某型無人機用發電機彈性花鍵軸斷裂分析

■ 康亞琴 王敏剛 黃靖/中航貴州飛機有限責任公司

1 概述

某型無人機進行地面聯試,發動機（型號為ROTAX 914）預熱運轉正常后按要求進行主電源并網,此時發現發電機無電壓,經檢查發現發電機彈性花鍵軸斷裂,斷裂后的彈性軸如圖1所示。

該發電機彈性軸所用材料為50CrVA彈簧鋼,軸的表面進行了鍍鎘處理。發電機彈性軸一端采用內外花鍵聯接；另一端呈錐形,過盈配合,半圓鍵聯接。發電機彈性軸主要傳遞扭轉載荷。

2 故障情況分析

2.1 外觀檢查

如圖1所示,斷裂的彈性軸斷口呈黑色,斷口附近存在磨損特征。斷口上吸附著一些金屬碎末,表明斷口已經被磁化。

將發電機彈性軸花鍵放在體視顯微鏡下進行觀察,發現花鍵嚙合面的磨損位置不盡相同,有些靠近端面,有些遠離端面；磨損程度也不均勻,有些位置磨損較輕,而有些位置磨損較重；花鍵非嚙合面磨損位置也不盡相同,磨損程度也不均勻。

圖1 斷裂的彈性軸宏觀形貌

圖2 彈性軸斷口特征

2.2 斷口宏觀觀察

在體視鏡下觀察彈性軸斷口,如圖2所示。將彈性軸斷口分為A、B兩個區域,A區為一小平臺,可觀察到放射棱線特征,小平臺面積約占斷口的1/4；B區為與橫截面成較大角度的斜斷面,該區域磨損較為嚴重,部分地方已經磨損光亮,該區域面積約占斷口的3/4。

2.3 微觀觀察

去磁后對彈性軸斷口進行掃描電鏡微觀觀察。斷口的裂紋起源于彈性軸的外表面,呈大線源特征；在疲勞擴展區可觀察到疲勞條帶；瞬斷區存在韌窩特征；斷口的大部分區域存在較為嚴重的氧化特征。

對彈性軸的外表面進行微觀觀察。遠離斷口處的外表面鍍鎘層已經不完整,表面的鍍鎘層出現了開裂；斷口附近的外表面鍍鎘層缺損更嚴重,放大觀察到類似氧化和熔融形貌；越靠近斷口,鍍鎘層缺損越明顯。

圖3 發電機安裝示意圖

2.4 檢查結果分析

從以上觀察發現：彈性軸的花鍵嚙合面磨損位置不盡相同,磨損也不均勻,表明花鍵與匹配的外花鍵配合不良,配合不良會導致彈性軸受到附加彎矩的作用。斷口存在一小平臺,小平臺面積約占斷口的1/4,彈性軸若只受到扭轉載荷作用,其斷面應該與軸向呈約45°,不會出現這樣的小平臺,這表明彈性軸受到了較大的附加彎矩作用。相關研究結果表明,附加彎矩的存在會降低軸的疲勞壽命,且附加彎矩越大,疲勞壽命越低。

發電機彈性軸在啟動和正常工作時受正向扭轉應力作用,而當電機減速時則會受到反向扭轉應力作用。彈性軸的非嚙合面存在不同程度的磨損也表明彈性軸會受到反向扭轉應力的作用。另外,非嚙合面磨損不均勻表明彈性軸存在不同軸問題。

綜上所述,通過對彈性軸斷口進行宏微觀觀察,彈性軸的斷裂性質為疲勞斷裂。彈性軸斷裂的主要原因是彈性花鍵不良嚙合從而受到較大的附加彎矩的作用,即發動機曲軸軸線與發電機彈性花鍵軸軸線不同軸。

3 故障原因分析

發電機在發動機上的安裝如圖3所示。因該型無人機的總體要求,前起落架支柱撐桿固定在發動機安裝支架上,需對原配發動機安裝支架進行改進設計,改進后為發動機前端支架。

ROTAX公司在《ROTAX914型系列發動機安裝手冊》的“連接點定義”中給出了發動機與飛行器的安裝點坐標,如圖4所示,因此選擇了發動機支架上的四個連接點L2、R2、L3、R3作為發動機的安裝連接點。北京航空航天大學和611所的某兩型無人機同樣也采用了這四個連接點來保證發動機和發電機的安裝要求,該兩型無人機未更換原配發動機安裝支架,目前這兩型無人機的發電機彈性軸未出現斷裂故障,據此可以判斷ROTAX公司產品說明書中的建議值是能夠保證發電機各坐標點位置要求的。

