| 标题 | 滚棒离合器弹簧断裂故障分析 |
| 范文 | 李丰丰 陶传戈 摘 要：本文主要通过分解检查出现故障的某航空发动机起动发电机，发现滚棒离合器弹簧断裂后，对弹簧故障件进行设计结构以及基本工作原理介绍，开展理化分析、相关尺寸检查、弹簧变形理论计算、弹簧表面的脱碳检查等一系列工作，探究弹簧断裂失效原因，进而找出起动发电机故障原因，采取完善优化零件加工工艺等改进措施，以确保弹簧装配位置符合设计图纸要求，进而满足发动机的使用要求。 关键词：航空发动机；起动发电机；滚棒离合器；弹簧；断裂 中图分类号：TH133 文献标志码：A 某航空发动机地面试车时，发动机起动成功后，起动发电机停止转动，试车两次故障现象相同。将起动发电机拆下后加负载，起动发电机工作正常。 故障发生后，随即对出现故障的起动发电机进行分解检查，发现双速传动中摩擦离合器，棘爪离合器正常，滚棒离合器的弹簧断裂。故障弹簧类似“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。 1 设计结构 滚棒离合器由星形轮、护圈、外环、滚棒和弹簧等部分组成。滚棒装到护圈周边的孔内，用以保护滚棒的相对位置不变。套在星形轮的外部护圈和星形轮之间还装有一个弹簧，弹簧的一端插在星形轮的小孔内，另一端卡入护圈的槽内，弹簧的弹力总是试图消除外环、滚棒和星形轮三者之间的间隙，使离合器处于结合状态。在护圈上还固定有前盖板，前盖板的两个凸边在星形轮的凹槽中，它的作用是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，同时限定弹簧在弹性范围内工作，其装配位置直接决定弹簧的工作状况。 2 基本工作原理介绍 双速传动装置中滚棒离合器的功用是在发动机起动完成后进入工作状态时，电机带动摩擦离合器和棘轮离合器转动，通过附件机匣带动高压压气机，此时滚棒离合器不参与工作。起动结束后， 棘轮离合器退出工作，由高压压气机带动滚棒离合器和摩擦离合器转动，起动发电机进入发电状态。这时，滚棒离合器才投入工作。凸轮变为主动轮，随着发动机转速的增加，凸轮转速也提高，当凸轮转速大于套圈转速时，凸轮带动滚棒“上坡”，滚棒进入凸轮工作位置而落在小楔角内，处于“楔紧状态”，从而带动摩擦离合器，传动起动发电机。弓形弹簧具有扩张功能，保证凸轮和保持架相互制动。在转速变化情况下，当离合器套圈转速大于凸轮转速时，滚棒离合器不工作，利用弓形弹簧的压缩功能，将凸轮和保持架相互弹开，从而将工作的“楔紧状态”转为脱开状态。如果滚棒离合器的弹簧断裂，使滚棒离合器内外环趋于结合的力消失，滚棒离合器将不能进入楔紧状态，传递线路中断，电机不能转入正常工作。 3 理化分析 3.1 宏观检查 经实体显微镜观察，弹簧断口呈灰黑色，靠近端头弯曲部位外侧圆角处的断口较平坦，平坦区面积约占断口面积的1/2，靠近弹簧内圆的斷口较粗糙，而且平坦区和粗糙区有较大的起伏台阶。平坦区断口可见从弹簧弯曲部位外侧圆角处起始的放射棱线，平坦区中间部位可见疲劳弧线，粗糙区为瞬断形貌，因此弹簧是从弯曲部位外侧圆角处产生疲劳裂纹，裂纹稳态扩展到弹簧1/2半径位置，由于应力较大且受力方向改变形成台阶瞬时断裂。 3.2 微观检查 用扫描电镜观察，如图1所示，箭头所指处为疲劳源区。疲劳源区放射棱线清晰，可以看出疲劳起始于弹簧表面，在邻近源区的部位即看到疲劳弧线。进一步放大观察，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。 