規(guī)律共同分析確定沖擊時(shí)間，再通過高速攝像裝置記錄的沖擊試驗(yàn)過程對撞擊時(shí)間進(jìn)行輔助判定，以最終確定沖擊時(shí)間，計(jì)算沖擊載荷。

沖擊試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果見表4，擺錘初始能量300 J，棘爪斷裂消耗能量約170 J，傳感器測得的工裝和擺錘加速度變化規(guī)律如圖13 所示，高速攝像設(shè)備采集的沖擊過程如圖14所示，棘爪破壞模式如圖15所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：加速度傳感器測得的沖擊時(shí)間與高速攝像裝置采集的沖擊時(shí)間（見表5）非常接近，最短為1.39 ms，換算最大沖擊載荷為28.5 kN；部分棘爪出現(xiàn)了與故障現(xiàn)象相似的破壞模式（耳片雙面斷裂），部分棘爪出現(xiàn)了與靜力試驗(yàn)相似的破壞模式（屈服后耳片單面拉伸斷裂）。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 高速攝像撞擊時(shí)間

圖13 沖擊過程加速度變化規(guī)律（試驗(yàn)件3）

圖14 擺錘與棘爪沖擊過程

圖15 棘爪沖擊破壞模式

2.5 棘爪斷裂原因分析

棘爪靜力試驗(yàn)測得的單個(gè)棘爪靜力破壞載荷為25.1kN，單個(gè)棘爪可承受的最大靜扭矩為1064 N·m；而起動(dòng)電機(jī)正常起動(dòng)狀態(tài)的最大扭矩不超過400 N·m；因此，正常起動(dòng)過程中的扭矩不會造成棘爪斷裂。

棘爪沖擊試驗(yàn)測得的單個(gè)棘爪沖擊破壞載荷25.7~28.5 kN，換算扭矩為1089~1208 N·m；如起動(dòng)過程中存在較大的沖擊載荷，則可能超過單個(gè)棘爪的抗沖擊能力，導(dǎo)致棘爪破壞。根據(jù)沖擊試驗(yàn)和發(fā)生斷裂故障的棘爪破壞模式分析可知，故障發(fā)生時(shí)的沖擊載荷要明顯高于棘爪抗沖擊試驗(yàn)的載荷狀態(tài)。因此，結(jié)合理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為棘爪斷裂的原因?yàn)槠饎?dòng)過程中存在較大的沖擊載荷，超過了棘爪的承載能力，導(dǎo)致棘爪瞬時(shí)過載斷裂。

為分析起動(dòng)過程中是否存在較大的沖擊載荷，實(shí)際測量了電機(jī)起動(dòng)過程中的扭矩變化規(guī)律，如圖16所示。由測量結(jié)果可知：在起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)后的第13 s附近，存在明顯的電流突降和突升現(xiàn)象；電流突降時(shí)，棘輪暫時(shí)失去驅(qū)動(dòng)力，與棘爪無相互作用；電流突升時(shí)，起動(dòng)電機(jī)軸又會以非常高的功率狀態(tài)重新驅(qū)動(dòng)棘輪高速旋轉(zhuǎn)，與棘爪產(chǎn)生碰撞，瞬時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊載荷（實(shí)測最高約630 N·m，受采樣頻次限制，實(shí)際載荷可能更高）。由于電流突升的過程非常短暫，動(dòng)載荷系數(shù)較大，當(dāng)載荷超過棘爪的承載極限（動(dòng)載荷系數(shù)1.7以上時(shí)），則會引起棘爪瞬時(shí)過載斷裂。

圖16 起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)過程扭矩變化規(guī)律

本次故障中電流突降突升是由于工作過程中電機(jī)控制器敏感到過熱信號，溫度開關(guān)失效導(dǎo)致的控制器電流短時(shí)停止輸出后又迅速復(fù)位恢復(fù)造成的，已通過改進(jìn)溫控開關(guān)優(yōu)化程序解決。

綜上所述，棘爪斷裂的原因?yàn)?，起?dòng)電機(jī)在起動(dòng)過程中因電流突降突升產(chǎn)生的較大沖擊載荷超過了棘爪的實(shí)際承載能力，致使棘爪發(fā)生了斷裂故障。

2.6 離合器許用載荷分析

沖擊載荷的動(dòng)載荷系數(shù)與實(shí)際沖擊過程相關(guān)，沖擊過程越短暫，動(dòng)載荷系數(shù)越大，當(dāng)沖擊載荷超過棘爪或連接結(jié)構(gòu)的承載能力時(shí)，會造成棘爪或連接結(jié)構(gòu)的損傷甚至破壞。根據(jù)上述試驗(yàn)和分析結(jié)果，考慮起動(dòng)過程中棘輪和棘爪碰撞時(shí)的沖擊載荷影響，取1.5倍安全系數(shù)，計(jì)算得到了某型燃?xì)廨啓C(jī)棘輪離合器單個(gè)棘爪承載狀態(tài)下的起動(dòng)電機(jī)許用輸出扭矩為407 N·m，對應(yīng)靜載安全系數(shù)為2.61，如按照棘爪材料屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)，單個(gè)棘爪承載時(shí)允許的許用沖擊扭矩為361 N·m。上述許用載荷可用于指導(dǎo)該離合器的改進(jìn)設(shè)計(jì)工作。

3 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)過程中，棘輪驅(qū)動(dòng)棘爪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，起動(dòng)扭矩會逐漸變大，沖擊效果并不明顯；但當(dāng)起動(dòng)電流發(fā)生異常突降突升時(shí)，棘輪和棘爪重新接觸的瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊載荷。

（2）通過理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定了棘輪離合器棘爪斷裂的原因，給出了棘爪實(shí)際承載能力和起動(dòng)電機(jī)許用輸出扭矩，分析方法和分析結(jié)果可為棘輪離合器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和斷裂故障分析提供參考。

（3）確保電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作，避免產(chǎn)生額外的異常電流突降和突升，能有效降低棘爪受到過大沖擊載荷的概率，避免故障發(fā)生。

（4）在棘爪設(shè)計(jì)和加工時(shí)，應(yīng)盡量保證設(shè)計(jì)和加工精度，避免出現(xiàn)單個(gè)棘爪承載的現(xiàn)象，在2爪或3爪承載的狀態(tài)下，即使存在較大的沖擊扭矩，棘爪也能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。