滾棒離合器彈簧斷裂故障分析

李豐豐 陶傳戈

摘 要：本文主要通過分解檢查出現(xiàn)故障的某航空發(fā)動機起動發(fā)電機，發(fā)現(xiàn)滾棒離合器彈簧斷裂后，對彈簧故障件進行設(shè)計結(jié)構(gòu)以及基本工作原理介紹，開展理化分析、相關(guān)尺寸檢查、彈簧變形理論計算、彈簧表面的脫碳檢查等一系列工作，探究彈簧斷裂失效原因，進而找出起動發(fā)電機故障原因，采取完善優(yōu)化零件加工工藝等改進措施，以確保彈簧裝配位置符合設(shè)計圖紙要求，進而滿足發(fā)動機的使用要求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；起動發(fā)電機；滾棒離合器；彈簧；斷裂

中圖分類號：TH133 文獻標(biāo)志碼：A

某航空發(fā)動機地面試車時，發(fā)動機起動成功后，起動發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動，試車兩次故障現(xiàn)象相同。將起動發(fā)電機拆下后加負載，起動發(fā)電機工作正常。

故障發(fā)生后，隨即對出現(xiàn)故障的起動發(fā)電機進行分解檢查，發(fā)現(xiàn)雙速傳動中摩擦離合器，棘爪離合器正常，滾棒離合器的彈簧斷裂。故障彈簧類似“Ω”型，一側(cè)端頭向上彎曲，另一側(cè)在平面方向向右側(cè)彎曲，斷裂部位在右側(cè)彎曲處。

1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

滾棒離合器由星形輪、護圈、外環(huán)、滾棒和彈簧等部分組成。滾棒裝到護圈周邊的孔內(nèi)，用以保護滾棒的相對位置不變。套在星形輪的外部護圈和星形輪之間還裝有一個彈簧，彈簧的一端插在星形輪的小孔內(nèi)，另一端卡入護圈的槽內(nèi)，彈簧的彈力總是試圖消除外環(huán)、滾棒和星形輪三者之間的間隙，使離合器處于結(jié)合狀態(tài)。在護圈上還固定有前蓋板，前蓋板的兩個凸邊在星形輪的凹槽中，它的作用是在外環(huán)轉(zhuǎn)速大于星形輪轉(zhuǎn)速情況下，防止?jié)L棒越過空腔中間而被星形輪的另一邊卡住，同時限定彈簧在彈性范圍內(nèi)工作，其裝配位置直接決定彈簧的工作狀況。

2 基本工作原理介紹

雙速傳動裝置中滾棒離合器的功用是在發(fā)動機起動完成后進入工作狀態(tài)時，電機帶動摩擦離合器和棘輪離合器轉(zhuǎn)動，通過附件機匣帶動高壓壓氣機，此時滾棒離合器不參與工作。起動結(jié)束后， 棘輪離合器退出工作，由高壓壓氣機帶動滾棒離合器和摩擦離合器轉(zhuǎn)動，起動發(fā)電機進入發(fā)電狀態(tài)。這時，滾棒離合器才投入工作。凸輪變?yōu)橹鲃虞?，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，凸輪轉(zhuǎn)速也提高，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速大于套圈轉(zhuǎn)速時，凸輪帶動滾棒“上坡”，滾棒進入凸輪工作位置而落在小楔角內(nèi)，處于“楔緊狀態(tài)”，從而帶動摩擦離合器，傳動起動發(fā)電機。弓形彈簧具有擴張功能，保證凸輪和保持架相互制動。在轉(zhuǎn)速變化情況下，當(dāng)離合器套圈轉(zhuǎn)速大于凸輪轉(zhuǎn)速時，滾棒離合器不工作，利用弓形彈簧的壓縮功能，將凸輪和保持架相互彈開，從而將工作的“楔緊狀態(tài)”轉(zhuǎn)為脫開狀態(tài)。如果滾棒離合器的彈簧斷裂，使?jié)L棒離合器內(nèi)外環(huán)趨于結(jié)合的力消失，滾棒離合器將不能進入楔緊狀態(tài)，傳遞線路中斷，電機不能轉(zhuǎn)入正常工作。

3 理化分析

3.1 宏觀檢查

經(jīng)實體顯微鏡觀察，彈簧斷口呈灰黑色，靠近端頭彎曲部位外側(cè)圓角處的斷口較平坦，平坦區(qū)面積約占斷口面積的1/2，靠近彈簧內(nèi)圓的斷口較粗糙，而且平坦區(qū)和粗糙區(qū)有較大的起伏臺階。平坦區(qū)斷口可見從彈簧彎曲部位外側(cè)圓角處起始的放射棱線，平坦區(qū)中間部位可見疲勞弧線，粗糙區(qū)為瞬斷形貌，因此彈簧是從彎曲部位外側(cè)圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋穩(wěn)態(tài)擴展到彈簧1/2半徑位置，由于應(yīng)力較大且受力方向改變形成臺階瞬時斷裂。