我们在源区附近表面观察，弹簧弯曲部位有长约3.5mm、宽约0.6mm的纵向痕迹，在靠近弯曲部位外侧圆角处有金属堆积现象。该痕迹应是弹簧与离合器保持架凹槽接触时产生的。源区侧面放大观察，可见沿弹簧横向分布的擦痕。该痕迹应为弹簧加工过程中在弯曲时的压痕。 3.3 理化分析结论 弹簧断裂为疲劳断裂，裂纹起始于弯曲部位外侧圆角处，疲劳源区未见冶金缺陷。弹簧裂纹的产生可能与受力异常有关。 4 相关检查及弹簧变形理论计算 4.1 尺寸检查 检查起动发电机各零件的相关尺寸，除滚棒离合器的保持架槽 R2实际仅为R0.5左右不合格外，其余主动齿轮、离合器、凸轮、滚子均合格。 在滚棒离合器模拟恢复原状态过程中，发现组合钻孔时，保持架与夹具的划线没有对正，测量前盖板上孔角度为10°，按图纸要求偏离约2°，换算行程距离增加约1mm。测量弹簧的展开长度124.835mm，为设计图要求展开长度的下限，因弹簧收紧时缠绕凸轮轴面，此时弹簧钩可能被超范围拖拽。 4.2 弹簧表面脱碳检查 为验证本次故障是否与弹簧在热处理时脱碳有关，我们采取在弹簧的横截面磨金相观察的方法对断裂弹簧进行了脱碳情况检查，结果未见脱碳层，从而排除了该影响因素。 4.3 弹簧变形理论计算 当滚棒离合器自由状态，弓形弹簧迫使凸轮顶住滚棒，此时弹簧两个约束点间角度约为71°。离合器的运动极限位置就是垫圈凸边与凸轮挡边相碰的位置，通过这个位置理论计算出正常工作状态下凸轮需旋转的最大角度约为9°，进而计算出弹簧移动的长度约为3.3mm。故障件滚棒离合器垫圈的凸台位置顺时针偏离原设计位置2°～4°，造成离合器的运动极限位置也随着变动，即垫圈凸边与凸轮挡边相碰的距离加长约0.7mm～1.46mm，进而造成弹簧移动的长度增加21%～44%。 5 原因分析 分解测量发现前盖板的两个凸边在星形轮的凹槽中有偏斜，约10°，相当于弹簧的工作行程增加了约1mm，这使弹簧不能在正常弹性范围内工作，造成弹簧的直角处额外受力，从而造成了该处的疲劳。 造成这个偏斜的原因是加工过程中，操作者在将两个机件铆接前的打孔时未能按要求将零件上的定位凹槽对准夹具上的刻线。另外一个不利因素是弹簧恰好是展开长度的下限，这些综合因素共同作用导致了弹簧逐渐形成疲劳而断裂。 6 制定改进措施 在组合钻前盖板孔时，将夹具上的刻线位置目视对正改为定位块固定槽定位，确保零件加工符合设计要求角度。 滚棒离合器保持架槽口R2的加工方式由锉修改为铣床加工。工艺上明确在相邻表面形成的棱边须打磨圆滑，使整个圆弧与相邻表面形成圆滑转接，防止出现棱边凸起。 控制弹簧加工长度在中上限水平，同时加强弹簧加工时表面质量的控制。 结语 通过对起动发电机分解检查，发现滚棒离合器弹簧断裂后，对弹簧故障件开展理化分析、相关尺寸检查、弹簧变形理论计算、机理分析、前盖板制造过程复查、弹簧表面的脱碳检查等一系列工作，探究弹簧断裂失效的主要因素，进而找出起动发电机故障原因，为制定改进措施，完善优化工艺，提升弹簧及相配件加工和装配质量打下坚实的基础。 参考文献 [1]李海霞，黄亮，李兴东，等.某电厂高压调节阀辅助弹簧断裂分析[J].中国重型装备，2017（4）：45. [2]齐杏林， 刘加凯， 单宁. MEMS 平面W 型弹簧变形特性研究[J].机械强度，2013（6）：774-775. [3]潘文仕.碟形弹簧失效分析与改进措施[J].机械工程师，2016（9）：256-257. |
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