某空气涡轮起动机离合器脱开失效故障分析

叶泳

摘 要：本文对某空气涡轮起动机离合器脱开失效故障进行介绍，通过建立故障树详细分析得出，离合器润滑系统设计缺陷为起动机离合器故障的原因。对起动机离合器及轴承的结构进行改进，对起动机的输出轴进行改进，对离合器润滑结构进行改进，并重新选择离合器型号后，改进的空气涡轮起动机进行试验验证，起动机功能性能正常，改进措施有效，故障消除。

关键词：空气涡轮起动机;离合器;脱开失效故障

1 引言

某空气起动机在工作运行时，监测到空气涡轮起动机超转50%，控制器控制空气涡轮起动机停车。拆下空气涡轮起动机，起动机目视检查产品外观良好，逆时针转动起动机输出轴涡轮不转，顺时针转动输出轴涡轮旋转，卡滞现象明显，证明离合器功能损坏。分解检查发现，

离合器上堆积大量含金属屑的油泥，清洗后发现离合器滚子与环形齿轮接触表面磨损，离合器处的轴承保持架破裂，离合器外轴底部存在大量金属屑，其余零组件无明显异常[1]。

2 故障原因分析

损坏的轴承为深沟球轴承，与厂家共同分析保持架断裂的结果为：轴承润滑不良造成轴承内、外圈高温变形，使轴承径向游隙减少，轴承滚子受到内外圈的挤压，转动不均匀，拉扯保持架，造成保持架撕裂。厂内对保持架断口进行分析，断裂的原因为过载断裂[2]。

以离合器脱开功能失效为顶事件开展故障树分析，具体如下：

2.1离合器选型不当

产品选用正在使用的，转速、功率量级相当斜撑离合器。该离合器已随其他型号完成工况相当的1000小时超越旋转试验，选型合适。

该项底事件可以排除。

2.2加工问题

离合器采购进口件，对故障件离合器滚子材料进行化验结果为接近GCr15。随机测量3个离合器滚子硬度，结果为：HV700、HV684、HV698。

对离合器配合尺寸进行计量，环形齿轮由于磨损严重无法计量，从库房随机一件同批次新品零件进行计量，结果满足图样要求。

该项底事件可以排除。

2.3油路设计缺陷

当起动机处于超越状态时，离合器外轴隨输出轴被带转，带动滑油泵持续工作，保证滑油泵向离合器持续供油。

滑油泵将油池底部的滑油抽吸上来，经喷口喷到离合器。因喷口角度问题，大部分的滑油被零件挡住无法喷入，离合器实际润滑效果较差。离合器轴承位于死腔内，滑油难以通过高速旋转离合器进入轴承处，油路不通畅，长时间工作容易造成轴承局部高温和磨损杂质堆集，润滑结构设计不合理。

该项底事件不可以排除。

2.4滑油泵供油不足

计算滑油泵流量，验证滑油泵供油能力。根据计算，滑油泵的供油能力为2.063L/min，目前起动机选用的离合器滑油需求为不小于1.4L/min，因此供油流量可以满足离合器润滑需求。

该项底事件可以排除。

2.5初始加油量不足

产品各处静密封均采用O型胶圈进行密封，实际使用过程中未发现漏油。检查动密封处未发生漏油。

该项底事件可以排除。

综上所述，离合器脱开失效是由于滑油油路设计缺陷导致润滑不良，造成离合器磨损。

3 机理分析

根据起动机运行情况，离合器是在起动完成后超越旋转时损坏。起动机为独立润滑式，超越旋转期间离合器和离合器轴承一直被发动机反带，是发热最为严重的工况。因滑油喷口角度设计不合理，大部分的滑油被零件挡住无法喷入离合器，达不到预计的润滑效果，易发生离合器滚子表面磨损产生杂质。

轴承位于死腔内油路不通畅，仅少量滑油经由高速旋转离合器进入轴承处，轴承散热艰难内外圈发生高温变形，滚子转动不均匀拉扯保持架撕裂，破碎的保持架碎屑进入离合器滚子部位，加剧离合器部分滚子与内圈磨损，造成离合器脱开失效。

4 纠正措施和验证情况

主要改进如下：

a）结构设计

改进内部结构，对离合器处的安装结构和润滑方式进行了重新设计，改进了输出轴的设计。环形齿轮用两个轴承支承在离合器壳体上，用螺母轴向压紧;离合器用两个轴承支承在环形齿轮和离合器内轴之间;输出轴和离合器内轴用花键传递扭矩。

b）离合器改进设计

离合器更改为另外一型成熟离合器高速超越离合器，改型离合器的最大脱开转速、再接转速、最大持续超越运转转速、额定起动扭矩、极限扭矩均满足要求，且由于原离合器。摩擦力矩起动机正常起动时，由外圈驱动内圈传递扭矩;起动成功后，离合器处于超越状态，内圈转速保持在与发动机相同转速。

c）起动机输出轴结构优化

输出轴承剪段尺寸沿用承剪段的材料、尺寸及热处理技术要求，保证承剪扭矩不变。与离合器内轴联接的花键根据承剪段的尺寸进行了重新设计，保证其承载能力大于承剪段。输出轴沿用原输出轴设计，保证与发动机接口不变。输出轴轴向留出退让空间6.5mm，保证超越旋转失效时实现保护切断[3]。

d）滑油润滑设计

起动机整体为独立润滑，行星齿轮和和轴承部分浸入油池飞溅润滑;离合器一部分浸泡在油液中，一部分靠安装在离合器内轴上的离心泵润滑。滑油经齿轮座上的滑油流道经齿轮泵抽吸进入离合器内轴的腔内，在离心力的作用下，从离合器内轴上均布的小孔从甩出给离合器润滑。滑油油位高度一方面需要保证行星齿轮系的润滑，油位过高则滑油搅动剧烈，油温过高，腔压过大;油位过低则润滑不充分;同时还需保证给离合器润滑的离心泵能充分的抽吸到滑油。离心泵的抽油能力为，当输出轴转速为100%转速时，离心泵的流量约为1.1L/min，抽油高度为36.5mm;当输出轴转速为50%转速时，离心泵的流量约为0.64L/min，抽油高度为14.5mm。因此综合考虑，设计滑油容量为220～240mL。

改进设计后的起动机在试验台上进行起动试验，目前已完成500次起动试验和100h离合器超越旋转试验，功能性能正常。

5结论

离合器故障是离合器处润滑设计缺陷造成离合器磨损导致的。离合器处结构改进设计后，起动机经试验验证，工作正常，改进措施有效。

参考文献：

[1]赛义德. 可靠性工程[M]. 电子工业出版社， 2013.

[2]窦蕴萍. 航空发动机主轴承定寿方法的研究[J]. 华北水利水电学院学报， 1997.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社.2001.