某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)接齒輪箱失效分析

胡霖

1背景

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過(guò)程中滑油壓力和滑油壓差突然下降，為保障試車安全，將發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)檢查，檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接齒輪箱主要轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪出現(xiàn)故障。為分析故障出現(xiàn)的原因，對(duì)故障件齒輪進(jìn)行失效分析。

2試驗(yàn)分析

2.1 宏觀觀察

起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸、起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸和中部傳動(dòng)齒輪軸齒面均存在明顯壓痕痕跡；且起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸、起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸齒輪的齒面呈黑色，并存在損傷現(xiàn)象。

2.2 解剖分析

對(duì)損傷的齒輪進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)齒輪齒面處的滲碳層已經(jīng)全部脫落，同時(shí)，基體出也存在起層剝落的嚴(yán)重現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

2.3 組織分析

相同熱處理制度下，轉(zhuǎn)接齒輪箱所用12Cr2Ni4A滲碳鋼齒輪心部組織為回火馬氏體和粒狀貝氏體，起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸齒輪心部組織與正常組織存在差異，粒狀貝氏體尺寸變小，并呈彌散分布；中部傳動(dòng)齒輪軸大齒齒輪心部組織與起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸齒輪心部組織相似，即：回火馬氏體數(shù)量均粗大減少。

2.3硬度測(cè)試

對(duì)齒輪心部基體分別取樣，進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸齒輪心部，起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸齒輪與中間傳動(dòng)齒輪軸大齒齒輪心部硬度均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)齒輪的殘余滲碳層進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。三組齒輪滲碳層硬度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析此次故障可能經(jīng)歷的溫度及具體時(shí)間（故障齒輪所用時(shí)長(zhǎng)約為1小時(shí)），利用與故障齒輪相同熱處理制度下12Cr2Ni4A齒輪試樣，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。該模擬試驗(yàn)采用電阻加熱爐進(jìn)行，分別進(jìn)行200℃/1h、300℃/1h、500℃/1h、600℃/1h的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行潤(rùn)滑油冷卻。此試驗(yàn)?zāi)康脑谟谀M分析故障齒輪工作狀態(tài)下，缺少冷卻液時(shí)齒輪可能出現(xiàn)的溫度及時(shí)間情況。

試驗(yàn)后對(duì)各試樣進(jìn)行組織檢查， 200℃/1h和300℃/1h的試樣組織。仍然為回火馬氏體和粒狀貝氏體，未發(fā)生變化；500℃/1h的回火馬氏體組織出現(xiàn)粗化的跡象；600℃/1h的回火馬氏體組織進(jìn)一步粗化且數(shù)量減少。中間傳動(dòng)齒輪軸（S15.66.106）大齒齒輪與起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸（S15.66.104）齒輪經(jīng)歷的高溫在500℃～600℃之間。

不同溫度時(shí)模擬試驗(yàn)試樣心部洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。溫度在200℃和300℃硬度與原始齒輪心部硬度相比，未發(fā)生明顯變化。當(dāng)溫度達(dá)到500℃后，硬度值達(dá)到29.75，降低幅度較大，起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸齒輪和中間傳動(dòng)齒輪軸大齒齒輪心部硬度值與此溫度時(shí)的硬度值水平接近，但未達(dá)到600℃時(shí)，試樣硬度值水平。因此故障齒輪心部經(jīng)歷的溫度應(yīng)該在500℃～600℃之間，此結(jié)果與組織試驗(yàn)結(jié)果相一致。

為了進(jìn)一步確定故障件齒輪心部經(jīng)歷的溫度情況，在525℃和550℃試驗(yàn)溫度下，分別進(jìn)行了20min、40min和60min三組不同時(shí)間下的試驗(yàn)。在該兩組溫度下的組織均與起動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸齒輪心部組織和中間傳動(dòng)齒輪軸大齒齒輪心部組織基本相似，因此推斷這兩組齒輪心部溫度應(yīng)在525℃～550℃之間。

在525℃和550℃時(shí)，不同保溫時(shí)間齒輪心部硬度。齒輪軸齒輪心部硬度值在525℃～550℃時(shí)的硬度值之間，因此進(jìn)一步證明，故障齒輪溫度在525℃～550℃，與組織結(jié)果相一致。

在相同溫度下，硬度值幾乎變化不大，表明在同一溫度時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)硬度值影響不大。

結(jié)論：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因在于齒輪經(jīng)歷較高溫度區(qū)間為525℃～550℃，超過(guò)正常使用溫度，導(dǎo)致齒輪失效故障的發(fā)生。