某型無人機(jī)用發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸斷裂分析

■ 康亞琴 王敏剛 黃靖/中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司

1 概述

某型無人機(jī)進(jìn)行地面聯(lián)試,發(fā)動(dòng)機(jī)（型號(hào)為ROTAX 914）預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)正常后按要求進(jìn)行主電源并網(wǎng),此時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無電壓,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸斷裂,斷裂后的彈性軸如圖1所示。

該發(fā)電機(jī)彈性軸所用材料為50CrVA彈簧鋼,軸的表面進(jìn)行了鍍鎘處理。發(fā)電機(jī)彈性軸一端采用內(nèi)外花鍵聯(lián)接；另一端呈錐形,過盈配合,半圓鍵聯(lián)接。發(fā)電機(jī)彈性軸主要傳遞扭轉(zhuǎn)載荷。

2 故障情況分析

2.1 外觀檢查

如圖1所示,斷裂的彈性軸斷口呈黑色,斷口附近存在磨損特征。斷口上吸附著一些金屬碎末,表明斷口已經(jīng)被磁化。

將發(fā)電機(jī)彈性軸花鍵放在體視顯微鏡下進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)花鍵嚙合面的磨損位置不盡相同,有些靠近端面,有些遠(yuǎn)離端面；磨損程度也不均勻,有些位置磨損較輕,而有些位置磨損較重；花鍵非嚙合面磨損位置也不盡相同,磨損程度也不均勻。

圖1 斷裂的彈性軸宏觀形貌

圖2 彈性軸斷口特征

2.2 斷口宏觀觀察

在體視鏡下觀察彈性軸斷口,如圖2所示。將彈性軸斷口分為A、B兩個(gè)區(qū)域,A區(qū)為一小平臺(tái),可觀察到放射棱線特征,小平臺(tái)面積約占斷口的1/4；B區(qū)為與橫截面成較大角度的斜斷面,該區(qū)域磨損較為嚴(yán)重,部分地方已經(jīng)磨損光亮,該區(qū)域面積約占斷口的3/4。

2.3 微觀觀察

去磁后對(duì)彈性軸斷口進(jìn)行掃描電鏡微觀觀察。斷口的裂紋起源于彈性軸的外表面,呈大線源特征；在疲勞擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞條帶；瞬斷區(qū)存在韌窩特征；斷口的大部分區(qū)域存在較為嚴(yán)重的氧化特征。

對(duì)彈性軸的外表面進(jìn)行微觀觀察。遠(yuǎn)離斷口處的外表面鍍鎘層已經(jīng)不完整,表面的鍍鎘層出現(xiàn)了開裂；斷口附近的外表面鍍鎘層缺損更嚴(yán)重,放大觀察到類似氧化和熔融形貌；越靠近斷口,鍍鎘層缺損越明顯。

圖3 發(fā)電機(jī)安裝示意圖

2.4 檢查結(jié)果分析

從以上觀察發(fā)現(xiàn)：彈性軸的花鍵嚙合面磨損位置不盡相同,磨損也不均勻,表明花鍵與匹配的外花鍵配合不良,配合不良會(huì)導(dǎo)致彈性軸受到附加彎矩的作用。斷口存在一小平臺(tái),小平臺(tái)面積約占斷口的1/4,彈性軸若只受到扭轉(zhuǎn)載荷作用,其斷面應(yīng)該與軸向呈約45°,不會(huì)出現(xiàn)這樣的小平臺(tái),這表明彈性軸受到了較大的附加彎矩作用。相關(guān)研究結(jié)果表明,附加彎矩的存在會(huì)降低軸的疲勞壽命,且附加彎矩越大,疲勞壽命越低。

發(fā)電機(jī)彈性軸在啟動(dòng)和正常工作時(shí)受正向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用,而當(dāng)電機(jī)減速時(shí)則會(huì)受到反向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。彈性軸的非嚙合面存在不同程度的磨損也表明彈性軸會(huì)受到反向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。另外,非嚙合面磨損不均勻表明彈性軸存在不同軸問題。

綜上所述,通過對(duì)彈性軸斷口進(jìn)行宏微觀觀察,彈性軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。彈性軸斷裂的主要原因是彈性花鍵不良嚙合從而受到較大的附加彎矩的作用,即發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線與發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸軸線不同軸。

3 故障原因分析

發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝如圖3所示。因該型無人機(jī)的總體要求,前起落架支柱撐桿固定在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架上,需對(duì)原配發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),改進(jìn)后為發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架。

ROTAX公司在《ROTAX914型系列發(fā)動(dòng)機(jī)安裝手冊(cè)》的“連接點(diǎn)定義”中給出了發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器的安裝點(diǎn)坐標(biāo),如圖4所示,因此選擇了發(fā)動(dòng)機(jī)支架上的四個(gè)連接點(diǎn)L2、R2、L3、R3作為發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝連接點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)和611所的某兩型無人機(jī)同樣也采用了這四個(gè)連接點(diǎn)來保證發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的安裝要求,該兩型無人機(jī)未更換原配發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架,目前這兩型無人機(jī)的發(fā)電機(jī)彈性軸未出現(xiàn)斷裂故障,據(jù)此可以判斷ROTAX公司產(chǎn)品說明書中的建議值是能夠保證發(fā)電機(jī)各坐標(biāo)點(diǎn)位置要求的。

