某發(fā)動(dòng)機(jī)雙速傳動(dòng)裝置棘輪離合器制動(dòng)爪斷裂分析研究

張強(qiáng) 郭海燕

中國航發(fā)貴州黎陽航空動(dòng)力有限公司 貴州貴陽 550014

雙速傳動(dòng)裝置棘輪離合器為實(shí)現(xiàn)渦噴航空發(fā)動(dòng)機(jī)與起動(dòng)-發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的功能裝置[1-2]，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源起動(dòng)起發(fā)電機(jī)通過棘輪離合器帶轉(zhuǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功進(jìn)入工作狀態(tài)后，在離心力作用下制動(dòng)爪收起，雙速傳動(dòng)裝置棘輪離合器不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)過滾棒離合器帶轉(zhuǎn)起發(fā)電機(jī)，起發(fā)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)向飛機(jī)供電制動(dòng)爪損傷將直接導(dǎo)致起動(dòng)-發(fā)電機(jī)不能帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常起動(dòng)[3]。對(duì)斷裂的制動(dòng)爪進(jìn)行了分析，明確了失效模式，分析確定失效原因。

1 試驗(yàn)過程與分析

1.1 外觀檢查

某發(fā)動(dòng)機(jī)完成長試后進(jìn)行分解檢查，在附件機(jī)匣內(nèi)腔發(fā)現(xiàn)大量金屬碎屑，打開雙速傳動(dòng)殼體，雙速傳動(dòng)裝置腔體內(nèi)有大量的金屬碎塊及碎屑，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)棘輪離合器的一個(gè)制動(dòng)爪已經(jīng)斷裂，離合器銷子上僅殘留了1 個(gè)凸耳（圖1）。棘輪離合器在轉(zhuǎn)動(dòng)方向前緣的各棱角或結(jié)構(gòu)凸起處均有不同程度的損傷，機(jī)匣殼體內(nèi)壁有碰傷及擦傷痕跡。

圖1 碎裂制動(dòng)爪殘留凸耳情況

1.2 斷口分析情況

從離合器銷子上分解下來的斷裂制動(dòng)爪殘留凸耳，在掃描電鏡下進(jìn)行斷口觀察。斷口均有明顯的疲勞斷裂特征，疲勞區(qū)擴(kuò)展充分且弧線明顯，但無清晰的疲勞條帶，斷面完整且無明顯損傷。疲勞源區(qū)位于制動(dòng)爪短爪窗口R處（圖2紅色箭頭所示），沿紅色線擴(kuò)展。

圖2 故障件制動(dòng)爪殘留凸耳疲勞斷面

在斷裂制動(dòng)爪長爪碎塊及1 個(gè)未斷裂制動(dòng)爪長爪上分別切取金相試樣，進(jìn)行顯微硬度及金相組織對(duì)比檢查。結(jié)果表明：斷裂與未斷裂制動(dòng)爪在金相組織及硬度上并無明顯區(qū)別，組織正常、硬度合格。

棘輪離合器雖然只有一個(gè)制動(dòng)爪發(fā)生疲勞斷裂，另外兩件制動(dòng)爪短爪窗口R 處4 處中有3 處存在細(xì)小裂紋（見圖3），斷裂制動(dòng)爪與完整制動(dòng)爪雖然存在斷裂與否的本質(zhì)差異性，但其萌生裂紋的潛在可能性是相同的。當(dāng)然也不能排除一個(gè)制動(dòng)爪發(fā)生斷裂以后，其余兩爪受力增大導(dǎo)致裂紋萌生的可能。但至少說明制動(dòng)爪裂紋萌生基本位于制動(dòng)爪短爪窗口R 處。

圖3 制動(dòng)爪短爪R 處萌生的疲勞裂紋

1.3 制動(dòng)爪靜強(qiáng)度應(yīng)力分析計(jì)算

對(duì)工作狀態(tài)制動(dòng)爪的各部位應(yīng)力靜強(qiáng)度應(yīng)力進(jìn)行了分析，其最大應(yīng)力位于制動(dòng)爪長爪R 處。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)狀態(tài)最大應(yīng)力為649Mpa。制動(dòng)爪材料為18Cr2Ni4WA，其屈服極限2.0σ =785MPa，根據(jù)屈服準(zhǔn)則可以判定制動(dòng)爪結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

考慮短爪端窗口R 尺寸對(duì)應(yīng)力值有較大影響，通過改變制動(dòng)爪模型短爪端窗口R 值，其余部位尺寸保持不變,分析比較制動(dòng)爪模型應(yīng)力值大小變化，結(jié)果見表1。

