某型渦輪動力裝置鉚釘斷裂故障分析

王 波

(空裝駐南京地區(qū)第三軍事代表室，江蘇 南京 211106)

0 引言

鉚釘連接[1]是飛機機載設(shè)備中常用的一種緊固方式，具有連接可靠、節(jié)省空間等優(yōu)點。某型渦輪動力裝置用于飛機能源系統(tǒng)，渦輪動力裝置的齒輪箱出現(xiàn)了鉚釘斷裂故障。該齒輪箱為二級減速箱，包含數(shù)對嚙合的漸開線圓柱齒輪副，其中中間齒輪組件的兩個齒輪采用了鉚釘連接。

1 故障現(xiàn)象

渦輪動力裝置在廠內(nèi)試驗時，出現(xiàn)了能源輸出異常情況。對渦輪動力裝置采取停車檢查，發(fā)現(xiàn)渦輪能靈活轉(zhuǎn)動，但電機驅(qū)動齒輪和泵驅(qū)動齒輪無法轉(zhuǎn)動。分解減速箱發(fā)現(xiàn)中間齒輪組件上的3個鉚釘全部斷裂，中間大齒輪與中間小齒輪徹底分離，分別見圖1和圖2，兩齒輪的鉚釘孔附近存在裂紋，泵驅(qū)動齒輪上的甩油盤有周向碰擦痕跡，其余零部件無異常，未發(fā)現(xiàn)異物。初步判斷，產(chǎn)品失效原因是中間齒輪組件的鉚釘斷裂，導(dǎo)致減速箱無法向電機和液壓泵傳遞渦輪的軸功率。

圖1 故障件的中間小齒輪 圖2 故障件的中間大齒輪

2 故障分析

中間齒輪組件由中間大齒輪、中間小齒輪和軸承組成，沿圓周均勻分布的3個不銹鋼圓柱頭鉚釘將中間小齒輪固定在中間大齒輪上，鉚釘承受剪切力，并傳遞兩齒輪間的扭矩，見圖3。

圖3 中間齒輪組件

2.1 鉚接強度計算[2]

對鉚釘受力情況進行分析：泵驅(qū)動齒輪和電機驅(qū)動齒輪同時與中間小齒輪嚙合，并分布在其兩側(cè)，工作時電機驅(qū)動齒輪與泵驅(qū)動齒輪對中間小齒輪的作用力相互抵銷，因此對于鉚釘而言，最惡劣工況是液壓泵輸出最大功率，發(fā)電機不輸出功率。

單個鉚釘承受的剪力Q(N)為：

(1)

其中：T為扭矩；R為鉚接半徑，取25 mm；P為功率，取40 kW；n為轉(zhuǎn)速，取11 480 r/min。經(jīng)計算，單個鉚釘承受的剪力Q=443.6 N。

鉚釘剪切應(yīng)力τ(MPa)為：

(2)

其中：d為鉚釘直徑，取5 mm。經(jīng)計算，鉚釘剪切應(yīng)力τ=22.6 MPa。

中間大齒輪輻板處擠壓應(yīng)力為：

(3)

其中：S1為中間大齒輪與鉚釘有效接觸面積，取26.56 mm2。經(jīng)計算，中間大齒輪輻板處擠壓應(yīng)力σjy1=16.7 MPa。

中間小齒輪輻板處擠壓應(yīng)力為：

(4)

其中：S2為中間小齒輪與鉚釘有效接觸面積，取10 mm2。經(jīng)計算，中間小齒輪輻板處擠壓應(yīng)力σjy2=44.4 MPa。

由以上計算結(jié)果可知：單個鉚釘剪切力為443.6 N，小于5 mm不銹鋼鉚釘?shù)淖畲蠹魯鄻O限8 480 N；鉚釘剪切應(yīng)力為22.6 MPa，中間大齒輪輻板處擠壓應(yīng)力為16.7 MPa，中間小齒輪輻板處擠壓應(yīng)力為44.4 MPa，小于不銹鋼鉚釘許用剪應(yīng)力196 MPa，因此鉚釘連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計上具有較大安全裕量。

2.2 斷口分析

中國航發(fā)北京材料研究院失效分析中心對故障產(chǎn)品進行了檢測，檢測結(jié)果表明3個鉚釘中的一個存在疲勞痕跡，為疲勞斷裂，并且在斷裂過程中承受了異常的彎矩，其余兩個為過載斷裂。斷口分別見圖4～圖6。

