某型渦輪起動機輸出花鍵軸斷裂故障分析

盧秋懷 余大為 許弘博 劉廣輝

摘要：運用斷口分析技術，分析確定了渦輪起動機輸出花鍵軸斷裂的故障原因并排除了故障，排故過程中采用的分析方法可為類似故障的排除提供參考。

關鍵詞：花鍵軸；斷裂；斷口分析

Keywords：spline shaft；fracture；fracture analysis

1 故障情況

發動機地面試車時，第一次起動時渦輪起動機起動不成功，起動瞬間停車；第二次起動時渦輪起動機工作50s后停車，但發動機轉速未上升，座艙轉速表指示為0（之后查看飛參，顯示在起動43s時n2轉速6.8%，持續約1s，其余轉速為0），柔性軸也未轉動。

搖轉檢查外置機匣和發動機，轉動靈活，未發現緊澀和卡滯現象。拆下渦輪起動機，發現渦輪起動機（與飛機附件機匣連接處）輸出花鍵軸斷裂，初步分析認為是渦輪起動機輸出花鍵軸本身材料或制造缺陷導致其斷裂。

因此，更換渦輪起動機輸出花鍵軸再次進行起動。前兩次起動中渦輪起動機仍然工作10s后停車，發動機n2轉速分別在8.3%左右；第三次起動，渦輪起動機工作50s后停車，發動機n2轉速為0。拆下渦輪起動機，發現渦輪起動機輸出花鍵軸又一次斷裂，與之前斷裂的渦輪起動機輸出花鍵軸比較，斷裂的部位相同、斷口形貌相似，如圖1所示。

2 燃氣渦輪起動機的功用

燃氣渦輪起動機是帶有自由渦輪的渦軸式燃氣渦輪發動機，主要由燃氣渦輪發生模塊、自由渦輪模塊和起動機系統三個部分組成。燃氣渦輪起動機在發動機起動時帶動發動機高壓轉子、飛機和發動機附件轉動，其功率通過減速器傳輸到輸出軸，再經花鍵軸傳輸到外置附件機匣的傳動機構。此外，渦輪起動機還用于發動機運轉、油封和啟封。

燃氣空氣混合氣經自由渦輪導向器進入自由渦輪轉子的工作葉片內，在工作葉片上消耗氣流能量，帶動葉片轉動，在減速器輸入主動齒輪上產生扭矩。自由渦輪產生的扭矩經減速器和輸出花鍵軸傳送到飛機外置附件機匣傳動機構，帶動主發動機高壓轉子旋轉。

如圖2、圖3所示，燃氣渦輪起動機在結構上包含2個裝配組件：壓氣機渦輪裝配組件、自由渦輪裝配組件。自由渦輪裝配組件組成部分主要有自由渦輪、減速器（含超越離合器）和輸出軸等。

減速器的功用是降低自由渦輪輸出的轉速并將扭矩傳輸給飛機附件傳動機構。減速器被制作成雙面跨輪形式，由機匣、跨輪齒輪和超越離合器組成。

超越離合器的用途是將起動機自由渦輪的扭矩傳到輸出軸上，帶轉主發動機及傳動飛機附件。當主發動機傳給離合器外套的轉速大于起動機自由渦輪傳給離合器內套轉速時，偏心滾子脫開，從而使起動機與主發動機脫開。

3 斷裂機理分析

渦輪起動機通過輸出花鍵軸向飛機附件傳動機構傳遞扭矩，主要承受扭轉力矩。其斷裂的可能原因有花鍵軸本身承載能力不足或花鍵軸承受的載荷超出了設計要求。

利用有限元分析模塊對花鍵軸進行定性分析（見圖4），發現輸出花鍵軸扭轉最大應力在A（R2圓角）截面周邊各點處，這與花鍵軸實際發生斷裂的部位吻合。

花鍵軸材料為16X3HB，許用切應力（τ）為765MPa。花鍵軸所受到的最大切應力τmax遠小于材料的許用切應力（τ），滿足設計強度要求。

對斷裂的花鍵軸進行材料能譜分析（圖6）及斷口形貌SEM掃描電鏡分析（圖7），得到的元素含量與材料元素含量基本吻合。從斷口微觀特征分析來看，斷口總體齊平，與軸向垂直，存在明顯的螺旋形流線，斷口上未發現疲勞條帶等疲勞斷裂特征，也未發現材料有制造及加工缺陷，整個斷口為典型扭矩過載斷裂特征。

4 原因分析

根據渦輪起動機的工作原理，得到如圖8所示的扭矩傳遞圖。渦輪起動機工作50s后停車，說明渦輪起動機運轉正常，但通過現象可知自由渦輪的扭矩沒有傳遞到發動機。

從圖2可知，發動機正常起動時，渦輪起動機離合器的偏心滾子（4）被彈簧（10）壓在外套（7）的內表面和內套（5）的外表面來傳遞扭矩，由于離合器故障，偏心滾子沒有壓緊，自由渦輪扭矩無法傳遞，此時自由渦輪負載小，轉速迅速上升，這時偏心滾子再壓緊，輸出花鍵軸受到一個很大的沖擊扭矩，遠超出花鍵軸的許用切應力，因而導致花鍵軸瞬間斷裂。

因此，導致輸出花鍵軸斷裂的原因是渦輪起動機離合器失效。更換渦輪起動機之后，發動機起動正常。將故障渦輪起動機返廠檢修，確定故障原因為離合器失效。

5 結束語

在排除故障時，應認真分析原因，確定故障點，不能想當然，在原因不清的情況下就盲目采取措施。此次花鍵軸斷裂故障中，第一次在沒有認真分析的情況下，只通過搖轉檢查外置機匣和發動機的靈活性，就認為可能是渦輪起動機輸出花鍵軸本身材料或制造缺陷導致的斷裂，沒有進一步查找確定原因就盲目換件，導致第二根花鍵軸再次出現斷裂。在今后的工作中應吸取這次教訓，避免類似問題再次發生。

參考文獻

[1]鐘群鵬，趙子華.斷口學[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介

盧秋懷，高級工程師，主要從事飛機機械系統修理技術研究工作。

余大為，助理工程師，主要從事飛機機械系統修理技術研究工作。

許弘博，工程師，主要從事飛機機械系統修理技術研究工作。

劉廣輝，工程師，主要從事飛機機械附件修理技術研究工作。