蒋聪，陈靖华，张雪强

(中国航空工业集团有限公司 金城南京机电液压工程研究中心，江苏 南京 211106)

0 引言

航空旋转类部件上普遍存在冲击转矩。过大的冲击转矩将导致传扭轴断裂、齿轮断裂[1]和离合器磨损等影响产品安全性的问题发生，在设计时考虑冲击转矩的形成和预防也越来越受到重视。某型航空发动机空气涡轮起动机在起动瞬间出现传扭轴断裂，继而导致起动机涡轮超转和发动机无输入转速现象。本文基于该现象，对冲击转矩导致传扭轴断裂的发生原因进行了详细分析和研究。

1 理化检查

传扭轴在设计保护切断的轴颈处断裂，断裂位置合理，见图1。

图1 齿面剥落位置

断口表面未见夹杂、裂纹等原始缺陷，见图2。进一步放大观察，发现断口表面可见明显磨损痕迹，见图3。

图2 联接轴微观形貌31X

图3 断口放大形貌100X

未磨损区域放大观察可见明显的拉长韧窝形貌，见图4和图5。

图4 未磨损区韧窝形貌3 000X

图5 拉长韧窝形貌6000X

取样镶嵌后进行硬度测试，测试的结果为510 HV0.5(约50 HRC)，满足设计要求。综合判断导致该传扭轴断裂的主要原因为瞬时冲击转矩[2]引起的过载扭转剪切断裂。

2 故障分析

2.1 原因分析

导致此次发动机起动无转速的原因是起动机中传扭轴断裂。以传扭轴断裂为顶事件建立故障树，如图6所示。

图6 传扭轴断裂问题故障树

冲击转矩与以下故障树分支有关，分别是进气条件、发动机和起动机的齿侧间隙、发动机和起动机的转动惯量以及发动机和起动机的扭转刚度[3]，其计算公式如下：

(1)

式中：Tcmax/T为冲击转矩系数；Is为起动机转动惯量，kg·m2；Ie为发动机转动惯量，kg·m2；ks为起动机转动部分的扭转刚度，N·m/rad；ke为发动机转动部分的扭转刚度，N·m/rad；α为系统圆周侧隙 rad；T为稳态起动机转矩，N·m。

2.2 原因定位

传扭轴材料化验结果为40CrNiMoA，内外径尺寸符合要求，实测硬度为50 HRC，满足要求的(47～52)HRC，且断口金相分析未见初始裂纹损伤，断口为韧窝形貌，过载扭转剪切断裂。同时复查同批次传扭轴转矩试验记录，符合转矩要求。

起动机扭转刚度主要由涡轮、齿轮、轴、离合器等零部件的材料特性和几何尺寸决定，不可能在使用过程中增大而引起冲击转矩大幅升高。故发动机扭转刚度对冲击转矩影响很小，可以排除其引起冲击转矩大幅升高的可能。

以上分析可以排除X1、X2、X3、X4、X5和X6项故障树底事件。

发动机转子除了发动机本体转子外，还包括带转的附件转子，转子本身的转动惯量由材料特性和几何尺寸决定，不可能变化，但需考虑带转的负载变化及阻力变化，如发动机燃气发生器转子卡滞或转子阻力矩偏大也会引起冲击转矩过大。复查发动机起动时间、起动机脱开转速和燃气发生器余转时间，均在正常范围，可以排除转子阻力矩偏大的影响。但起动瞬间如果存在燃气发生器转子卡滞，导致折算的转动惯量增大是有可能的，因此不能排除转动惯量的影响[4]。

齿轮啮合传动时，为避齿轮卡死，齿廓之间必须留有间隙。齿侧间隙的存在会产生冲击，导致起动瞬间传扭轴遭受较大的冲击载荷而断裂。起动机的齿侧间隙包括齿轮测隙、花键间隙，计算得出该型起动机理论齿侧间隙范围为(0.006～0.009)rad。实测故障件齿侧间隙为0.009 5rad，略高于合理范围。该型起动机花键配合间隙计算结果见表1。

表1 花键配合间隙计算结果

根据实测数据和计算结果得出，故障起动机的齿侧间隙=齿轮侧隙+花键侧隙=(0.009 5～0.028 2)rad，大于合理值范围，因此不能排除齿侧间隙的影响[5]。

起动机输出转矩取决于进气参数随着进气压力、温度增加，最大转矩增加，对应的冲击转矩也增加[6]。当进气压力超调至合理值的105%时，冲击转矩将进入传扭轴极限承扭范围，极有可能发生断轴，因此不能排除进气压力超调的影响。

3 机理分析

根据飞行参数曲线判断，该起动机传扭轴断裂发生在起动瞬间，断口分析证明断裂原因是承受了过大的瞬时冲击转矩。经故障树判断单一因素的冲击转矩达不到断轴范围，但综合因素是可以达到的。过大的瞬时冲击转矩来自于进气压力超调、起动系统传动链齿侧间隙、发动机转动惯量的随机性综合作用，传扭轴在以上因素作用下发生的断裂属于保护起动机和发动机免受继发破坏性质的主动断轴，断裂位置在传扭轴设置的最薄弱位置，符合设计意图[7]。

4 结语

瞬时冲击转矩过大是导致空气涡轮起动机传扭轴断裂最常见原因之一，本文通过对断口形貌进行理化检查和分析，确定失效模式，并对可能导致该故障的各个因素进行了排查，得出引起冲击转矩过大的深层次原因，为后续空气涡轮起动机的安全性设计和加工制造提供了依据。