某型无人机用发电机弹性花键轴断裂分析

■ 康亚琴 王敏刚 黄靖/中航贵州飞机有限责任公司

1 概述

某型无人机进行地面联试,发动机（型号为ROTAX 914）预热运转正常后按要求进行主电源并网,此时发现发电机无电压,经检查发现发电机弹性花键轴断裂,断裂后的弹性轴如图1所示。

该发电机弹性轴所用材料为50CrVA弹簧钢,轴的表面进行了镀镉处理。发电机弹性轴一端采用内外花键联接；另一端呈锥形,过盈配合,半圆键联接。发电机弹性轴主要传递扭转载荷。

2 故障情况分析

2.1 外观检查

如图1所示,断裂的弹性轴断口呈黑色,断口附近存在磨损特征。断口上吸附着一些金属碎末,表明断口已经被磁化。

将发电机弹性轴花键放在体视显微镜下进行观察,发现花键啮合面的磨损位置不尽相同,有些靠近端面,有些远离端面；磨损程度也不均匀,有些位置磨损较轻,而有些位置磨损较重；花键非啮合面磨损位置也不尽相同,磨损程度也不均匀。

图1 断裂的弹性轴宏观形貌

图2 弹性轴断口特征

2.2 断口宏观观察

在体视镜下观察弹性轴断口,如图2所示。将弹性轴断口分为A、B两个区域,A区为一小平台,可观察到放射棱线特征,小平台面积约占断口的1/4；B区为与横截面成较大角度的斜断面,该区域磨损较为严重,部分地方已经磨损光亮,该区域面积约占断口的3/4。

2.3 微观观察

去磁后对弹性轴断口进行扫描电镜微观观察。断口的裂纹起源于弹性轴的外表面,呈大线源特征；在疲劳扩展区可观察到疲劳条带；瞬断区存在韧窝特征；断口的大部分区域存在较为严重的氧化特征。

对弹性轴的外表面进行微观观察。远离断口处的外表面镀镉层已经不完整,表面的镀镉层出现了开裂；断口附近的外表面镀镉层缺损更严重,放大观察到类似氧化和熔融形貌；越靠近断口,镀镉层缺损越明显。

图3 发电机安装示意图

2.4 检查结果分析

从以上观察发现：弹性轴的花键啮合面磨损位置不尽相同,磨损也不均匀,表明花键与匹配的外花键配合不良,配合不良会导致弹性轴受到附加弯矩的作用。断口存在一小平台,小平台面积约占断口的1/4,弹性轴若只受到扭转载荷作用,其断面应该与轴向呈约45°,不会出现这样的小平台,这表明弹性轴受到了较大的附加弯矩作用。相关研究结果表明,附加弯矩的存在会降低轴的疲劳寿命,且附加弯矩越大,疲劳寿命越低。

发电机弹性轴在启动和正常工作时受正向扭转应力作用,而当电机减速时则会受到反向扭转应力作用。弹性轴的非啮合面存在不同程度的磨损也表明弹性轴会受到反向扭转应力的作用。另外,非啮合面磨损不均匀表明弹性轴存在不同轴问题。

综上所述,通过对弹性轴断口进行宏微观观察,弹性轴的断裂性质为疲劳断裂。弹性轴断裂的主要原因是弹性花键不良啮合从而受到较大的附加弯矩的作用,即发动机曲轴轴线与发电机弹性花键轴轴线不同轴。

3 故障原因分析

发电机在发动机上的安装如图3所示。因该型无人机的总体要求,前起落架支柱撑杆固定在发动机安装支架上,需对原配发动机安装支架进行改进设计,改进后为发动机前端支架。

ROTAX公司在《ROTAX914型系列发动机安装手册》的“连接点定义”中给出了发动机与飞行器的安装点坐标,如图4所示,因此选择了发动机支架上的四个连接点L2、R2、L3、R3作为发动机的安装连接点。北京航空航天大学和611所的某两型无人机同样也采用了这四个连接点来保证发动机和发电机的安装要求,该两型无人机未更换原配发动机安装支架,目前这两型无人机的发电机弹性轴未出现断裂故障,据此可以判断ROTAX公司产品说明书中的建议值是能够保证发电机各坐标点位置要求的。

