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双速传动装置离合器断裂故障分析

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摘要:针对燃机出现的故障,即燃机在地面起动成功后,直流电机信号灯不灭,起动发电机无法从“起动机”转接到“发电机”工作状态,导致燃机停止使用,外场通过更换双速传动装置确定了故障部位,待燃机返厂后,对故障的双速进行了分解检查,确认是传动装置内滚棒离合器卡簧发生了断裂,并开展了一系列针对性的断口检查、故障件的解剖检查、机理分析、制造质量分析、弹簧表面的脱碳检查和故障模拟试验等综合分析工作,最终确定导致卡簧断裂故障产生的根本原因是前盖板和护圈等相配机件的加工质量问题,并制定了相应的改进措施,以预防该类故障的发生。

关键词:直流电机;起动发电机;双速传动装置;滚棒离合器;Ω型;卡簧;断裂

1故障现象

燃机在地面起动成功后,直流电机信号灯不灭,起动发电机无法从“起动机”转到“发电机”工作状态,导致燃机停止使用。更换双速传动装置后故障排除,因此确定双速传动装置内离合器故障是燃机停止使用的原因。

2故障检查

分解检查故障双速传动装置发现,滚棒离合器[1]内卡簧断裂,其余部件未见异常。

2.1断口检查2.1.1宏观检查观察卡簧断口的宏观形态如下:故障卡簧类似Ω型,一侧端头向上弯曲,另一侧在平面方向向右侧弯曲,断裂部位在右侧弯曲处(见图1)。图1中箭头所指位置即为卡簧的断裂部位,断裂起始部位的放大形貌如图2所示。图1卡簧外观图2断裂位置放大形貌经实体显微镜观察可知,卡簧断口呈灰黑色,在卡簧靠近R一侧断口较平坦,平坦区面积约占断口面积的1/2;靠近卡簧内圆的断口较粗糙,而且平坦区和粗糙区有较大的起伏台阶。平坦区断口可见从卡簧R表面起始的放射棱线,平坦区中间部位可见疲劳弧线,粗糙区为瞬断形貌;因此可知,卡簧是从弯曲部位R处产生疲劳裂纹,裂纹稳态扩展到卡簧1/2半径位置,由于应力较大且受力方向改变,从而形成台阶并瞬时断裂。2.1.2微观检查经扫描电镜观察,断口全貌如图3所示,图3中箭头所指处为疲劳源区。疲劳源区的放大图如图4所示,由图4可以看出,疲劳源区放射棱线清晰,疲劳起始于卡簧表面,在邻近源区的部位即看到疲劳弧线。进一步放大观察可知,扩展区疲劳条带细密,有多条二次裂纹。疲劳源区和扩展区均未见冶金缺陷。2.1.3源区附近表面观察源区附近表面观察可见,卡簧弯曲部位有长约3.5mm、宽约0.6mm的纵向摩擦痕迹,在靠近R处该痕迹有金属堆积现象(见图5),该痕迹是卡簧与离合器护圈凹槽接触时产生的。源区侧面放大观察可见,沿卡簧横向分布着擦痕(见图6)。另外,故障件离合器护圈凹槽的侧棱边打磨很粗糙,转接处存在小的棱边,不符合此处R2转接圆滑的要求。图5卡簧弯曲部位的摩擦痕迹图6源区侧面的擦痕2.1.4断口观察结论断口观察可知,卡簧断裂为疲劳断裂,裂纹起始于转接R处,疲劳源区未见冶金缺陷[2],卡簧裂纹的产生可能与离合器护圈凹槽转接过渡不圆滑有关。

2.2故障件的解剖检查故障件解剖后,检查了各零件的相关尺寸,除护圈槽不合格外(R2mm实际仅约为R0.5mm),其余零件(主动齿轮、离合器、凸轮和滚子)均合格。在故障件模拟恢复原状态过程中发现,组合钻孔时,故障件的保持架与夹具的划线没有对正,测量前盖板上孔角度为10°,按图样要求偏斜约2°,换算成行程距离,增加了约1mm。测量卡簧的展开长度为124.835mm,是设计图样要求的展开长度124.484~130.715mm的下限,卡簧收紧时缠绕凸轮40mm轴面,此时弹簧钩被拖拽。