圖6 中間大齒輪的輻板(與鉚釘配合處)

2.3 其余檢查情況

根據(jù)故障樹對可能導(dǎo)致鉚釘斷裂的底事件[3-4](鉚釘受到過載沖擊、鉚接孔同心度差、齒輪鉚接面與中心軸的垂直度差、齒輪材料及鉚釘材料不達標(biāo)、鉚釘尺寸不合格、鉚釘流線不順、冷鐓折疊[5]、負(fù)載過大、負(fù)載周期變換、軸承襯套位置度差、箱體箱蓋孔中心距不達標(biāo))逐一排查，并對性能試驗數(shù)據(jù)進行檢查，發(fā)現(xiàn)兩點異常:①滑油壓力在所有重載工況中均出現(xiàn)一個下降的臺階，該現(xiàn)象與其他產(chǎn)品試驗曲線有差異，見圖7；②泵驅(qū)動齒輪上的甩油盤存在碰擦痕跡，見圖8。

圖7 故障產(chǎn)品的滑油壓力曲線

圖8 甩油盤磕碰痕跡

3 故障機理

按照斷口分析結(jié)論，鉚釘除了受到剪切力外還受到了彎曲力，施力方向沿鉚釘徑向，結(jié)合甩油盤外側(cè)根部的碰擦痕跡可以確定：產(chǎn)品工作時，中間小齒輪的齒頂與甩油盤發(fā)生了碰擦，造成甩油盤擺動，引起皮托管進口滑油壓力不穩(wěn)(滑油系統(tǒng)依靠甩油盤中的滑油旋轉(zhuǎn)沖壓進入皮托管，見圖9)。

圖9 皮托管供油裝置

中間齒輪組件和甩油盤(固定在泵驅(qū)動齒輪上)裝配位置示意見圖10，正常工作情況下中間小齒輪與甩油盤軸向間隙約2 mm，只有當(dāng)中間齒輪組件出現(xiàn)了向上的軸向竄動，甩油盤和泵驅(qū)動齒輪出現(xiàn)了向下的軸向竄動時，才能造成碰擦。

圖10 中間齒輪組件和甩油盤的裝配

只有鉚接異常情況下，即中間小齒輪與中間大齒輪鉚接后軸線存在角度偏差時(見圖11)，中間小齒輪與泵驅(qū)動齒輪嚙合產(chǎn)生軸向力(類似斜齒輪因螺旋角產(chǎn)生的軸向推力)，才會引起中間齒輪組件和泵齒輪軸向竄動。鉚接質(zhì)量問題在后續(xù)另一臺產(chǎn)品的檢查中得到證實：該產(chǎn)品同樣出現(xiàn)滑油壓力不穩(wěn)和甩油盤碰擦痕跡，但鉚釘未斷。

圖11 裝配異常時鉚釘受力示意圖

4 驗證情況

將該渦輪動力裝置僅更換中間齒輪組件并進行對應(yīng)模式的試驗，試驗后各項數(shù)據(jù)合格，滑油壓力等參數(shù)曲線無異常(見圖12)，試驗合格。

圖12 改進后的滑油壓力

故障定位后將所有庫存的中間齒輪組件領(lǐng)出，計量中間小齒輪和中間大齒輪間跳動量，結(jié)果均小于0.1 mm，符合工藝要求，未發(fā)現(xiàn)鉚接不合格。因此可以判定鉚接質(zhì)量問題非批次性問題。

5 結(jié)束語

通過上述檢查及試驗驗證，得出如下結(jié)論：渦輪動力裝置鉚釘斷裂故障定位在中間齒輪組件，故障原因是中間齒輪組件鉚接質(zhì)量差，導(dǎo)致中間小齒輪與中間大齒輪軸線存在角度偏差，造成工作時中間齒輪組件和泵驅(qū)動齒輪出現(xiàn)軸向竄動并發(fā)生中間小齒輪和甩油盤磕碰，碰撞導(dǎo)致皮托管進口滑油壓力不穩(wěn)，同時向鉚釘傳遞了額外的彎矩，造成碰撞點附近的鉚釘疲勞斷裂，該鉚釘斷裂后，承力結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，其余兩個鉚釘過載斷裂。該故障為偶發(fā)故障，后續(xù)改進鉚接工藝，并補充鉚接后的檢查工序，杜絕了同類故障的發(fā)生。