由于更换了发动机前端支架,在动力装置的装配过程中,虽然图纸有同轴度的要求,但实际安装时未有效控制发电机弹性花键轴与发动机曲轴的同心度,导致部分发电机使用一段时间后,在发动机交变载荷的作用下,最终出现发电机弹性轴疲劳断裂。根据上述分析,可以判断造成发电机弹性花键轴断裂有以下两种故障模式。

1） 发电机安装基准面与发动机曲轴的垂直度未能满足要求,即发电机轴与发动机轴不平行。

如图5所示,如果在换装发动机前端安装支架时,不能保证ROTAX公司给定的发动机支架后端四个发动机连接点L2、R2、L3、R3所在的平面与发动机曲轴的垂直度,则发电机的安装基准将被破坏,发电机高速旋转时就会使弹性花键轴受到交变载荷的影响,从而产生疲劳,进而造成发电机弹性轴磨损或断裂。

2） 发电机弹性花键轴与发动机曲轴的同轴度未能满足要求,即发电机轴与发动机轴不同心。

如果在安装连接板与发电机的组合件时,未能按照要求旋转螺旋桨法兰盘数圈,使其利用花键孔与花键轴自找正并定位,那么发动机曲轴轴线与发电机弹性花键轴线就会发生如图6所示的轴线偏移,同轴度不满足要求。那么发电机高速旋转时同样使发电机弹性花键轴受到交变载荷的影响,从而产生疲劳断裂。

图4 ROTAX914发动机连接点坐标

图5 安装基准破坏后发电机安装示意图

图6 发电机安装轴线偏移示意图

4 工艺改进方案

4.1 外场垂直度保证

为了保证更换后的发动机前端支架上L2、L3、R2、R3四个安装点所在的平面与发动机曲轴轴线的垂直度,设计了发电机安装、调整检验工装,如图7所示。首先用工装“同轴度定位轴套”确定发动机曲轴轴线位置,然后将工装“支架定位板”上的φ130孔与“同轴度定位轴套”φ130外圆配合,作为检查调整工装,检查该定位板分别与发动机前端支架上L2、L3、R2、R3四个安装点之间的间隙,确保发动机前端支架满足装配要求。

图7 外场方案示意图

图8 内场方案示意图

4.2 内场垂直度保证

制作一个偏心底座,要求两面平行度在0.02mm以内,将其与螺旋桨法兰盘固定,并将发动机置于1m×1m的零级平台上,如图8所示。测量前拧松发动机侧面4个M10内六角螺栓,分别测量平台距发动机前端支架连接点L2、R2、L3、R3的距离,保证562±0.05mm,然后按照规定力矩均匀拧紧发动机侧面4个M10螺栓。

4.3 同轴度保证

内外场在同轴度的保证方法上是一致的。在保证了发动机一端安装支架上L2、L3、R2、R3四个安装点所在的平面与发动机曲轴轴线的垂直度后,安装发电机连接板与发电机的组合件时,按照要求旋转螺旋桨法兰盘数圈,使其利用花键孔与花键轴自找正并定位,即可保证同轴度要求。

5 试验验证

按照以上新工艺方法重新安装了该型无人机的发电机,进行了10小时40分钟的地面开车试验,试验中同时主电源并网,发动机转速不低于3000rpm。然后拆下发电机检查,未发现磨损情况。重新安装发电机后,按照上述试验方法重新开车40小时30分钟,再次拆开检查发电机轴及联轴器。目视检查未发现联轴器花键部位有磨损情况及褐色或黑色粉末,甚至安装时涂敷的6691润滑脂都没有任何消耗。说明联轴器内花键和发电机弹性花键轴外花键部位在试验过程中几乎无磨损。

6 结束语

本次发电机弹性花键轴断裂属于安装时没有保证同轴度,导致发电机弹性花键轴受到径向载荷作用而出现疲劳断裂。为了彻底消除安全隐患及保证飞行安全,保证动力装置稳定可靠,一方面应该就发电机弹性花键轴表面处理工艺或材料选取进行深入研究,找出最佳处理工艺,另一方面应严格按照提出的内外场方案进行检查和装配,另外还应将对发电机弹性轴的定期检查纳入相关维护规程中。 '

[1] 陈嵩禄.飞机设计手册第13册动力装置系统设计[M]. 北京:航空工业出版社,2006.

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

[3] GB/T1172-1999金属硬度检测技术手册[S].1999.