表1 短爪臂端窗口R 不同尺寸下長、短爪臂R 處應(yīng)力值

結(jié)果表明自動(dòng)爪短爪臂窗口轉(zhuǎn)角R 值的大小對(duì)于制動(dòng)爪的應(yīng)力大小有著直接影響，從表中可以看出，短爪臂窗口轉(zhuǎn)角R 值越小，應(yīng)力也越大。改變短爪臂窗口轉(zhuǎn)角R 值對(duì)于長爪臂處應(yīng)力大小影響不大。

1.4 其它長試發(fā)動(dòng)機(jī)棘輪離合器制動(dòng)爪分解檢查

短臂窗口轉(zhuǎn)角R 值圖紙要求0.5±0.1mm,制動(dòng)爪靜強(qiáng)度應(yīng)力分析計(jì)算表明自動(dòng)爪短爪臂窗口轉(zhuǎn)角R 值的大小對(duì)于制動(dòng)爪的應(yīng)力大小有著直接影響。檢查故障件另外2 件自動(dòng)爪短爪臂窗口轉(zhuǎn)角R 值均為0.5mm。檢查其它長試發(fā)動(dòng)機(jī)棘輪離合器自動(dòng)爪情況，3件制動(dòng)爪左端窗口轉(zhuǎn)角R 值同樣為0.5。經(jīng)電鏡檢查，3 件制動(dòng)爪窗口圓角和倒圓的表面粗糙度與故障批次制動(dòng)爪基本相同，但均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2 分析與討論

2.1 失效性質(zhì)

原始斷口均有明顯的疲勞斷裂特征，裂紋起源于制動(dòng)爪短爪端窗口R 處，疲勞區(qū)擴(kuò)展充分且弧線明顯，斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；

2.2 棘輪齒輪輻板痕跡分析

故障制動(dòng)爪的材質(zhì)、金相組織正常，通過應(yīng)力模擬計(jì)算，制動(dòng)爪短爪端窗口R 值對(duì)應(yīng)力影響較大，雖然制動(dòng)爪短爪端窗口R 值處于下限，但對(duì)比其他長試發(fā)動(dòng)機(jī)，R0.5 不足以導(dǎo)致制動(dòng)爪斷裂，制動(dòng)爪斷裂應(yīng)有其他因素。

故障件棘輪齒輪輻板內(nèi)側(cè)有一處明顯的月牙痕跡。同時(shí)斷裂制動(dòng)爪的離合器銷子頭部有撞擊痕跡（圖4），經(jīng)比對(duì)與故障件棘輪齒輪輻板內(nèi)側(cè)的痕跡吻合，說明斷裂制動(dòng)爪離合器銷子與棘輪齒輪輻板發(fā)生過碰撞。棘輪離合器撥輪與棘輪齒輪之間裝配時(shí)有調(diào)整襯套保證間隙，裝配過程不會(huì)發(fā)生接觸。只有漏裝調(diào)整襯套棘輪離合器撥輪的固定制動(dòng)爪的銷子，才可能碰到棘輪齒輪輻板。離合器銷子底端桿部通過擴(kuò)口方式與撥輪固定，離合器銷子頭部與撥輪之間允許有不大于0.05mm 間隙（圖5），撞擊會(huì)導(dǎo)致離合器銷子底端擴(kuò)口固定松動(dòng)。離合器銷子在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中承受制動(dòng)爪的沖擊力，工作過程中承受制動(dòng)爪在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的離心力以及發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)等綜合作用，由于銷子與孔存在間隙，隨著工作時(shí)間的累積，松動(dòng)的離合器銷子會(huì)發(fā)生偏斜導(dǎo)致制動(dòng)爪受力發(fā)生改變。

圖4 棘輪齒輪輻板及銷釘印痕

圖5 離合器銷子兩端要求

因此，裝配過程漏裝調(diào)整襯套使得棘輪離合器撥輪在裝配過程中與棘輪齒輪發(fā)生碰撞致離合器銷子松動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中制動(dòng)爪受力發(fā)生變化，使制動(dòng)爪局部區(qū)域應(yīng)力增大，在薄弱部位產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間增加，裂紋擴(kuò)展直至斷裂。

3 結(jié)語

（1）棘輪離合器上制動(dòng)爪斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

（2）制動(dòng)爪的疲勞斷裂主要是因?yàn)檠b配時(shí)調(diào)整襯套漏裝是導(dǎo)致制動(dòng)爪斷裂的主要原因。