3.2 微觀檢查

用掃描電鏡觀察，如圖1所示，箭頭所指處為疲勞源區(qū)。疲勞源區(qū)放射棱線清晰，可以看出疲勞起始于彈簧表面，在鄰近源區(qū)的部位即看到疲勞弧線。進一步放大觀察，擴展區(qū)疲勞條帶細密，有多條二次裂紋。疲勞源區(qū)和擴展區(qū)均未見冶金缺陷。

我們在源區(qū)附近表面觀察，彈簧彎曲部位有長約3.5mm、寬約0.6mm的縱向痕跡，在靠近彎曲部位外側(cè)圓角處有金屬堆積現(xiàn)象。該痕跡應(yīng)是彈簧與離合器保持架凹槽接觸時產(chǎn)生的。源區(qū)側(cè)面放大觀察，可見沿彈簧橫向分布的擦痕。該痕跡應(yīng)為彈簧加工過程中在彎曲時的壓痕。

3.3 理化分析結(jié)論

彈簧斷裂為疲勞斷裂，裂紋起始于彎曲部位外側(cè)圓角處，疲勞源區(qū)未見冶金缺陷。彈簧裂紋的產(chǎn)生可能與受力異常有關(guān)。

4 相關(guān)檢查及彈簧變形理論計算

4.1 尺寸檢查

檢查起動發(fā)電機各零件的相關(guān)尺寸，除滾棒離合器的保持架槽 R2實際僅為R0.5左右不合格外，其余主動齒輪、離合器、凸輪、滾子均合格。

在滾棒離合器模擬恢復(fù)原狀態(tài)過程中，發(fā)現(xiàn)組合鉆孔時，保持架與夾具的劃線沒有對正，測量前蓋板上孔角度為10°，按圖紙要求偏離約2°，換算行程距離增加約1mm。測量彈簧的展開長度124.835mm，為設(shè)計圖要求展開長度的下限，因彈簧收緊時纏繞凸輪軸面，此時彈簧鉤可能被超范圍拖拽。

4.2 彈簧表面脫碳檢查

為驗證本次故障是否與彈簧在熱處理時脫碳有關(guān)，我們采取在彈簧的橫截面磨金相觀察的方法對斷裂彈簧進行了脫碳情況檢查，結(jié)果未見脫碳層，從而排除了該影響因素。

4.3 彈簧變形理論計算

當(dāng)滾棒離合器自由狀態(tài)，弓形彈簧迫使凸輪頂住滾棒，此時彈簧兩個約束點間角度約為71°。離合器的運動極限位置就是墊圈凸邊與凸輪擋邊相碰的位置，通過這個位置理論計算出正常工作狀態(tài)下凸輪需旋轉(zhuǎn)的最大角度約為9°，進而計算出彈簧移動的長度約為3.3mm。故障件滾棒離合器墊圈的凸臺位置順時針偏離原設(shè)計位置2°～4°，造成離合器的運動極限位置也隨著變動，即墊圈凸邊與凸輪擋邊相碰的距離加長約0.7mm～1.46mm，進而造成彈簧移動的長度增加21%～44%。

5 原因分析

分解測量發(fā)現(xiàn)前蓋板的兩個凸邊在星形輪的凹槽中有偏斜，約10°，相當(dāng)于彈簧的工作行程增加了約1mm，這使彈簧不能在正常彈性范圍內(nèi)工作，造成彈簧的直角處額外受力，從而造成了該處的疲勞。

造成這個偏斜的原因是加工過程中，操作者在將兩個機件鉚接前的打孔時未能按要求將零件上的定位凹槽對準(zhǔn)夾具上的刻線。另外一個不利因素是彈簧恰好是展開長度的下限，這些綜合因素共同作用導(dǎo)致了彈簧逐漸形成疲勞而斷裂。

6 制定改進措施

在組合鉆前蓋板孔時，將夾具上的刻線位置目視對正改為定位塊固定槽定位，確保零件加工符合設(shè)計要求角度。

滾棒離合器保持架槽口R2的加工方式由銼修改為銑床加工。工藝上明確在相鄰表面形成的棱邊須打磨圓滑，使整個圓弧與相鄰表面形成圓滑轉(zhuǎn)接，防止出現(xiàn)棱邊凸起。

控制彈簧加工長度在中上限水平，同時加強彈簧加工時表面質(zhì)量的控制。

結(jié)語

通過對起動發(fā)電機分解檢查，發(fā)現(xiàn)滾棒離合器彈簧斷裂后，對彈簧故障件開展理化分析、相關(guān)尺寸檢查、彈簧變形理論計算、機理分析、前蓋板制造過程復(fù)查、彈簧表面的脫碳檢查等一系列工作，探究彈簧斷裂失效的主要因素，進而找出起動發(fā)電機故障原因，為制定改進措施，完善優(yōu)化工藝，提升彈簧及相配件加工和裝配質(zhì)量打下堅實的基礎(chǔ)。

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