某发动机双速传动装置棘轮离合器制动爪断裂分析研究

2021-04-06张强郭海燕

商品与质量 2021年5期

张强郭海燕

中国航发贵州黎阳航空动力有限公司贵州贵阳 550014

双速传动装置棘轮离合器为实现涡喷航空发动机与起动-发电机状态转变的功能装置[1-2]，发动机起动时，电源起动起发电机通过棘轮离合器带转航空发动机起动。发动机起动成功进入工作状态后，在离心力作用下制动爪收起，双速传动装置棘轮离合器不工作，发动机动过滚棒离合器带转起发电机，起发电机进入发电状态向飞机供电制动爪损伤将直接导致起动-发电机不能带转发动机，发动机不能正常起动[3]。对断裂的制动爪进行了分析，明确了失效模式，分析确定失效原因。

1 试验过程与分析

1.1 外观检查

某发动机完成长试后进行分解检查，在附件机匣内腔发现大量金属碎屑，打开双速传动壳体，双速传动装置腔体内有大量的金属碎块及碎屑，进一步检查发现棘轮离合器的一个制动爪已经断裂，离合器销子上仅残留了1 个凸耳（图1）。棘轮离合器在转动方向前缘的各棱角或结构凸起处均有不同程度的损伤，机匣壳体内壁有碰伤及擦伤痕迹。

图1 碎裂制动爪残留凸耳情况

1.2 断口分析情况

从离合器销子上分解下来的断裂制动爪残留凸耳，在扫描电镜下进行断口观察。断口均有明显的疲劳断裂特征，疲劳区扩展充分且弧线明显，但无清晰的疲劳条带，断面完整且无明显损伤。疲劳源区位于制动爪短爪窗口R处（图2红色箭头所示），沿红色线扩展。

图2 故障件制动爪残留凸耳疲劳断面

在断裂制动爪长爪碎块及1 个未断裂制动爪长爪上分别切取金相试样，进行显微硬度及金相组织对比检查。结果表明：断裂与未断裂制动爪在金相组织及硬度上并无明显区别，组织正常、硬度合格。

棘轮离合器虽然只有一个制动爪发生疲劳断裂，另外两件制动爪短爪窗口R 处4 处中有3 处存在细小裂纹（见图3），断裂制动爪与完整制动爪虽然存在断裂与否的本质差异性，但其萌生裂纹的潜在可能性是相同的。当然也不能排除一个制动爪发生断裂以后，其余两爪受力增大导致裂纹萌生的可能。但至少说明制动爪裂纹萌生基本位于制动爪短爪窗口R 处。

图3 制动爪短爪R 处萌生的疲劳裂纹

1.3 制动爪静强度应力分析计算

对工作状态制动爪的各部位应力静强度应力进行了分析，其最大应力位于制动爪长爪R 处。图纸设计状态最大应力为649Mpa。制动爪材料为18Cr2Ni4WA，其屈服极限2.0σ =785MPa，根据屈服准则可以判定制动爪结构满足强度设计要求。

考虑短爪端窗口R 尺寸对应力值有较大影响，通过改变制动爪模型短爪端窗口R 值，其余部位尺寸保持不变,分析比较制动爪模型应力值大小变化，结果见表1。

表1 短爪臂端窗口R 不同尺寸下长、短爪臂R 处应力值

结果表明自动爪短爪臂窗口转角R 值的大小对于制动爪的应力大小有着直接影响，从表中可以看出，短爪臂窗口转角R 值越小，应力也越大。改变短爪臂窗口转角R 值对于长爪臂处应力大小影响不大。

1.4 其它长试发动机棘轮离合器制动爪分解检查

短臂窗口转角R 值图纸要求0.5±0.1mm,制动爪静强度应力分析计算表明自动爪短爪臂窗口转角R 值的大小对于制动爪的应力大小有着直接影响。检查故障件另外2 件自动爪短爪臂窗口转角R 值均为0.5mm。检查其它长试发动机棘轮离合器自动爪情况，3件制动爪左端窗口转角R 值同样为0.5。经电镜检查，3 件制动爪窗口圆角和倒圆的表面粗糙度与故障批次制动爪基本相同，但均未发现裂纹。

2 分析与讨论

2.1 失效性质

原始断口均有明显的疲劳断裂特征，裂纹起源于制动爪短爪端窗口R 处，疲劳区扩展充分且弧线明显，断裂性质为疲劳断裂；

2.2 棘轮齿轮辐板痕迹分析

故障制动爪的材质、金相组织正常，通过应力模拟计算，制动爪短爪端窗口R 值对应力影响较大，虽然制动爪短爪端窗口R 值处于下限，但对比其他长试发动机，R0.5 不足以导致制动爪断裂，制动爪断裂应有其他因素。

故障件棘轮齿轮辐板内侧有一处明显的月牙痕迹。同时断裂制动爪的离合器销子头部有撞击痕迹（图4），经比对与故障件棘轮齿轮辐板内侧的痕迹吻合，说明断裂制动爪离合器销子与棘轮齿轮辐板发生过碰撞。棘轮离合器拨轮与棘轮齿轮之间装配时有调整衬套保证间隙，装配过程不会发生接触。只有漏装调整衬套棘轮离合器拨轮的固定制动爪的销子，才可能碰到棘轮齿轮辐板。离合器销子底端杆部通过扩口方式与拨轮固定，离合器销子头部与拨轮之间允许有不大于0.05mm 间隙（图5），撞击会导致离合器销子底端扩口固定松动。离合器销子在发动机起动过程中承受制动爪的冲击力，工作过程中承受制动爪在高转速下产生的离心力以及发动机的振动等综合作用，由于销子与孔存在间隙，随着工作时间的累积，松动的离合器销子会发生偏斜导致制动爪受力发生改变。