某空氣渦輪起動機離合器脫開失效故障分析

葉泳

摘 要：本文對某空氣渦輪起動機離合器脫開失效故障進行介紹，通過建立故障樹詳細分析得出，離合器潤滑系統設計缺陷為起動機離合器故障的原因。對起動機離合器及軸承的結構進行改進，對起動機的輸出軸進行改進，對離合器潤滑結構進行改進，并重新選擇離合器型號后，改進的空氣渦輪起動機進行試驗驗證，起動機功能性能正常，改進措施有效，故障消除。

關鍵詞：空氣渦輪起動機;離合器;脫開失效故障

1 引言

某空氣起動機在工作運行時，監測到空氣渦輪起動機超轉50%，控制器控制空氣渦輪起動機停車。拆下空氣渦輪起動機，起動機目視檢查產品外觀良好，逆時針轉動起動機輸出軸渦輪不轉，順時針轉動輸出軸渦輪旋轉，卡滯現象明顯，證明離合器功能損壞。分解檢查發現，

離合器上堆積大量含金屬屑的油泥，清洗后發現離合器滾子與環形齒輪接觸表面磨損，離合器處的軸承保持架破裂，離合器外軸底部存在大量金屬屑，其余零組件無明顯異常[1]。

2 故障原因分析

損壞的軸承為深溝球軸承，與廠家共同分析保持架斷裂的結果為：軸承潤滑不良造成軸承內、外圈高溫變形，使軸承徑向游隙減少，軸承滾子受到內外圈的擠壓，轉動不均勻，拉扯保持架，造成保持架撕裂。廠內對保持架斷口進行分析，斷裂的原因為過載斷裂[2]。

以離合器脫開功能失效為頂事件開展故障樹分析，具體如下：

2.1離合器選型不當

產品選用正在使用的，轉速、功率量級相當斜撐離合器。該離合器已隨其他型號完成工況相當的1000小時超越旋轉試驗，選型合適。

該項底事件可以排除。

2.2加工問題

離合器采購進口件，對故障件離合器滾子材料進行化驗結果為接近GCr15。隨機測量3個離合器滾子硬度，結果為：HV700、HV684、HV698。

對離合器配合尺寸進行計量，環形齒輪由于磨損嚴重無法計量，從庫房隨機一件同批次新品零件進行計量，結果滿足圖樣要求。

該項底事件可以排除。

2.3油路設計缺陷

當起動機處于超越狀態時，離合器外軸隨輸出軸被帶轉，帶動滑油泵持續工作，保證滑油泵向離合器持續供油。

滑油泵將油池底部的滑油抽吸上來，經噴口噴到離合器。因噴口角度問題，大部分的滑油被零件擋住無法噴入，離合器實際潤滑效果較差。離合器軸承位于死腔內，滑油難以通過高速旋轉離合器進入軸承處，油路不通暢，長時間工作容易造成軸承局部高溫和磨損雜質堆集，潤滑結構設計不合理。

該項底事件不可以排除。

2.4滑油泵供油不足

計算滑油泵流量，驗證滑油泵供油能力。根據計算，滑油泵的供油能力為2.063L/min，目前起動機選用的離合器滑油需求為不小于1.4L/min，因此供油流量可以滿足離合器潤滑需求。

該項底事件可以排除。

2.5初始加油量不足

產品各處靜密封均采用O型膠圈進行密封，實際使用過程中未發現漏油。檢查動密封處未發生漏油。

該項底事件可以排除。

綜上所述，離合器脫開失效是由于滑油油路設計缺陷導致潤滑不良，造成離合器磨損。

3 機理分析

根據起動機運行情況，離合器是在起動完成后超越旋轉時損壞。起動機為獨立潤滑式，超越旋轉期間離合器和離合器軸承一直被發動機反帶，是發熱最為嚴重的工況。因滑油噴口角度設計不合理，大部分的滑油被零件擋住無法噴入離合器，達不到預計的潤滑效果，易發生離合器滾子表面磨損產生雜質。

軸承位于死腔內油路不通暢，僅少量滑油經由高速旋轉離合器進入軸承處，軸承散熱艱難內外圈發生高溫變形，滾子轉動不均勻拉扯保持架撕裂，破碎的保持架碎屑進入離合器滾子部位，加劇離合器部分滾子與內圈磨損，造成離合器脫開失效。

4 糾正措施和驗證情況

主要改進如下：

a）結構設計

改進內部結構，對離合器處的安裝結構和潤滑方式進行了重新設計，改進了輸出軸的設計。環形齒輪用兩個軸承支承在離合器殼體上，用螺母軸向壓緊;離合器用兩個軸承支承在環形齒輪和離合器內軸之間;輸出軸和離合器內軸用花鍵傳遞扭矩。

b）離合器改進設計

離合器更改為另外一型成熟離合器高速超越離合器，改型離合器的最大脫開轉速、再接轉速、最大持續超越運轉轉速、額定起動扭矩、極限扭矩均滿足要求，且由于原離合器。摩擦力矩起動機正常起動時，由外圈驅動內圈傳遞扭矩;起動成功后，離合器處于超越狀態，內圈轉速保持在與發動機相同轉速。

c）起動機輸出軸結構優化

輸出軸承剪段尺寸沿用承剪段的材料、尺寸及熱處理技術要求，保證承剪扭矩不變。與離合器內軸聯接的花鍵根據承剪段的尺寸進行了重新設計，保證其承載能力大于承剪段。輸出軸沿用原輸出軸設計，保證與發動機接口不變。輸出軸軸向留出退讓空間6.5mm，保證超越旋轉失效時實現保護切斷[3]。

d）滑油潤滑設計

起動機整體為獨立潤滑，行星齒輪和和軸承部分浸入油池飛濺潤滑;離合器一部分浸泡在油液中，一部分靠安裝在離合器內軸上的離心泵潤滑。滑油經齒輪座上的滑油流道經齒輪泵抽吸進入離合器內軸的腔內，在離心力的作用下，從離合器內軸上均布的小孔從甩出給離合器潤滑。滑油油位高度一方面需要保證行星齒輪系的潤滑，油位過高則滑油攪動劇烈，油溫過高，腔壓過大;油位過低則潤滑不充分;同時還需保證給離合器潤滑的離心泵能充分的抽吸到滑油。離心泵的抽油能力為，當輸出軸轉速為100%轉速時，離心泵的流量約為1.1L/min，抽油高度為36.5mm;當輸出軸轉速為50%轉速時，離心泵的流量約為0.64L/min，抽油高度為14.5mm。因此綜合考慮，設計滑油容量為220～240mL。

改進設計后的起動機在試驗臺上進行起動試驗，目前已完成500次起動試驗和100h離合器超越旋轉試驗，功能性能正常。

5結論

離合器故障是離合器處潤滑設計缺陷造成離合器磨損導致的。離合器處結構改進設計后，起動機經試驗驗證，工作正常，改進措施有效。

參考文獻：

[1]賽義德. 可靠性工程[M]. 電子工業出版社， 2013.

[2]竇蘊萍. 航空發動機主軸承定壽方法的研究[J]. 華北水利水電學院學報， 1997.

[3]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社.2001.