某型发动机杯型锁片卡爪变形故障分析及改进

郑四德 芦才军 苗国磊

摘要：某型发动机试车后发现自制杯型锁片卡爪处变形。为查找故障原因，从锁片工作状态、装配过程、锁片自身技术状态等方面开展了分析研究，分析结果表明，锁片卡爪变形并非在工作过程中产生，而是由于装配过程及热处理条状态两方面综合影响的结果，并就此提出改进措施。

关键词：杯型锁片；热处理；硬度；装配润滑

Keywords：cup-shaped lock；heat treatment；hardness；assembly lubrication

1 故障背景

某型發动机压气机前轴颈杯型锁片的作用是防止1#轴承压紧螺母在工作时反转松脱，工作时随压气机同时转动，不允许螺母与锁片出现相对运动。

在对某台发动机进行2h地面试车后的分解检查中，发现搭载的防压气机1#轴承锁紧螺母反转松脱的自制杯型锁片卡爪发生了沿周向3～5mm的挤压变形，锁片与螺母接触端面有0.1～0.3mm不同方向的划痕，卡爪两边应力削减槽未发现裂纹。压紧螺母及前轴颈螺纹杆未见异常。经判断，该锁片的锁紧功能已失效。变形故障情况如图1所示。

为分析锁片卡爪变形原因，从锁片工作状态、锁片的装配过程及锁片表面硬度等几个方面开展了分析研究。本研究思路、结果及提出的解决措施可为其他型号的同类故障分析提供参考。

2 故障机理分析

2.1 锁片工作状态分析

为了判断锁片卡爪变形是否因转子运转过程中锁紧螺母发生相对转动而造成，对锁紧螺母及轴颈进行分解检查。复查分解力矩，略大于装配力矩，说明工作时未发生螺母反转松动。同时，检查螺母及轴颈螺纹表面，均未发现螺纹拉伤、变形等相对运动产生的异常痕迹。同时，分解时发现锁片与螺母为抱死锁紧状态。以上检查显示，锁片转动时与螺母未发生相对转动，且螺母未发生异常转动，表明锁片变形并非在发动机运转过程中造成。

2.2 装配过程分析

由于装配空间狭小，无法对装配后的锁片状态进行观察，为了弄清卡爪变形是否由于装配过程中锁片在锁紧螺母的摩擦力作用下产生相对滑动而造成，首先采用有限元方法计算不同摩擦力条件下锁片的周向变形情况（见图2a），为便于比较变形与摩擦系数的变化关系，对周向变形进行了归一化处理（见图2b）。结果显示，当摩擦系数大于0.1时，产生的摩擦力会使变形急剧增加。

为了进一步验证锁片与螺母表面接触的粗糙度对卡爪变形的影响，选取4件自制锁片，分别在与螺母接触表面上涂覆不同厚度、不同面积的石墨润滑脂进行装配试验。结果显示，自制锁片卡爪发生了0.5～1mm不同程度的变形，说明锁片表面良好的润滑状态可以避免锁紧螺母带动锁片转动，从而避免发生卡爪变形。

2.3 锁片硬度分析

为了弄清自制锁片抵抗变形能力是否与OEM件一致，将自制锁片与OEM件（均未涂抹润滑剂）进行装配对比。OEM锁片卡爪沿周向发生了大变形（见图3a），其变形形貌与故障锁片基本一致，自制锁片卡爪则发生剪切断裂（见图3b）。此试验结果表明自制锁片变形的重要原因之一是锁片表面润滑不充分，另外也表明自制锁片抵抗变形的能力低于OEM件。

进一步查找导致自制件抗变形能力相对较弱的原因。对自制件与OEM件的硬度进行对比分析，发现自制件（A热处理条件）硬度较OEM件下降25%左右，如表1所示。

为分析热处理状态对锁片硬度的影响，分别将采用了低温（350℃～400℃）热处理及无热处理的两种自制锁片的硬度值与OEM件进行比较（见表1）。结果表明，无热处理的锁片与OEM件硬度一致，经过低温（350℃～400℃）热处理后硬度值有所下降，但不明显。

综上分析认为，该锁片失效的另一个原因是热处理采用的固溶温度（1050℃）使其硬度急剧下降，导致锁片卡爪抵抗变形的能力有所降低。

3 改进措施

造成此次杯型锁片卡爪变形的原因主要有两个方面：一是在装配过程中锁片表面润滑不充分，在摩擦力作用下锁片和锁紧螺母一起运动导致卡爪变形；二是由于热处理温度相对较高，使得自制件材料硬度下降，导致结构抵抗变形的能力有所降低。

针对上述分析结果，提出以下解决措施。

1）装配时用麂皮布在锁片与螺母接触平面涂覆一层均匀的石墨润滑脂，使螺母对锁片充分润滑而不产生旋转力矩。

2）拧紧前，用记号笔在锁片外表面与轴承的同一位置进行标记，便于目视判断锁片是否出现周向变形。

3）取消自制件的处理过程，使其表面色泽和心部硬度与OEM件保持一致。

4 试验验证

为验证以上分析结论及解决措施的正确性，对自制锁片取消了热处理，装配时用麂皮布在锁片的内端面涂覆一层均匀的石墨润滑脂，并用记号笔标记装配位置。

从标印记号来看，锁片装配后未发生转动。经过2h地面台架试车后，分解检查自制锁片未发生任何有害变形，且变形值低于OEM件。试验结果表明本文分析结论正确，提出的改进措施可行。

作者简介

郑四德，高级工程师，研究方向为航空发动机维修设计与管理。