某型直升機主減滑油冷卻裝置斜流風機斷軸故障分析及改進

馬小虎，韓雅慧，張 宇

(1.陸軍裝備部 裝備項目管理中心，北京 100070；2.陸軍航空兵學院 航空機械工程系,北京 101123；3.61255部隊修理營，北京 100071)

0 引言

2016年某日，某型直升機在飛行訓練中，主減滑油溫度顯示高出正常工作范圍。著陸后檢查發現，主減滑油冷卻裝置斜流風機傳動軸從保險截面處斷裂(如圖1)。發生故障時，該產品隨直升機共飛行216小時。現場初步檢查了故障件損壞情況和機上安裝情況，并配合用戶將備件安裝到直升機上，風機安裝過程無異常。

圖1 故障產品情況

1 產品結構和工作原理

斜流風機產品結構如圖2所示,主要包括蝸殼、罩殼、葉輪、軸承、軸承殼體、軸、傳動軸、軸承壓蓋、軸承擋套、葉輪擋套等零件[1]。

圖2 斜流風機結構圖

其工作原理為：直升機主減速器上的內花鍵帶動風機軸端的外花鍵旋轉工作，葉輪高速旋轉抽吸安裝在風機進口的空氣-滑油散熱器的冷邊空氣，對熱邊的滑油進行冷卻。傳動軸設置有一剪切斷面(安全截面)，當風機軸扭矩超出設計最大扭矩時，風機軸在該斷面必須斷開，以防止風機意外卡滯導致主減損壞。

2 故障分析

2.1 初步原因分析

在用戶現場檢查故障件損壞情況，發現傳動軸斷裂，傳動軸與軸連接處的密封圈破裂，傳動軸脫出，軸內花鍵已無潤滑脂，轉子卡滯，葉輪與罩殼偏磨。初步判斷軸承已損壞。

針對軸斷裂故障，開展了失效分析，判定斷口性質的化驗結果為大應力作用下的過載斷裂。斷口未見疲勞特征，進而判定傳動軸斷裂不是軸承失效原因引起的，而是某種原因引起軸承失效，軸承失效導致轉子卡滯，傳動軸剪切斷面處承受扭矩超過設計最大扭矩，傳動軸發生保護性斷裂。

2.2 定位分析

2.2.1 故障樹分析

根據故障原因初步分析結果，結合產品結構和工作原理，從產品的設計、生產、使用以及軸承制造、安裝等方面入手，列出有可能造成故障的各個底事件，建立故障樹[2]，如圖3。

2.2.2 底事件排查

經排查，除X7外，其他事件均能排除。底事件X7R的排查情況如下：

圖3 產品故障樹

詢問用戶機務人員，認為故障件拆裝沒有異常，沒發現螺釘松動、產品承受附加力等情況。但在用戶現場檢查故障時，發現故障件與主減對接的安裝面存在未完全接觸現象；螺釘孔有較嚴重偏磨和壓痕，端面有異物。

進一步檢查發現：與主減對接的蝸殼法蘭端面形位公差超差，但檢查與罩殼連接的風機進口法蘭形位公差，符合圖樣要求，由此判斷形位公差超差不合格不是風機偏磨導致的，而是風機在機上安裝不到位引起的(見圖4)。

圖4 與主減對接的風機法蘭盤外形及超差情況

另外，目視檢查傳動軸花鍵齒受力面，兩端花鍵均存在明顯的受力不均、偏磨等現象，見圖5。檢查廠內用于鑒定試驗件花鍵齒，不存在齒面不均勻磨損問題。

圖5 與主減配合的外花鍵齒磨損情況

排查結論：機上安裝偏斜會導致主減軸與風機軸不同心，風機傳動軸花鍵受力不均，進一步導致風機轉子振動，軸承受力加大，溫度升高，最終導致軸承因過載、高溫失效。

2.3 機理分析

2.3.1 花鍵受力及傳動過程

風機通過傳動軸外花鍵與主減輸出軸內花鍵配合，傳遞扭矩。為保證內外花鍵準確配合，減少花鍵的派生徑向力，結構方面采取兩個措施：一是風機法蘭盤與主減安裝座依靠兩個精加工的定位面配合保證同心；二是風機傳動軸設計成柔性結構，依靠軸的微小變形及漸開線齒形自動定心的特點，部分補償兩個花鍵的不同心，保證花鍵齒盡量均勻參與扭矩的傳遞。

風機傳動軸因其變形量有限，難以補償風機和主減內外花鍵過大的不同心；另一方面，風機傳動軸的柔性結構設計雖然能夠補償花鍵齒接觸，但也難以確保各個花鍵齒受力均勻。因此，風機與主減花鍵任何不同心或傳動軸安裝不到位均會導致內外花鍵受力不均，并產生附加徑向力作用于風機和主減的軸及軸承，所產生的徑向力會使傳動軸的剪切斷面產生附加彎矩，并使軸承負荷加大，對軸承壽命帶來影響。嚴重的不同心會導致傳動軸由于難以承受較大的交變載荷而短時間斷裂或使軸承短時間內損壞。

