某型直升机主减速器自由行程离合器撞击故障分析

■ 李歧林 徐德宽 郭红奎/ 中国人民解放军338部队 国营锦江机器厂

1 故障现象

某型直升机更换主减速器后，地面试车启动过程中主减速器内有振动，同时伴随着直升机抖动，因此立即终止启动。近年来，该型直升机启动过程中多次出现主减速器自由行程离合器撞击故障，且故障多发生在第一台发动机启动并带动主减速器转动的瞬间。轻度撞击会导致自由行程离合器零件接触表面产生压痕，重度撞击会导致自由行程离合器脱开，使发动机无法带动主减速器转动，必须对自由行程离合器进行拆卸修理。

2 自由行程离合器结构及工作原理

该型直升机配装的主减速器有两个滚棒式自由行程离合器，主要由主动轴、滚棒、保持架和从动轴等组成。主动轴上均匀分布16个滚棒平台，从动轴内壁加工有轴承滚道，主动轴和从动轴之间装有带保持架的16个滚棒（见图1）。该离合器的功能是在发动机与主减速器之间单向传递功率，当发动机正常工作且转速大于旋翼转速时，将发动机功率牢靠地传给旋翼；当发动机停车或旋翼进入自转状态时，将主减速器与发动机脱开，使旋翼自转时不会反向带动发动机旋转，以减少旋翼自转时的能量消耗，并保证发动机能够再次启动。

图1 离合器主、从动轴装配示意图

如图2所示，当发动机带动离合器主动轴旋转时，如果主动轴转速n1大于从动轴转速n2（即n1＞n2），离合器滚棒在离心力和滚棒平台的推力作用下，进入滚棒平台高处，离合器主动轴滚棒平台与离合器从动轴滚道将16个滚棒紧紧夹住，保持架在拨杆和弹簧的作用下将滚棒保持在平台上，使离合器主动轴、滚棒、从动轴成为一体，此时主动轴转速n1与从动轴转速n2相等，发动机输出的扭矩完全由离合器滚棒与从动轴内壁的摩擦力对从动轴形成的摩擦力矩来传递，此时离合器接通（压气机涡轮转速达到20%～25%）；当主动轴减速或停止转动时（即发动机停止工作时），由于旋翼和传动机构的惯性作用，从动轴将继续旋转并超过主动轴转速（即n1＜n2），主动轴与从动轴产生相对运动，滚棒在从动轴内壁摩擦力的作用下，克服弹簧施加给保持架的扭力，带动保持架逆时针转动，从而推动滚棒使其位移至主动轴滚棒平台低凹处，此时离合器断开。

图2 自由行程离合器工作原理示意图

3 故障原因分析

主减速器离合器撞击是指离合器主动轴与从动轴之间发生瞬间猛烈接通，此时直升机会伴随出现短时振动或晃动现象，离合器撞击具有载荷大、冲击性强、时间短、危害大等特点。在发生撞击之前，离合器主、从动轴之间具有较大转速差，而离合器主动轴的转速远大于从动轴的转速是离合器撞击必须具备的条件。离合器撞击故障是该型主减速器常发性故障，是影响其制造和修理质量的两大顽疾之一。据统计，近年仅国内就发生了22起撞击故障。为此，对收集的22起自由行程离合器撞击故障进行统计分析，总结故障原因主要与以下几个方面有关。

3.1 机上装配质量

主减速器和发动机采用刚性连接方式，发动机产生的扭矩通过发动机弹性轴和主减速器球面套齿联轴节传递给自由行程离合器的主动轴。刚性连接的优点是发动机的功率传递稳定可靠，缺点是轴向和径向补偿能力弱，对发动机和主减速器连接的同轴度精度要求比较高。安装发动机时，发动机弹性轴与离合器主动轴球形套齿的同轴度不良，很容易导致自由行程离合器在工作中产生较大的振动，从而引起撞击故障。

3.2 修理质量控制

该型主减速器总寿命为6000h，维修周期为1000h/8年，整个寿命期内需多次返厂进行大修，使用过程中发生较大故障时也需返厂进行排故修理。大修过程中，自由行程离合器所有转动零部件都需进行严格的尺寸检查，修复磨损部位，精选配套；打磨保持架、拨杆和卡圈等接触面因黏结和磨损引起的表面凸起，控制表面质量及粗糙度；安装主动轴时，为防止零件损伤，不应用力过大或撞击，安装后需手动检查自由行程离合器接通和断开是否自由灵活；应从严控制外球面壳体球轴承安装面与离合器从动轴滚道面的同轴度。以上各个修理环节的质量控制达不到标准，都会导致离合器在工作中产生较大的振动，从而引起撞击故障。

3.3 外界环境因素

该型主减速器使用的润滑油牌号为Б-3В或国产926号合成航空润滑油，最大添加量不大于39L。926号合成航空润滑油的特性曲线如图3所示，100℃时的运动黏度为5.03mm2/s，-40℃时为9626mm2/s。由此可见，其运动黏度随温度的下降而急剧增大。从外场对主减速器自由行程离合器撞击故障的统计数据来看，发生故障的时机主要集中在高原、高纬度地区的秋冬季直升机首次启动时，此时外界气温比较低，主减速器内润滑油温度低、运动黏度较大，主减速器自由行程离合器及其他转动部件的摩擦力增大，在带转瞬间自由行程离合器承受的载荷最大，最容易发生撞击故障。