由于更換了發動機前端支架,在動力裝置的裝配過程中,雖然圖紙有同軸度的要求,但實際安裝時未有效控制發電機彈性花鍵軸與發動機曲軸的同心度,導致部分發電機使用一段時間后,在發動機交變載荷的作用下,最終出現發電機彈性軸疲勞斷裂。根據上述分析,可以判斷造成發電機彈性花鍵軸斷裂有以下兩種故障模式。

1） 發電機安裝基準面與發動機曲軸的垂直度未能滿足要求,即發電機軸與發動機軸不平行。

如圖5所示,如果在換裝發動機前端安裝支架時,不能保證ROTAX公司給定的發動機支架后端四個發動機連接點L2、R2、L3、R3所在的平面與發動機曲軸的垂直度,則發電機的安裝基準將被破壞,發電機高速旋轉時就會使彈性花鍵軸受到交變載荷的影響,從而產生疲勞,進而造成發電機彈性軸磨損或斷裂。

2） 發電機彈性花鍵軸與發動機曲軸的同軸度未能滿足要求,即發電機軸與發動機軸不同心。

如果在安裝連接板與發電機的組合件時,未能按照要求旋轉螺旋槳法蘭盤數圈,使其利用花鍵孔與花鍵軸自找正并定位,那么發動機曲軸軸線與發電機彈性花鍵軸線就會發生如圖6所示的軸線偏移,同軸度不滿足要求。那么發電機高速旋轉時同樣使發電機彈性花鍵軸受到交變載荷的影響,從而產生疲勞斷裂。

圖4 ROTAX914發動機連接點坐標

圖5 安裝基準破壞后發電機安裝示意圖

圖6 發電機安裝軸線偏移示意圖

4 工藝改進方案

4.1 外場垂直度保證

為了保證更換后的發動機前端支架上L2、L3、R2、R3四個安裝點所在的平面與發動機曲軸軸線的垂直度,設計了發電機安裝、調整檢驗工裝,如圖7所示。首先用工裝“同軸度定位軸套”確定發動機曲軸軸線位置,然后將工裝“支架定位板”上的φ130孔與“同軸度定位軸套”φ130外圓配合,作為檢查調整工裝,檢查該定位板分別與發動機前端支架上L2、L3、R2、R3四個安裝點之間的間隙,確保發動機前端支架滿足裝配要求。

圖7 外場方案示意圖

圖8 內場方案示意圖

4.2 內場垂直度保證

制作一個偏心底座,要求兩面平行度在0.02mm以內,將其與螺旋槳法蘭盤固定,并將發動機置于1m×1m的零級平臺上,如圖8所示。測量前擰松發動機側面4個M10內六角螺栓,分別測量平臺距發動機前端支架連接點L2、R2、L3、R3的距離,保證562±0.05mm,然后按照規定力矩均勻擰緊發動機側面4個M10螺栓。

4.3 同軸度保證

內外場在同軸度的保證方法上是一致的。在保證了發動機一端安裝支架上L2、L3、R2、R3四個安裝點所在的平面與發動機曲軸軸線的垂直度后,安裝發電機連接板與發電機的組合件時,按照要求旋轉螺旋槳法蘭盤數圈,使其利用花鍵孔與花鍵軸自找正并定位,即可保證同軸度要求。

5 試驗驗證

按照以上新工藝方法重新安裝了該型無人機的發電機,進行了10小時40分鐘的地面開車試驗,試驗中同時主電源并網,發動機轉速不低于3000rpm。然后拆下發電機檢查,未發現磨損情況。重新安裝發電機后,按照上述試驗方法重新開車40小時30分鐘,再次拆開檢查發電機軸及聯軸器。目視檢查未發現聯軸器花鍵部位有磨損情況及褐色或黑色粉末,甚至安裝時涂敷的6691潤滑脂都沒有任何消耗。說明聯軸器內花鍵和發電機彈性花鍵軸外花鍵部位在試驗過程中幾乎無磨損。

6 結束語

本次發電機彈性花鍵軸斷裂屬于安裝時沒有保證同軸度,導致發電機彈性花鍵軸受到徑向載荷作用而出現疲勞斷裂。為了徹底消除安全隱患及保證飛行安全,保證動力裝置穩定可靠,一方面應該就發電機彈性花鍵軸表面處理工藝或材料選取進行深入研究,找出最佳處理工藝,另一方面應嚴格按照提出的內外場方案進行檢查和裝配,另外還應將對發電機彈性軸的定期檢查納入相關維護規程中。 '

[1] 陳嵩祿.飛機設計手冊第13冊動力裝置系統設計[M]. 北京:航空工業出版社,2006.

[2] ROTAX Gmbh.Installation Manual for ROTAX Engine Type 914F[Z].1996.

[3] GB/T1172-1999金屬硬度檢測技術手冊[S].1999.