陈礼顺，刘新灵，卢建红

(1.中国人民解放军5713 工厂，湖北 襄阳 441002;2.中航工业失效分析中心，北京 100095;3.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

发动机起动时由地面电源或机上电源给2 台同步连轴的直流起动发电机供电，起动发电机输出扭矩，带动发动机转子起动发动机。当发动机转子速率达到42% 后，发动机可以独立起动，电源停止向起动发电机供电，起动发电机由起动状态转为发电状态［1］。为实现起动发电机和发动机之间的传递扭矩、保护电机及发动机传动链的功能，在发动机附件机匣内设置了起动发电机和发动机的联接装置——保险联轴节。

近年来，该型发动机在厂内试车和外场使用过程中发电机保险联轴节多次出现断裂失效故障，断裂部位为保险联轴节的保险小轴细颈处，断裂一般发生在起动转发电的过程中或发动机转速增至80%左右，或起动发电机发电一段时间后，严重影响了发动机的使用安全。围绕保险联轴节断裂的故障情况，本研究从保险联轴节的结构和工作原理、设计、加工、装配、工作状况以及发电机故障等方面进行系统地分析，分析航空发动机保险联轴节断裂原因，提出保险联轴节的工艺改进方法，对提高保险联轴节工作可靠性，确保发动机使用安全具有重要的参考作用。

1 保险联轴节的结构和工作原理

图1 保险联轴节结构图Fig.1 Schematic diagram of safety shaft coupling

保险联轴节由外套齿联轴节、内套齿联轴节及与它们内孔紧配合的保险小轴组成，并用2 个销钉固定(图1)，保险小轴的制造材料为40CrNiMo。内、外套齿联轴节端面棘齿的平面互相贴合，棘齿斜面间有间隙。保险联轴节外花键与起动发电机传动齿轮内花键连接，内花键与起动发电机伸出轴外花键连接传递扭矩，轴向有挡圈限位［2］。发动机起动时通过保险联轴节的端面棘齿把起动电机的扭矩传给发动机，保险小轴不传递起动功率;发动机工作后，起动发电机由起动状态转为发电状态，发动机通过保险小轴带动发电机伸出轴旋转，此时，起动发电机的伸出轴的转速继续上升，电枢轴的转速逐渐下降，伸出轴与电枢轴之间由单向离合器连接，如果在起动转发电瞬间，滚棒在伸出轴和电枢轴之间卡滞，则会形成刹车效应，电机转子巨大的惯性冲击力作用在保险小轴上，保险小轴所受扭矩会急剧增大，超过扭断力矩时则会断裂以保护发动机传动链。而在发动机工作后，起动发电机作发电机用，若输出电流超过一定倍数的额定电流(该型发动机约5 倍额定电流)，使保险小轴承受扭矩超过扭断力矩时，保险小轴即被迅速扭断以保护起动发电机。因此，保险小轴的设计，实现了对电机和发动机传动链的双向保护功能［3］。

2 保险小轴断裂原因分析

保险小轴的功用是传递扭矩、保护发动机传动链、保护发电机不因电流过大而受损坏。发电机的额定发电负荷只有12 kW，联轴节的设计载荷为18 kW，在正常工作情况下保险小轴不会发生断裂。但是如果保险小轴的加工精度、保险联轴节的组合装配精度、负载力矩过大，导致保险小轴实际承受的载荷偏离设计载荷或在使用寿命前失去功效，就会造成保险小轴断裂。经查阅相关的技术文件、图纸资料，结合前期的排故经验，建立保险小轴断裂的故障树(图2)，进行故障定位，找出保险小轴断裂的主要故障原因［4］:

图2 保险小轴断裂故障树Fig.2 Fault Tree of fractured safety shaft

2.1 加工质量粗糙，增大应力集中

加工质量粗糙是指保险小轴在加工过程中存在沿周向的加工刀痕、表面粗糙度大或转接圆弧R 值较小，导致保险小轴应力集中、疲劳抗力下降，即使发动机传给起动发电机功率未超过18 kW时，保险小轴也可能在其细颈处提前被扭断。