2.3.2 內外花鍵偏斜對轉子的影響

內外花鍵齒工作中受力情況如圖6所示。正常情況，所有齒參與扭矩傳遞，由于花鍵齒沿圓周均勻分布，因此每個花鍵齒的派生徑向力相互抵消。而當只有部分齒參與扭矩傳遞時，顯然徑向力不能互相抵消，即產生了附加徑向力。該力作用在傳動軸上，并通過傳動軸最終由軸承承受。

當兩個花鍵軸心相差0.115mm時(此時風機實際偏斜)，不考慮軸變形，花鍵齒只有5個接觸。剩余不接觸的齒面單側最大間隙增大0.23mm。

圖6 花鍵齒工作時的受力情況

2.3.3 風機偏斜原因分析

產品技術使用說明書中，未明確安裝方法和要求。根據故障件風機安裝痕跡，風機法蘭螺釘孔與主減螺柱有嚴重的接觸偏磨現象，因此推斷安裝過程曾出現較大的偏斜(如圖7)。

圖7 風扇放置主減安裝座時，內外花鍵偏轉示意圖

當將風機與主減座對接時，由于受風機密封圈軸向阻力作用，較難直接放置到位，需要依靠自鎖螺母壓緊到位。風機安放初始位置主減與風機傳動軸花鍵很可能已接觸，自鎖螺母擰緊過程需逐步調節，防止花鍵損傷。偏心可能在安裝過程產生，安裝到位后消失，但可能已對花鍵或剪切軸造成了損傷。同樣，偏心也可能在安裝后仍存在。兩者均會對風機運行帶來隱患。

3 排故工作及解決措施

3.1 故障復現

在工廠對已完成定期例行試驗的產品上，在風機安裝法蘭面(與主減對接面)局部加0.18mm的墊片，人為造成“安裝偏斜”(相當于偏斜0.084°)，測量該狀態風機蝸殼振動情況，并與正常安裝狀態進行比較。經比較，增加墊片后，風機振動加速度增大明顯，完成了原理復現。對比試驗振動情況見表1。

表1 風機正常安裝與法蘭局部增加墊片后振動情況比較

經驗證發現，風機安裝偏斜對轉子振動影響較大。由于風機轉子振動載荷主要由葉輪端軸承承擔，葉輪端軸承在長期較大的振動載荷作用下，一方面會使軸承溫度升高，另一方面轉子動平衡逐步破壞，最終導致軸承失效。

3.2 糾正措施及驗證情況

3.2.1 糾正措施

復查主減滑油冷卻裝置技術使用說明書，發現該說明書中未對主減滑油冷卻裝置明確安裝要求，需對說明書進行更改，明確相關要求。

一是風機安裝前，目視檢查風機外花鍵、剪切斷面、蝸殼安裝面(平面及圓柱面),確保無異物及損傷；檢查安裝面倒角、孔、邊無毛刺、飛邊等，并在直升機維修手冊中增加與風機對接的主減安裝面檢查要求；相應檢查主減安裝面(平面及內圓柱面),確保無異物、漆層及損傷；檢查安裝面倒角、邊緣無毛刺、飛邊等。

二是風機安裝過程中，依靠4個自鎖螺母將風機壓裝到位。4個自鎖螺母擰緊過程應盡量均勻一致，防止風機發生過度偏斜損壞花鍵或傳動軸剪切斷面。

三是風機安裝后，檢查風機葉輪葉片沿圓周應有活動量(主減軸固定)，并在直升機維修手冊中增加“用0.05mm塞尺檢查風機與主減安裝面應無間隙”的檢查要求。

四是風機拆卸時，首先拆除自鎖螺母，然后手動向上拉、拔風機，使風機安裝法蘭面與主減法蘭面出現間隙，再在兩側分別用兩個螺絲刀插入縫隙，將風機從主減安裝孔中撬出。螺絲刀應包覆銅皮或綢布等，防止損傷風機和主減安裝面。

3.2.2 驗證情況

根據更改后的主減滑油冷卻裝置技術使用說明書要求進行了風機安裝和拆卸工作，證明所采取的安裝、拆卸及檢查措施在直升機上可方便實施。同時，按更改措施安裝的主減滑油冷卻裝置隨直升機飛行了100小時，主減滑油冷卻裝置工作正常，飛行后檢查主減與風機配合面(法蘭端面、圓柱面)沒有發現損傷，風機傳動軸與軸之間無缺脂現象。

4 結論和啟示

綜上所述，由于主減滑油冷卻裝置技術使用說明書中未對斜流風機的安裝、拆卸、檢查要求作出明確規定，造成用戶在安裝風機時發生安裝不到位問題，進而造成產品發生斷軸故障。從這起故障排查中，應受到以下啟示：

一是在產品狀態定型審查時，應加強對文件資料的審查把關，細化安裝、拆卸、檢查要求，確保向用戶交付的技術文件資料內容完整、準確。

二是要加強對用戶維護人員的技能培訓，類似本文所述主減滑油冷卻裝置的風機安裝技術應是維護人員必須掌握的的基本技能。