图3 926滑油特性曲线

3.4 使用过程磨损

在主减速器装机使用过程中，自由行程离合器的滚棒与保持架窗口端面、主动轴斜面、从动轴的滑道表面存在滚动摩擦、挤压等接触，易产生磨损，使活动零件接触面之间的间隙逐渐加大。尤其是使用达到规定的维修周期和总寿命后期，相互之间的间隙持续加大，在工作过程中易发生相对滑动，从而产生接触撞击，严重时发生撞击脱落故障。

4 建议对策

4.1 严格控制修理质量

在自由行程离合器修理过程中，应严格按照修理工艺规程，仔细检查花键套筒、从动轴滚道、滚棒、保持架等零件的尺寸和表面状况，修复表面损伤或磨损部位，更换损伤或磨损严重而无法修复的零件；从严选配滚棒，控制每组16个滚棒直径之间的互差不大于0.005mm，保持架配合面、拨杆配合面和从动轴滚道的直径互差分别不大于0.06mm、0.03mm和0.01mm；确保滚棒和保持架之间、滚棒和主动轴斜面之间的配合间隙；按顺序号标记将滚棒装配到自由行程离合器主动轴的尾段，滚棒的号码应与主动轴滑道上的号码一致；为了防止自由行程离合器零件损伤，安装主动轴时不应用力过大或撞击，保证主动轴与从动轴的同轴度不大于0.20mm，装配完成后手动检查自由行程离合器接通和断开是否自由灵活。

4.2 提高机上装配质量

在更换发动机或主减速器时，当发动机与主减速器脱开后，如果发现发动机输出轴外花键有损伤，则应检查主减速器自由行程离合器与输出轴相连接的内花键是否存在损伤。如果发现自由行程离合器套筒内花键有损伤，应向主减速器制造或修理企业咨询该主减速器是否可以继续使用。

安装主减速器前，首先应清除球形件盖端面和用千分垫测量间隙位置的轴颈盘上的漆层，并涂上ACM-3油脂或炮脂，以保证发动机和主减速器的同轴度检查的精确度。安装发动机时，在发动机输出轴与主减速器自由行程离合器主动轴的对接过程中，应确保发动机输出轴与自由行程离合器主动轴之间的角度不超过30′，通过调节固定拉杆来保证配合角度；当发动机输出轴推进到自由行程离合器花键套筒时，不允许发动机摆动和剧烈晃动；绝对禁止置换和改变自由行程离合器球形件盖和球形件壳体的位置，应严格保持这些零件上的标记；准确测量发动机与主减速器的同轴度，尽量获得最小差值。

4.3 加强使用维护质量

1）做好防寒加温工作

直升机在高纬度、高海拔地域秋冬季使用，每日首次启动发动机时，应通过适当盘桨或用热风机对主减速器进行加温，来提高滑油温度，降低滑油黏度，减小摩擦力，从而降低自由行程离合器接通瞬间的撞击载荷，避免自由行程离合器的撞击故障。根据该型主减速器维护手册的规定，当主减速器沉淀槽内的滑油温度低于-40℃时，启动发动机前应用热空气为主减速器加温至沉淀槽内的滑油温度升高到15℃以上，加温时间不得少于20min，送入主减速器舱内的热空气温度应控制在70～80℃。

2）加强观察和检查

在发动机首次开车或试车间隔20min以上时，应先用手顺时针（沿飞行方向）转动发动机自由涡轮叶片15～20圈，若涡轮叶片转动顺畅、无卡滞及异常声音，表明发动机与主减速器自由行程离合器脱开情况正常；其次，逆时针转动自由涡轮叶片，若转动力较大时旋翼桨叶同时被转动，表明发动机与主减速器自由行程离合器接通情况正常。

启动发动机时，当发动机压气机涡轮转速达到20%～25%而旋翼没有转动时，应立即终止启动，然后用手转动刚启动发动机自由涡轮叶片以进一步确认，如顺逆时针均能轻松自由转动，说明与该发动机连接的自由行程离合器已失效，需返厂修理或更换自由行程离合器。

启动发动机时，如果主减速器内有振动，同时伴随着直升机抖动，应立即终止启动。首先拆下发动机，检查发动机输出轴，如果输出轴无扭转以及花键崩刃情况，再拆下自由行程离合器，检查从动轴滑道是否有压坑、划痕、缺口、裂纹、硬化等损伤，若滑道良好，则更换自由行程离合器；当发现输出轴有扭转、花键崩刃或从动轴滑道上有上述损伤，则应更换主减速器。

3）柔和使用旋翼刹车

发动机停车后，旋翼桨叶仍在惯性转动过程中，应严格按照维护手册的规定，在旋翼转速降至10%以下时柔和使用旋翼刹车，防止因刹车时旋翼转速偏大或刹车操作过猛，造成自由行程离合器弹簧卡滞在拨杆孔内，引起离合器失效。

4）严格定期检查工作

定期检查发动机与主减速器连接的同轴度，按左小右大，上小下大，上下、左右的互差应不大于0.15mm的最佳调整方案，对发动机与主减速器连接的同轴度进行及时修正；定期检查旋翼刹车盘与刹车片的间隙，如检查发现旋翼刹车间隙不符合0.2～0.5mm的规定，应及时进行调整。