1)表面存在加工刀痕。对几起保险联轴节故障件的检查，发现保险小轴细颈处表面存在沿周向的加工刀痕，加工刀痕处容易引起应力集中，工作中萌生疲劳裂纹，裂纹沿R 处的加工痕迹垂直于轴向扩展，从而导致扭转疲劳断裂。

2)表面粗糙度大。表面粗糙度大也容易引起应力集中，萌生疲劳裂纹。据有关资料表明，当表面粗糙度由0.8 μm 降低到1.6 μm 时，应力集中系数将由1 增加到1.21，而使疲劳寿命降低17%，疲劳抗力明显降低［5］。

3)转接圆弧R 值较小。为保护起动发电机不受损坏，在保险小轴中部设计了U 形槽，形成转接圆弧R，转接圆弧R 处产生应力集中并易于萌生疲劳裂纹，然后裂纹沿着与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展。最后导致疲劳断裂。据有关资料表明，转接圆弧R 值大小对疲劳影响相当明显:保险小轴直径D 为16 mm，细颈直径d 为10 mm，R 值为2 mm，D/d=1.6，R/d=0.2，计算细颈处应力集中系数为1.33，当R 值减小为1 mm时，细颈处应力集中系数为1.58，应力集中系数增大，使得细颈周边上裂纹扩展速率加大，保险小轴疲劳抗力降低，产生疲劳断裂［5］。

因保险小轴加工质量粗糙导致的断裂模式通常为扭转疲劳断裂，扭转疲劳产生的疲劳裂纹通常是在切应力作用下萌生，在正应力作用下扩展，因此裂纹可能沿纵向萌生，也可能沿横向萌生，但裂纹的扩展一定是在与轴向呈45°的平面上扩展，这个平面与正应力垂直。如果在同一圆周上的多个位置萌生裂纹，断口宏观形貌呈现为典型的星形扭转疲劳花样。

2.2 组合装配偏斜导致各零件配合尺寸的超差

保险联轴节是由外套齿联轴节、内套齿联轴节和与它们内孔紧配合的保险小轴组成，当保险联轴节组合装配时出现偏斜、组合同轴度大(容易造成偏心)、内外花键齿跳动量大、起动发电机安装止口对保险联轴节内花键中心跳动量大，在旋转过程中就会产生附加弯矩，弯曲载荷通过旋转而周期加载到保险小轴上，在扭矩和弯矩共同作用下，其应力分布是外层大、中心小，因而疲劳裂纹在保险小轴两侧首先萌生，且疲劳裂纹在两侧扩展速率较快，在疲劳裂纹扩展的过程中，由于保险小轴还在不断地旋转，疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转，因此最后的瞬断区也向旋转相反的方向偏转一个角度［6］。

2.3 起动发电机机械故障

发电机电枢轴内装有伸出轴，电枢轴和伸出轴用滚棒式单向离合器连接，在离合器的隔离环(橡胶支架)内装有两2 排共8 个钢滚棒，伸出轴做成凸型面，以便保证在发电状态时空心轴与伸出轴结合。当起动发电机在起动时，电枢轴通过主动齿轮带动4 个游星齿轮转动，游星齿轮架与伸出轴通过套齿连接，电枢轴和伸出轴的传动比为3.167∶1，这时电枢轴内单向离合器是脱开的，电枢轴主动，伸出轴被动，滚棒落在型面较低的地方(图3)。当起动发电机转为发电状态时，发动机带动伸出轴旋转，伸出轴主动，电枢轴被动，此时滚棒落在型面较高的地方，见图3。因此伸出轴与电枢轴结成一体，此时减速器整体随转不起作用，传动比为1∶1［2，7］。

