某型發(fā)動機一級主動齒輪斷裂原因分析

鹿東榮　伍彩文

摘要：齒輪是航空發(fā)動機的重要部件。文章針對某型航空發(fā)動機一級主動齒輪斷裂故障，對斷裂的齒輪和存在裂紋的齒輪進行了外觀檢查、斷口分析、金相檢查、燒傷檢查，對齒輪強度進行了校核，對發(fā)動機的振動特性進行了計算，研究了齒輪的斷裂性質和原因，提出了改進齒輪內花鍵加工方式、細化生產工藝、加強磨削燒傷檢查的針對性改進措施。

關鍵詞：航空發(fā)動機；一級主動齒輪；內花鍵；疲勞裂紋；磨削燒傷 文獻標識碼：A

中圖分類號：V263 文章編號：1009-2374（2017）08-0092-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.044

齒輪是機械產品的重要零件，也是航空產品尤其是航空發(fā)動機的重要傳動件，其性能的優(yōu)劣在一定程度上決定了整個產品的質量水平。

某型航空發(fā)動機在使用過程中，發(fā)生了減速器一級主動齒輪斷裂故障。本文從一級主動齒輪設計、加工、裝配及使用等方面，對其斷裂原因進行系統(tǒng)地分析，并提出建議，為避免此類故障的再次發(fā)生提供借鑒作用。

1 基本情況

1.1 減速器功能及結構

航空齒輪傳動和減速器在航空發(fā)動機中占有重要地位，在渦輪螺旋槳和渦輪軸發(fā)動機中，其地位尤為突出。航空齒輪傳動可用來將渦輪螺旋槳發(fā)動機轉子的扭矩傳遞給發(fā)動機的螺旋槳。

某渦輪螺旋槳發(fā)動機功率由彈性軸輸入后，經減速器（圖1）一級主動齒輪分兩條路線傳給槳軸。在減速器兩級齒輪傳動結構中，各齒輪副、花鍵均具有較大側向間隙，組成浮動結構，因而齒輪在工作時能自動定心，齒型工作面上的負荷均勻。

1.2 一級主動齒輪及其故障模式

一級主動齒輪由14CrMnSiNi2MoA鋼制成，齒面及內花鍵滲碳，內花鍵表面鍍銅以防粘結。斷裂的一級主動齒輪形貌如圖2所示，斷口分析表明一級主動齒輪斷裂性質為疲勞斷裂，起源于內花鍵齒底，呈線源特征，沿徑向擴展。同時，廠內磁檢發(fā)現(xiàn)多件使用后的一級主動齒輪內花鍵齒面、齒底存在裂紋，裂紋形貌如圖3所示，斷口分析表明裂紋性質均為疲勞裂紋。

2 一級主動齒輪斷裂原因分析

2.1 故障樹

以一級主動齒輪內花鍵疲勞裂紋為頂事件，繪制故障樹如圖4所示：

2.2 故障樹排查

2.2.1 故障件和裂紋件的質量復查、對比檢查和冶金分析結果表明，齒形參數(shù)、材料組織、滲碳層組織、熱處理質量均合格，裂紋部位均未見明顯表面損傷及明顯加工刀痕，噴嘴暢通，內花鍵嚙合印跡均勻。因此，可排除材料缺陷X1、毛坯缺陷X2、齒面脫碳X3、滲碳層組織不合格X5、淬火裂紋X6、磨削裂紋X7、表面損傷X10、加工刀痕X11、潤滑不良X12、尺寸超差X13、裝配不當X14因素。

2.2.2 冶金分析發(fā)現(xiàn)，故障件和裂紋件部分花鍵齒滲碳層深度偏淺，不合格。因此，不能排除滲碳層深度不合格X4因素。

2.2.3 對故障件、裂紋件進行燒傷檢查，內花鍵裂紋部位均存在磨削燒傷現(xiàn)象。無磨削燒傷的齒輪，可保留不大的殘余壓應力或形成不大的拉應力，有磨削燒傷時，絕大多數(shù)情況下，都產生殘余拉應力。在零件處于工作狀態(tài)時，殘余壓應力將與載荷應力疊加，故殘余壓應力能提高疲勞極限，但殘余拉應力是有害成分。因此，不能排除磨削燒傷X8、殘余應力X9因素。

2.2.4 復查外場發(fā)動機的使用維護情況，外場使用過程中輸出功率穩(wěn)定，未見異常；復查與裂紋件一級主動齒輪配合的減速器其余齒輪及彈性軸等嚙合情況，未見異常。因此，可排除傳遞載荷大X15因素。

2.2.5 對一級主動齒輪內花鍵用有限元法進行了計算分析，結果表明，齒輪最大應力為202MPa，花鍵最大應力為218MPa（齒底），屈服/極限安全系數(shù)分別為2.81/2.65、2.53/2.3（要求大于0），疲勞安全系數(shù)分別為1.65/1.51（要求大于0），設計強度滿足要求。因此，可排除齒根圓角設計偏小X16、強度儲備不足X17因素。

