棘轮离合器疲劳裂纹原因分析

2014-11-28陈礼顺杜锐锋刘新灵

失效分析与预防 2014年1期

陈礼顺，杜锐锋，刘新灵

(1.中国人民解放军5713 工厂，湖北襄阳 441002；2.北京航空材料研究院中航工业失效分析中心，北京 100095)

0 引言

航空发动机将起动机与发电机作为一体，称为起动-发电机。发动机起动时，作为直流电动机，输入直流电后驱动发动机转子旋转;起动后，作为发电机，由发动机驱动，向飞机提供直流电源。起动-发电机作为起动机时，需要有较大的扭矩作用于发动机转子上，因此起动机需减速后带动发动机转子;发动机正常工作时，转子转速较高，一般都在10 kr/min 以上，而发电机转速则较低，一般约为8 kr/min，发动机转子需减速后传动发电机，因此在附件传动机构中设置了一套双速传动装置，包括棘轮离合器、滚棒离合器和摩擦离合器，来满足起动-发电机在两种状态下的传动比要求。发动机起动时，起动-发电机通过棘轮离合器减速地带动发动机转子旋转［1］。

棘轮离合器是超越离合器的一种，依靠主、从动部分的相对运动速度变化或旋转方向的变换按照要求及时正确地接合、脱开的离合器［2］。它具有尺寸小、重量轻、承载能力高、传动平稳、寿命长、啮合可靠性高等特点，在航空发动机传动系统中应用十分广泛［3］。

随着航空发动机传动技术的发展，对棘爪离合器的转速要求越来越高，棘爪承受的扭矩越来越大，特别是近年来，航空发动机的使用寿命越来越长，在发动机使用过程中棘爪出现裂纹导致破裂、掉块的故障也越来越多，严重时导致发动机停车故障，影响飞行安全;因此，开展对棘爪离合器棘爪产生裂纹的技术研究具有重要的理论意义和工程价值［4］。

1 故障现象

飞机在起飞前按开飞程序做相关的准备工作，当进行地面试车时，发动机多次起动不成功，故障现象为起动信号灯亮，电机轴转，高低压转子转速表无指示。该机本次工作时间为114 h 30 min，总工作时间为713 h 35 min。

2 故障原因分析

2.1 发动机起动不成功的原因分析

根据对上述故障现象的分析，结合发动机工作原理以及排故经验，给出如图1 所示的故障树，进行故障定位，以确定最终造成故障的原因。

经过孔探仪反复检查，压气机叶片、涡轮叶片、导向器叶片均无烧伤、变形、掉块等机械损伤;转动发动机高低压转子，转子转动灵活，没有异常现象，轴承未出现抱轴现象;检查油门拉杆间隙，拉杆间隙在合格范围内;检查电源车容量，容量符合要求;检查转速操纵盒协动转速，协动转速符合要求，说明TQ 电门、QD 电门没有故障;用三用表检查101 总电缆相关插销的电阻，均符合要求，也未出现接触不良的现象;更换合格主泵后地面试车，故障再现，排除了主泵出现故障的可能性;分下起动发电机，传动轴未出现断裂情况，更换合格发电机后试车，故障未排除;检查滑油滤，发现滑油滤网上有大量金属屑，初步确定附件传动部件机械损伤。分下双速传动机构，打开机匣盖，发现里面有大量的金属屑，棘轮离合器的3 个离合子均已脱落，2 个离合子已经断成很多细小的碎块，1 个离合子磨损卡死在甩平位置，限动销钉还保持在原来的位置，有压痕，损坏不大;弹簧销钉断裂磨损，弹簧被打碎;离合子座被严重撞击，磨削;棘轮内侧锯形齿上有明显的压痕，磨痕;球轴承、滚棒轴承均有压痕，滚棒离合器上的传动齿轮打伤破碎掉块，摩擦离合器、主动齿轮、联轴器均磨损严重，机匣壳体、机匣盖磨损严重(图2)。

图1 发动机起动不成功故障树Fig.1 Fault tree for startup failure of engine

图2 双速传动装置组合件失效实物照片Fig.2 Appearance of the failed two-speed driving system

很显然，造成飞机地面起动不成功的原因是棘轮离合器3 个离合子脱落而导致的棘轮离合器功能失效。

2.2 棘轮离合器的结构及工作原理

棘轮离合器由棘轮、离合器支撑销、离合器销子、离合器弹簧、棘爪和拨轮组成，在弹簧的作用下，棘爪前端始终朝上，嵌在棘轮的齿槽中。当发动机起动时，由于发动机转速较小，离合子的惯性离心力的作用小于弹簧张力的作用，离合子与棘轮处于啮合状态。离合器使棘轮离合器安装座转动，经过传动齿轮、传动轴减速带动发动机高压转子转动，传动比为2.259［5］。当发动机高压转子转速n2达到31%～33%时，棘轮离合器的离合子由于惯性离心力的作用大于弹簧张力的作用，棘爪末端甩出，以离合器销子为圆心旋转，棘爪前端克服离合器弹簧的弹力后与棘轮齿槽槽底分离，棘爪处于脱开状态，棘轮和拨轮以各自转速旋转，互不干涉，起动发电机不能通过棘轮离合器传动高压转子。相反，发动机高压转子却通过主传动轴相连接的轴带动齿轮、滚棒离合器、摩擦离合器减速驱动发电机工作，传动比为1.341［6］。棘轮离合器零件图见图3。