3综合分析

3.1机理分析3.1.1双速传动装置工作原理双速传动装置[3]由镁合金制成的双速传动机匣壳体和盖子组成,其中安装有棘轮离合器、滚棒离合器和摩擦离合器。当燃机起动时,起动发电机带动燃机和附件工作[4]。这期间,棘轮离合器中被弹簧顶起来的制动爪处在棘轮式齿轮的槽内,使棘轮离合器[5]处于啮合状态。扭矩的传递路线是从起动发电机经离合器拨轮和摩擦离合器至主动齿轮[6],主动齿轮传给棘轮式齿轮,再经棘轮离合器传给拨轮,最后经齿轮的内花键传递给发动机,滚棒离合器不参与工作。燃机起动之后,当燃机N2转速达到32%时,燃机工作状态是高压压气机带动滚棒离合器和摩擦离合器工作,棘轮离合器不参与工作[7],起动发电机转为发电状态。从动齿轮用花键连接着滚棒离合器的凸轮成为主动,其外圈成为被动,使凸轮转速高于外圈转速,使滚子楔紧,从而将燃机的扭矩经主动齿轮和摩擦离合器直接传给起动发电机。一旦滚棒离合器的卡簧断裂,传递线路中断,摩擦离合器和电机就会停止转动,符合发现的故障情况。3.1.2滚棒离合器工作原理滚棒离合器由星形轮、护圈、外环、盖板、滚棒和卡簧等组成[8],其结构图如图7所示。图7中,8个滚棒装到护圈周围的孔内,用以保护滚棒的相对位置不变。套在星形轮外部的护圈和星形轮之间还装有1个卡簧,卡簧的一端插在星形轮的小孔内,另一端卡入护圈的槽内,卡簧的弹力总是力图消除外环、滚棒和星形轮三者之间的间隙,使离合器处于接合状态。在护圈上还固定有前盖板,前盖板的2个凸边在星形轮的凹槽中,其作用如下:1)在外环转速大于星形轮转速情况下,防止滚棒越过空腔中间而被星形轮的另一边卡住;2)限定卡簧在弹性范围内工作,防止偏斜造成的弹性改变。

3.2制造质量分析解剖分析表明,前盖板的2个凸边在星形轮的凹槽中有偏斜(偏斜约2°),相当于卡簧的伸长量增加了1mm,这个伸长量使应力增加,加速了卡簧的疲劳。这个偏斜的产生是由于装配过程中未能对正凸边凹槽的中线造成的。工艺要求对正凹槽的中线再钻前盖板的铆钉孔,一旦铆钉孔钻完就无法进行修正。从故障件的偏斜看,主要是在这道工序卡簧加大行程,导致应力增加而产生疲劳。护圈与卡簧转角处的接触部位转接R不圆滑,该处工艺要求为R2mm,实际测量约为R0.5mm,而实际上仅用锉刀修过且粗糙,已经加大行程、应力增加的卡簧与粗糙表面摩擦,使卡簧的摩擦部位产生堆积加剧了疲劳的产生。还有一个不利因素是卡簧恰好是展开长度的下限,这些综合因素共同作用导致了卡簧逐渐形成疲劳而断裂。

3.3弹簧表面的脱碳检查为了查验断裂故障是否与弹簧在热处理时脱碳有关,做了故障件的脱碳检查。结果表明,在弹簧的横截面磨金相,未见脱碳层,因而排除材料和热处理缺陷[9]。3.4模拟试验该燃机已生产多年,滚棒离合器首次出现该故障,分析是由多个因素影响造成,属于个别问题。为模拟故障再现,人为制作一个类似故障件的滚棒离合器,进行转动范围内的疲劳试验后,模拟试验的断口与故障件类似,实现了故障再现。

4结语

综合上述分析可知,该故障是由于前盖板、护圈及卡簧的加工质量问题造成的,与使用无关,也不影响其他燃机的使用。这是一个由综合因素引起的概率极小的故障。燃机起动周期结束后,滚棒离合器已投入工作,能够带动发电机运转,不影响燃机工作。如在地面试车发生类似故障,可在现场直接排除。为避免故障的再发生,生产现场应采取如下控制措施:1)在组合钻前盖板孔时,将夹具上的刻线位置由目视对正改为定位块固定槽定位,确保设计要求角度;2)单件离合器护圈[10]槽口R2mm的加工方式由锉修改为铣床加工,将相邻表面形成的棱边打磨圆滑,使整个圆弧与相邻表面形成圆滑转接,防止出现棱边凸起。

参考文献

[1]徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1995.

[2]北京航空材料研究所.航空发动机设计用材料数据手册[M].北京:航空工业出版社,1989.

[3]陈光.航空发动机构造[M].北京:国防工业出版社,1989.

[4]林左鸣.航空发动机失效典型案例分析与研究[M].北京:国防工业出版社,2006.

[5]朱燕生.常用机械零部件及机构优化设计程序库-原理与使用说明[M].北京:机械工业出版社,1987.

[6]辛一行.现代机械设备设计师手册[M].北京:机械工业出版社,1996.

[7]日利茨基.汽轮机的结构和零件强度计算[M].北京:机械工业出版社,1958.

[8]赖伟,林国昌,陈聪慧.燃气轮机滚动轴承故障模式及延寿方法[J].航空发动机,2007(1):37-41.

[9]工程材料实用手册编委会.工程材料实用手册[M].北京:中国标准出版社,1989.

[10]刘秀海.高速滚动轴承动力学分析模型与保持架动态性能研究[D].大连:大连理工大学,2011.

作者:张海华 赵铁军 单位:海军驻沈阳导弹专业军事代表室

传动技术杂志责任编辑:张雨    阅读:人次