2.2.6 對裂紋件、新件一級主動齒輪進行自由狀態(tài)模態(tài)試驗，試驗表明：所有零件均有效避開了嚙合頻率。在組合狀態(tài)下，通過加扭機構按發(fā)動機不同狀態(tài)分別施加試驗載荷，測量不同載荷下一級主動齒輪組合加扭時的振動頻率和振型，試驗結果表明：組合加扭后一級主動齒輪頻率遠離嚙合頻率，不會產生共振。同時，復查故障件及裂紋件配裝發(fā)動機的廠內試車記錄和外場工作情況，振動值均合格。因此，可排除振動水平高X18因素。

綜上所述，不能排除的因素有滲碳層深度不合格X4、磨削燒傷X8、殘余應力X9。

2.3 原因及機理分析

2.3.1 滲碳層深度不合格與故障的關系討論。冶金檢查工作3921小時的A齒輪和3582小時的B齒輪，部分內花鍵齒面、齒底滲碳層偏淺，但均未發(fā)現(xiàn)裂紋；工作2000小時的C、D、E齒輪和工作19小時的F齒輪，雖然內花鍵齒面、齒底滲碳層深度合格，但C、D、F齒輪內花鍵齒面出現(xiàn)裂紋、E齒輪內花鍵齒底出現(xiàn)裂紋。因此，滲碳層深度不合格不是導致裂紋的主要原因。

2.3.2 磨削燒傷與故障的關系討論。對故障件、裂紋件、無裂紋件、新件一級主動齒輪進行冶金對比分析，結果表明：故障件和E齒輪內花鍵齒底裂紋部位存在磨削燒傷，C、D、F齒輪內花鍵齒面裂紋部位存在磨削燒傷；而無裂紋的新件齒輪和長時間使用后無裂紋的A、B齒輪內花鍵磨削燒傷檢查均合格。

這些情況表明，凡是一級主動齒輪內花鍵有裂紋的部位均有較嚴重的磨削燒傷，凡是燒傷檢查合格的內花鍵，無論工作時間長短，均無裂紋。因此，裂紋的產生與磨削燒傷有嚴格的對應關系。

2.3.3 裂紋產生的原因分析。磨削燒傷對齒的彎曲疲勞強度有不利影響，有燒傷的齒輪壽命比無燒傷的齒輪壽命要低，原因是因為磨削燒傷的齒輪齒根處有殘余拉應力，以及組織不均勻和表面硬度低，這些因素還大大降低了燒傷齒輪的接觸疲勞強度，導致齒輪疲勞性能下降。由于燒傷處的金屬顯微組織不同，局部和整體的性能有一定差異，零件承受載荷時，尤其高速重載下，易造成局部應力集中，導致顯微裂紋發(fā)生，并發(fā)展到零件整體損壞。分析討論表明，磨削燒傷是導致內花鍵齒面、齒底產生裂紋及斷裂的主要原因。

2.3.4 磨削燒傷的原因分析。磨削燒傷的起因是切削區(qū)發(fā)熱，接觸溫度愈高，作用時間愈長，燒傷就愈嚴重，燒傷深度也愈深。齒輪尺寸和材料、磨削用量和磨齒方法、冷卻潤滑液及其他工藝參數(shù)都影響發(fā)熱程度，進而影響燒傷的形成。

復查一級主動齒輪內花鍵加工工藝，加工時采用普通花鍵磨床，該磨床只能干磨削，不能噴冷卻潤滑液。而磨削時使用冷卻潤滑液具有以下特征：磨削溫度急劇下降，使燒傷、微裂紋程度和數(shù)量、缺陷層深度和零件表層內應力減小，零件加工表面的微觀幾何形狀得到改善。因此，一級主動齒輪內花鍵磨削燒傷是由于滲碳淬火后采用普通花鍵磨床成型磨削內花鍵時無冷卻液潤滑，磨削參數(shù)控制不當所致。

3 糾正措施

改用數(shù)控花鍵磨床加工一級主動齒輪，細化一級主動齒輪加工工藝，編制專用燒傷檢查工藝，加強磨削燒傷檢查質量控制。

4 裝機驗證

對貫徹上述改進措施的2件使用了2000小時的一級主動齒輪進行檢查，內花鍵嚙合印跡均勻，嚙合部位未發(fā)現(xiàn)裂紋及磨削燒傷現(xiàn)象，這說明上述改進措施是有效的，達到了預期改進目的。

參考文獻

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作者簡介：鹿東榮，男，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司主管工程師，研究方向：航空發(fā)動機失效分析；伍彩文，男，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司技術專家，研究方向：航空發(fā)動機故障診斷與維護。

（責任編輯：王 波）