某空气涡轮起动机离合器脱开失效故障分析

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  摘 要:本文对某空气涡轮起动机离合器脱开失效故障进行介绍,通过建立故障树详细分析得出,离合器润滑系统设计缺陷为起动机离合器故障的原因。对起动机离合器及轴承的结构进行改进,对起动机的输出轴进行改进,对离合器润滑结构进行改进,并重新选择离合器型号后,改进的空气涡轮起动机进行试验验证,起动机功能性能正常,改进措施有效,故障消除。
  关键词:空气涡轮起动机;离合器;脱开失效故障
  1 引言
  某空气起动机在工作运行时,监测到空气涡轮起动机超转50%,控制器控制空气涡轮起动机停车。拆下空气涡轮起动机,起动机目视检查产品外观良好,逆时针转动起动机输出轴涡轮不转,顺时针转动输出轴涡轮旋转,卡滞现象明显,证明离合器功能损坏。分解检查发现,
  离合器上堆积大量含金属屑的油泥,清洗后发现离合器滚子与环形齿轮接触表面磨损,离合器处的轴承保持架破裂,离合器外轴底部存在大量金属屑,其余零组件无明显异常[1]。
  2 故障原因分析
  损坏的轴承为深沟球轴承,与厂家共同分析保持架断裂的结果为:轴承润滑不良造成轴承内、外圈高温变形,使轴承径向游隙减少,轴承滚子受到内外圈的挤压,转动不均匀,拉扯保持架,造成保持架撕裂。厂内对保持架断口进行分析,断裂的原因为过载断裂[2]。
  以离合器脱开功能失效为顶事件开展故障树分析,具体如下:
  2.1离合器选型不当
  产品选用正在使用的,转速、功率量级相当斜撑离合器。该离合器已随其他型号完成工况相当的1000小时超越旋转试验,选型合适。
  该项底事件可以排除。
  2.2加工问题
  离合器采购进口件,对故障件离合器滚子材料进行化验结果为接近GCr15。随机测量3个离合器滚子硬度,结果为:HV700、HV684、HV698。
  对离合器配合尺寸进行计量,环形齿轮由于磨损严重无法计量,从库房随机一件同批次新品零件进行计量,结果满足图样要求。
  该项底事件可以排除。
  2.3油路设计缺陷
  当起动机处于超越状态时,离合器外轴隨输出轴被带转,带动滑油泵持续工作,保证滑油泵向离合器持续供油。
  滑油泵将油池底部的滑油抽吸上来,经喷口喷到离合器。因喷口角度问题,大部分的滑油被零件挡住无法喷入,离合器实际润滑效果较差。离合器轴承位于死腔内,滑油难以通过高速旋转离合器进入轴承处,油路不通畅,长时间工作容易造成轴承局部高温和磨损杂质堆集,润滑结构设计不合理。
  该项底事件不可以排除。
  2.4滑油泵供油不足
  计算滑油泵流量,验证滑油泵供油能力。根据计算,滑油泵的供油能力为2.063L/min,目前起动机选用的离合器滑油需求为不小于1.4L/min,因此供油流量可以满足离合器润滑需求。
  该项底事件可以排除。
  2.5初始加油量不足
  产品各处静密封均采用O型胶圈进行密封,实际使用过程中未发现漏油。检查动密封处未发生漏油。
  该项底事件可以排除。
  综上所述,离合器脱开失效是由于滑油油路设计缺陷导致润滑不良,造成离合器磨损。
  3 机理分析
  根据起动机运行情况,离合器是在起动完成后超越旋转时损坏。起动机为独立润滑式,超越旋转期间离合器和离合器轴承一直被发动机反带,是发热最为严重的工况。因滑油喷口角度设计不合理,大部分的滑油被零件挡住无法喷入离合器,达不到预计的润滑效果,易发生离合器滚子表面磨损产生杂质。
  轴承位于死腔内油路不通畅,仅少量滑油经由高速旋转离合器进入轴承处,轴承散热艰难内外圈发生高温变形,滚子转动不均匀拉扯保持架撕裂,破碎的保持架碎屑进入离合器滚子部位,加剧离合器部分滚子与内圈磨损,造成离合器脱开失效。
  4 纠正措施和验证情况
  主要改进如下:
  a)结构设计
  改进内部结构,对离合器处的安装结构和润滑方式进行了重新设计,改进了输出轴的设计。环形齿轮用两个轴承支承在离合器壳体上,用螺母轴向压紧;离合器用两个轴承支承在环形齿轮和离合器内轴之间;输出轴和离合器内轴用花键传递扭矩。
  b)离合器改进设计
  离合器更改为另外一型成熟离合器高速超越离合器,改型离合器的最大脱开转速、再接转速、最大持续超越运转转速、额定起动扭矩、极限扭矩均满足要求,且由于原离合器。摩擦力矩起动机正常起动时,由外圈驱动内圈传递扭矩;起动成功后,离合器处于超越状态,内圈转速保持在与发动机相同转速。
  c)起动机输出轴结构优化
  输出轴承剪段尺寸沿用承剪段的材料、尺寸及热处理技术要求,保证承剪扭矩不变。与离合器内轴联接的花键根据承剪段的尺寸进行了重新设计,保证其承载能力大于承剪段。输出轴沿用原输出轴设计,保证与发动机接口不变。输出轴轴向留出退让空间6.5mm,保证超越旋转失效时实现保护切断[3]。
  d)滑油润滑设计
  起动机整体为独立润滑,行星齿轮和和轴承部分浸入油池飞溅润滑;离合器一部分浸泡在油液中,一部分靠安装在离合器内轴上的离心泵润滑。滑油经齿轮座上的滑油流道经齿轮泵抽吸进入离合器内轴的腔内,在离心力的作用下,从离合器内轴上均布的小孔从甩出给离合器润滑。滑油油位高度一方面需要保证行星齿轮系的润滑,油位过高则滑油搅动剧烈,油温过高,腔压过大;油位过低则润滑不充分;同时还需保证给离合器润滑的离心泵能充分的抽吸到滑油。离心泵的抽油能力为,当输出轴转速为100%转速时,离心泵的流量约为1.1L/min,抽油高度为36.5mm;当输出轴转速为50%转速时,离心泵的流量约为0.64L/min,抽油高度为14.5mm。因此综合考虑,设计滑油容量为220~240mL。
  改进设计后的起动机在试验台上进行起动试验,目前已完成500次起动试验和100h离合器超越旋转试验,功能性能正常。
  5结论
  离合器故障是离合器处润滑设计缺陷造成离合器磨损导致的。离合器处结构改进设计后,起动机经试验验证,工作正常,改进措施有效。
  参考文献:
  [1]赛义德. 可靠性工程[M]. 电子工业出版社, 2013.
  [2]窦蕴萍. 航空发动机主轴承定寿方法的研究[J]. 华北水利水电学院学报, 1997.
  [3]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社.2001.
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