某型發動機杯型鎖片卡爪變形故障分析及改進

鄭四德 蘆才軍 苗國磊

摘要：某型發動機試車后發現自制杯型鎖片卡爪處變形。為查找故障原因，從鎖片工作狀態、裝配過程、鎖片自身技術狀態等方面開展了分析研究，分析結果表明，鎖片卡爪變形并非在工作過程中產生，而是由于裝配過程及熱處理條狀態兩方面綜合影響的結果，并就此提出改進措施。

關鍵詞：杯型鎖片；熱處理；硬度；裝配潤滑

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

1 故障背景

某型發動機壓氣機前軸頸杯型鎖片的作用是防止1#軸承壓緊螺母在工作時反轉松脫，工作時隨壓氣機同時轉動，不允許螺母與鎖片出現相對運動。

在對某臺發動機進行2h地面試車后的分解檢查中，發現搭載的防壓氣機1#軸承鎖緊螺母反轉松脫的自制杯型鎖片卡爪發生了沿周向3～5mm的擠壓變形，鎖片與螺母接觸端面有0.1～0.3mm不同方向的劃痕，卡爪兩邊應力削減槽未發現裂紋。壓緊螺母及前軸頸螺紋桿未見異常。經判斷，該鎖片的鎖緊功能已失效。變形故障情況如圖1所示。

為分析鎖片卡爪變形原因，從鎖片工作狀態、鎖片的裝配過程及鎖片表面硬度等幾個方面開展了分析研究。本研究思路、結果及提出的解決措施可為其他型號的同類故障分析提供參考。

2 故障機理分析

2.1 鎖片工作狀態分析

為了判斷鎖片卡爪變形是否因轉子運轉過程中鎖緊螺母發生相對轉動而造成，對鎖緊螺母及軸頸進行分解檢查。復查分解力矩，略大于裝配力矩，說明工作時未發生螺母反轉松動。同時，檢查螺母及軸頸螺紋表面，均未發現螺紋拉傷、變形等相對運動產生的異常痕跡。同時，分解時發現鎖片與螺母為抱死鎖緊狀態。以上檢查顯示，鎖片轉動時與螺母未發生相對轉動，且螺母未發生異常轉動，表明鎖片變形并非在發動機運轉過程中造成。

2.2 裝配過程分析

由于裝配空間狹小，無法對裝配后的鎖片狀態進行觀察，為了弄清卡爪變形是否由于裝配過程中鎖片在鎖緊螺母的摩擦力作用下產生相對滑動而造成，首先采用有限元方法計算不同摩擦力條件下鎖片的周向變形情況（見圖2a），為便于比較變形與摩擦系數的變化關系，對周向變形進行了歸一化處理（見圖2b）。結果顯示，當摩擦系數大于0.1時，產生的摩擦力會使變形急劇增加。

為了進一步驗證鎖片與螺母表面接觸的粗糙度對卡爪變形的影響，選取4件自制鎖片，分別在與螺母接觸表面上涂覆不同厚度、不同面積的石墨潤滑脂進行裝配試驗。結果顯示，自制鎖片卡爪發生了0.5～1mm不同程度的變形，說明鎖片表面良好的潤滑狀態可以避免鎖緊螺母帶動鎖片轉動，從而避免發生卡爪變形。

2.3 鎖片硬度分析

為了弄清自制鎖片抵抗變形能力是否與OEM件一致，將自制鎖片與OEM件（均未涂抹潤滑劑）進行裝配對比。OEM鎖片卡爪沿周向發生了大變形（見圖3a），其變形形貌與故障鎖片基本一致，自制鎖片卡爪則發生剪切斷裂（見圖3b）。此試驗結果表明自制鎖片變形的重要原因之一是鎖片表面潤滑不充分，另外也表明自制鎖片抵抗變形的能力低于OEM件。

進一步查找導致自制件抗變形能力相對較弱的原因。對自制件與OEM件的硬度進行對比分析，發現自制件（A熱處理條件）硬度較OEM件下降25%左右，如表1所示。

為分析熱處理狀態對鎖片硬度的影響，分別將采用了低溫（350℃～400℃）熱處理及無熱處理的兩種自制鎖片的硬度值與OEM件進行比較（見表1）。結果表明，無熱處理的鎖片與OEM件硬度一致，經過低溫（350℃～400℃）熱處理后硬度值有所下降，但不明顯。

綜上分析認為，該鎖片失效的另一個原因是熱處理采用的固溶溫度（1050℃）使其硬度急劇下降，導致鎖片卡爪抵抗變形的能力有所降低。

3 改進措施

造成此次杯型鎖片卡爪變形的原因主要有兩個方面：一是在裝配過程中鎖片表面潤滑不充分，在摩擦力作用下鎖片和鎖緊螺母一起運動導致卡爪變形；二是由于熱處理溫度相對較高，使得自制件材料硬度下降，導致結構抵抗變形的能力有所降低。

針對上述分析結果，提出以下解決措施。

1）裝配時用麂皮布在鎖片與螺母接觸平面涂覆一層均勻的石墨潤滑脂，使螺母對鎖片充分潤滑而不產生旋轉力矩。

2）擰緊前，用記號筆在鎖片外表面與軸承的同一位置進行標記，便于目視判斷鎖片是否出現周向變形。

3）取消自制件的處理過程，使其表面色澤和心部硬度與OEM件保持一致。

4 試驗驗證

為驗證以上分析結論及解決措施的正確性，對自制鎖片取消了熱處理，裝配時用麂皮布在鎖片的內端面涂覆一層均勻的石墨潤滑脂，并用記號筆標記裝配位置。

從標印記號來看，鎖片裝配后未發生轉動。經過2h地面臺架試車后，分解檢查自制鎖片未發生任何有害變形，且變形值低于OEM件。試驗結果表明本文分析結論正確，提出的改進措施可行。

作者簡介

鄭四德，高級工程師，研究方向為航空發動機維修設計與管理。