图3 单向离合器示意图Fig.3 Schematic illustration of one-way clutch

起动发电机在发电状态时，由于滚棒卡在电枢空心轴与单向离合器之间，容易引起磨损、压痕。当出现离合器端滚棒锲形槽压印较深，电枢空心轴内壁与滚棒结合处严重磨损，使离合器结合间隙变大，橡胶滚棒支架变形起不到限位作用，不能使8 个滚棒在规定的型面上运动，导致滚棒不能在起动(超越状态)结束后，转发电(楔紧)状态时，使滚棒快速沿锲形面滚动，瞬时运动到伸出轴型面的工作位置处，造成伸出轴和电枢轴转子结合时间延长，伸出轴与电枢空心轴不能及时楔紧结成一体，伸出轴不能将发动机功率平稳的传递给电枢轴，而此时电源停止给发电机供电，电枢轴转速快速下降，而伸出轴转速在发动机带动下上升至较高水平，在滚棒离合器接合的瞬间，电枢轴与伸出轴转速差大，形成强烈撞击，所产生的冲击载荷将扩大3.167 倍加载到保险联轴节上，此时保险联轴节所受的载荷远远超出设计载荷，保险小轴断裂以保护发动机传动链。

由于起动发电机机械故障导致保险小轴断裂模式一般为扭转过载断裂。扭转过载断裂是扭矩在轴件表面产生的切应力或正应力大于材料的屈服强度而引发的一种断裂，其断口平整，断面轴向垂直，断面上有漩涡状塑性变形痕迹，这是切应力作用的结果［8］。

2.4 循环交变应力产生的扭转疲劳断裂

发动机在工作状态时，保险联轴节承受着起动发电机起动-发电、发动机起动-工作-停车状态的变化，使得保险联轴节工作过程中承受循环交变应力，扭矩产生的切应力和正应力也是交变的，因此在这种交变应力作用下产生的疲劳断裂也是扭转疲劳断裂。承受扭转载荷的轴，其最大局部拉应力与轴线成45°的方向上，在循环扭转载荷作用下，疲劳裂纹在垂直于最大拉应力的方向发展。保险小轴受到扭转疲劳载荷作用，由于应力集中在最大剪切区，疲劳裂纹则沿垂直最大拉应力的方向扩展，因而在沿轴线量45°的方向形成扭转疲劳断裂花样，宏观断口形貌为典型的星形扭转疲劳特征［9］。

3 改进措施

根据上述故障原因，提出了针对性的改进方法，以提高保险联轴节工作可靠性，确保发动机使用安全:

1)增加保险联轴节内外套齿的跳动量检查要求。

2)调整保险小轴与内外套齿联轴节之间的配合过盈量。

3)在保险小轴细颈处增加了抛光，提高表面粗糙度要求。

4)将冷组合改为温差法和专用工装进行组合，保证保险联轴节组合装配精度。

5)严格发电机的装配过程，特别是滚棒保持架的装配过程中检验人员要全程跟踪检查，该工步也要设为“过程检验”工步。

6)在发动机起动过程未结束之前不能再次按下启动按钮，起动失败后应间隔一段时间后才能再次起动。

4 结束语

发动机起动时通过保险联轴节的端面棘齿把起动电机的扭矩传给发动机，保险小轴不传递起动功率，因此在发动机起动阶段，保险小轴不承受载荷，不会发生断裂;发动机工作后，发动机输出功率，通过保险小轴带动起动发电机进行发电，棘齿不再传递功率，因此保险小轴断裂一般发生在起动转发电的瞬间或发电工作一段时间之后。故障原因主要是保险联轴节存在设计不当、加工精度不高、装配偏斜等问题，起动发电机为双向发电机，在起动中作为电动机使用，起动完毕后作为发电机使用，容易造成机械故障，加之保险小轴是处于循环交变应力作用下工作的，容易引起扭转疲劳断裂。

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