2.3 离合子脱落的原因分析

根据对故障件的检查情况、棘轮离合器的工作原理、查阅技术文件、图纸资料以及排故经验，建立离合子脱落的故障树(图4)，进行故障定位，以确定离合子脱落的故障原因。

经过对金属碎块进行仔细地拼接，未发现多余物;同时由于飞机已经工作了114 h 30 min，如果存在多余物的话，该故障应该早已经出现，排除了双速传动机构内部损坏是多余物打伤的可能性;如果离合子本身存在隐性裂纹，在修理过程中未检查出来，那么在发动机多次起动过程中，隐性裂纹会不断扩展直至断裂，裂纹扩展到断裂大约在发动机工作30 h，而该架飞机已经工作了114 h 30 min，起落了153 次，发动机起动至少180 次，因此离合子本身存在隐性裂纹修理中漏检的可能性也可以排除。

图3 棘轮离合器零件图Fig.3 Parts drawing of ratchet clutch

图4 离合子脱落的故障树Fig.4 Fault tree for breaking off of pawl

如果在起动初期因某种原因突然收油门，或者发动机没有停转而再次起动发动机，也有可能造成离合子打坏脱落。起动初期，传动力矩很大，突然收油门可能打坏离合子;发动机停车时，在高压转子转速下降过程中，滚棒离合器仍未脱开，棘轮离合器的离合子因转速较小，不在甩平位置，如果在高压转子停止转动前，给起动发电机通电再次起动，起动发电机就会带动棘轮与离合子相撞，巨大的撞击力可能撞坏离合子。这种损坏是突变的，而从离合子、传动齿轮等机件被打成碎片、轴承磨损、机匣壳体金属屑可以推断双速传动机构打伤是一个渐变过程;因机务人员操作不当导致棘轮离合器脱落的可能性很小。

查棘爪设计图纸，设计图纸要求棘爪内圈的4 个角①、②、③、④要进行R 1～1.5 mm 倒圆，如图5 所示。经检查，棘爪内圈4 个角未倒圆，基本成直角，这容易产生应力集中，在棘爪工作过程中，经反复结合与脱开的大扭矩传动中，可能导致微裂纹继而出现疲劳裂纹［8］。

图5 棘爪裂纹示意图Fig.5 Schematic illustration of the fractured pawl

从故障件可以看出，棘轮离合器的3 个离合子脱落，限动销钉完好，可以确认离合子在固定销钉处断裂，固定销钉靠近棘爪内圈4 个角处;从离合子座上严重的磨压痕迹及离合子的破坏痕迹可以判断该断裂的离合子曾经卡滞在棘轮内，使离合子座和棘轮处于很大的受力状态。离合子座的受伤痕迹均处于旋转方向，可以判断离合子座作为施力件，棘轮作为受力件造成的，即离合子座带动棘轮转动产生的，在工作过程中，由于应力集中，微裂纹在棘爪内圈某个角处产生。在大转速、大离心力作用下，微裂纹得以扩展，产生疲劳裂纹继而断裂脱落，脱落件在工作中不断地打伤其它机件，包括另外2 个棘爪。在这个过程中，脱落件会卡在棘轮离合器内，高压转子通过附件机匣内的传动齿轮带动双速传动机构中的大传动齿轮转动，大传动齿轮增速带动离合子座转动，由于离合子卡在棘轮离合器内，离合子座带动棘轮转动，棘轮增速带动滚棒离合器外环转动，滚棒离合器外环的转速将大于星形轮的转速，滚棒脱开，滚棒离合器处于“离开”状态，发动机高压转子将会以2.259［6］的增速比带动起动发电机旋转，传动关系由滚棒离合器、摩擦离合器带动电机转动变为棘轮离合器、摩擦离合器带动电机转动。若发动机的转速为10 kr/min，则起动发电机的转速为22.59 kr/min，大大超过发电机的最高转速，起动发电机转子所承受的离心力是允许最高转速状态的6.3 倍［7］，破坏力很大，就会造成棘爪打成碎片，齿轮打伤掉块、机件磨损报废等故障现象;因此，由于制造缺陷导致棘爪产生疲劳裂纹直至脱落的可能性非常大。

当S 杂质含量超标时，部件内基体与夹杂比较容易分离，材料内部组织结合力差。在反复结合与脱开的大扭矩传动中易导致了微裂纹得发生，在反复的疲劳冲击作用下微裂纹受到疲劳扩展，严重时发生棘爪过载瞬断裂、脱落，产生上述的故障现象。

2.4 裂纹断口分析和化学成分分析

由于该台发动机棘爪完全破坏，无法进行棘爪断口分析。为避免在修理过程中出现棘爪裂纹漏检的可能性，将三爪离合器由整体磁探改为单个棘爪进行磁粉探伤检查。通过整体磁探探伤合格的30 个棘爪采用单个棘爪磁探，发现有7 个棘爪内圈R 处有磁痕显示(图5)。

为确定裂纹的真实性，对这7 个棘爪进行着色探伤检查，发现有3 个棘爪有裂纹迹象，将这3个棘爪沿磁痕显示处剖开裂纹，采用扫描电镜对断口表面进行观察，结果显示:在裂纹源区附近有扇形疲劳弧线和发散状的疲劳条带，后面的区域较平整，疲劳条带的区域占整个断口的比例较小，为疲劳裂纹。进一步做化学成分分析，发现棘爪中S 含量超过0.03%(质量分数)。

从故障树分析、棘爪裂纹断口分析和化学成分分析可知，产生该故障的原因是棘爪在工作过程中断裂、脱落，双速传动机构功能失效导致发动机起动不成功;棘爪脱落的可能原因一是制造加工时棘爪内圈4 个角处未按设计要求倒圆，工作中由于应力集中产生疲劳裂纹，二是S 含量超标导致棘爪在工作中产生疲劳裂纹，裂纹进一步扩展发生断裂脱落故障。