由于更換了發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架,在動(dòng)力裝置的裝配過程中,雖然圖紙有同軸度的要求,但實(shí)際安裝時(shí)未有效控制發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的同心度,導(dǎo)致部分發(fā)電機(jī)使用一段時(shí)間后,在發(fā)動(dòng)機(jī)交變載荷的作用下,最終出現(xiàn)發(fā)電機(jī)彈性軸疲勞斷裂。根據(jù)上述分析,可以判斷造成發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸斷裂有以下兩種故障模式。

1） 發(fā)電機(jī)安裝基準(zhǔn)面與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的垂直度未能滿足要求,即發(fā)電機(jī)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)軸不平行。

如圖5所示,如果在換裝發(fā)動(dòng)機(jī)前端安裝支架時(shí),不能保證ROTAX公司給定的發(fā)動(dòng)機(jī)支架后端四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)L2、R2、L3、R3所在的平面與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的垂直度,則發(fā)電機(jī)的安裝基準(zhǔn)將被破壞,發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)使彈性花鍵軸受到交變載荷的影響,從而產(chǎn)生疲勞,進(jìn)而造成發(fā)電機(jī)彈性軸磨損或斷裂。

2） 發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的同軸度未能滿足要求,即發(fā)電機(jī)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)軸不同心。

如果在安裝連接板與發(fā)電機(jī)的組合件時(shí),未能按照要求旋轉(zhuǎn)螺旋槳法蘭盤數(shù)圈,使其利用花鍵孔與花鍵軸自找正并定位,那么發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線與發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸線就會(huì)發(fā)生如圖6所示的軸線偏移,同軸度不滿足要求。那么發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)同樣使發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸受到交變載荷的影響,從而產(chǎn)生疲勞斷裂。

圖4 ROTAX914發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)坐標(biāo)

圖5 安裝基準(zhǔn)破壞后發(fā)電機(jī)安裝示意圖

圖6 發(fā)電機(jī)安裝軸線偏移示意圖

4 工藝改進(jìn)方案

4.1 外場(chǎng)垂直度保證

為了保證更換后的發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架上L2、L3、R2、R3四個(gè)安裝點(diǎn)所在的平面與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線的垂直度,設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)安裝、調(diào)整檢驗(yàn)工裝,如圖7所示。首先用工裝“同軸度定位軸套”確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線位置,然后將工裝“支架定位板”上的φ130孔與“同軸度定位軸套”φ130外圓配合,作為檢查調(diào)整工裝,檢查該定位板分別與發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架上L2、L3、R2、R3四個(gè)安裝點(diǎn)之間的間隙,確保發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架滿足裝配要求。

圖7 外場(chǎng)方案示意圖

圖8 內(nèi)場(chǎng)方案示意圖

4.2 內(nèi)場(chǎng)垂直度保證

制作一個(gè)偏心底座,要求兩面平行度在0.02mm以內(nèi),將其與螺旋槳法蘭盤固定,并將發(fā)動(dòng)機(jī)置于1m×1m的零級(jí)平臺(tái)上,如圖8所示。測(cè)量前擰松發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面4個(gè)M10內(nèi)六角螺栓,分別測(cè)量平臺(tái)距發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架連接點(diǎn)L2、R2、L3、R3的距離,保證562±0.05mm,然后按照規(guī)定力矩均勻擰緊發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面4個(gè)M10螺栓。

4.3 同軸度保證

內(nèi)外場(chǎng)在同軸度的保證方法上是一致的。在保證了發(fā)動(dòng)機(jī)一端安裝支架上L2、L3、R2、R3四個(gè)安裝點(diǎn)所在的平面與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線的垂直度后,安裝發(fā)電機(jī)連接板與發(fā)電機(jī)的組合件時(shí),按照要求旋轉(zhuǎn)螺旋槳法蘭盤數(shù)圈,使其利用花鍵孔與花鍵軸自找正并定位,即可保證同軸度要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照以上新工藝方法重新安裝了該型無人機(jī)的發(fā)電機(jī),進(jìn)行了10小時(shí)40分鐘的地面開車試驗(yàn),試驗(yàn)中同時(shí)主電源并網(wǎng),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不低于3000rpm。然后拆下發(fā)電機(jī)檢查,未發(fā)現(xiàn)磨損情況。重新安裝發(fā)電機(jī)后,按照上述試驗(yàn)方法重新開車40小時(shí)30分鐘,再次拆開檢查發(fā)電機(jī)軸及聯(lián)軸器。目視檢查未發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器花鍵部位有磨損情況及褐色或黑色粉末,甚至安裝時(shí)涂敷的6691潤滑脂都沒有任何消耗。說明聯(lián)軸器內(nèi)花鍵和發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸外花鍵部位在試驗(yàn)過程中幾乎無磨損。

6 結(jié)束語

本次發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸斷裂屬于安裝時(shí)沒有保證同軸度,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸受到徑向載荷作用而出現(xiàn)疲勞斷裂。為了徹底消除安全隱患及保證飛行安全,保證動(dòng)力裝置穩(wěn)定可靠,一方面應(yīng)該就發(fā)電機(jī)彈性花鍵軸表面處理工藝或材料選取進(jìn)行深入研究,找出最佳處理工藝,另一方面應(yīng)嚴(yán)格按照提出的內(nèi)外場(chǎng)方案進(jìn)行檢查和裝配,另外還應(yīng)將對(duì)發(fā)電機(jī)彈性軸的定期檢查納入相關(guān)維護(hù)規(guī)程中。 '

[1] 陳嵩祿.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第13冊(cè)動(dòng)力裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京:航空工業(yè)出版社,2006.

[2] ROTAX Gmbh.Installation Manual for ROTAX Engine Type 914F[Z].1996.

[3] GB/T1172-1999金屬硬度檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)[S].1999.