某型發(fā)動(dòng)機(jī)離心通風(fēng)器齒輪軸組件焊接區(qū)域裂紋故障分析

楊榮，陳聰慧，張東明，劉秀芝

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

1 引言

在外場(chǎng)使用過程中,某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣內(nèi)離心通風(fēng)器齒輪軸組件的大齒輪焊接區(qū)域曾發(fā)生裂紋故障。該故障使傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)加劇，齒輪齒面受載不均，齒輪軸的支撐軸承磨損嚴(yán)重，最后使發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)中斷，導(dǎo)致附件機(jī)匣帶的附件無法工作，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)焊接的圓柱齒輪軸組件的振動(dòng)特性分析較少，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的深入研究，逐步認(rèn)識(shí)到齒輪軸組件的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性是至關(guān)重要的。

本文對(duì)故障齒輪軸組件從結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)特性及振動(dòng)應(yīng)力、強(qiáng)度等方面進(jìn)行全面分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 故障原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)

該故障件結(jié)構(gòu)如圖1所示。小齒輪與軸設(shè)計(jì)為一體，將大齒輪通過過盈配合壓靠在工藝定位擋邊，焊接在齒輪軸上。輪軸組件上的大小齒輪均為直齒圓柱齒輪，大齒輪主要參數(shù)見表1。

表1 離心通風(fēng)器齒輪軸組件大齒輪齒型基本參數(shù)

2.2 工作情況

離心通風(fēng)器齒輪軸組件的大齒輪工作載荷為170.5 kW，工作轉(zhuǎn)速為9280 r/min。經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算，大齒輪輪齒強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。發(fā)生故障時(shí)工作時(shí)間為77.93h。

2.3 斷口分析

宏觀觀察裂紋的區(qū)域位于電子束焊的內(nèi)側(cè),基本沿電子束焊縫周向延伸,并止于2個(gè)減重孔的邊沿,如圖2所示。故障件裂紋打開后的斷口如圖3所示。斷口平坦，有明顯的疲勞弧線，且弧線細(xì)密，為典型的高周疲勞斷口形貌。疲勞起源于電子束焊縫與工藝定位擋板相交處，疲勞源區(qū)呈淺棕色，擴(kuò)展區(qū)呈灰色，有1#、2#、3#和4#4個(gè)。

2.4 焊縫區(qū)域金相檢查

齒輪軸裂紋都起始于工藝定位擋板與大齒輪輪轂之間縫隙的尖端焊縫處，沿著與軸向約呈25°夾角的方向，斜著穿過焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，向軸一側(cè)的基體擴(kuò)展。開裂、擴(kuò)展情況分別如圖4、5所示。在裂紋起始處和整個(gè)焊縫上未見明顯的焊接缺陷。

2.5 模態(tài)試驗(yàn)分析

對(duì)發(fā)生故障離心通風(fēng)器齒輪軸組件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。模態(tài)主要為節(jié)徑、節(jié)圓型模態(tài)。分析結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為8600或7600 r/min時(shí)，大齒輪存在2節(jié)徑前、后行波共振的可能性。

2.6 動(dòng)應(yīng)力測(cè)試分析

在離心通風(fēng)器齒輪軸組件焊接區(qū)域貼應(yīng)變計(jì)，如圖6所示。進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量,了解該齒輪組件的振動(dòng)應(yīng)力、以及行波振動(dòng)模式。

從測(cè)試結(jié)果看，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為7625 r/min時(shí)，測(cè)試焊接區(qū)域（應(yīng)變片2）振動(dòng)應(yīng)力最大，動(dòng)應(yīng)力為48.2 MPa。

2.7 強(qiáng)度與振動(dòng)計(jì)算分析

2.7.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

3維應(yīng)力計(jì)算焊接截面處的應(yīng)力，考慮了焊縫與擋邊處的應(yīng)力集中系數(shù)時(shí)，儲(chǔ)備系數(shù)為1.74。

2.7.2 共振頻率和共振轉(zhuǎn)速計(jì)算

共振頻率和共振轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果見表2，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

表2 各階的前、后行波共振頻率和共振轉(zhuǎn)速

2.8 動(dòng)應(yīng)力測(cè)量及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

動(dòng)應(yīng)力測(cè)量及計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。在2節(jié)徑振型下測(cè)量的焊縫處動(dòng)應(yīng)力峰值為48.2 MPa，離心通風(fēng)器齒輪輪轂與工藝擋邊之間窄縫的實(shí)測(cè)寬度為0.05～0.07 mm；考慮應(yīng)力集中后，擋邊端焊縫處的徑向應(yīng)力可達(dá)342.5 MPa。其古德曼圖如圖7所示。

表3 動(dòng)應(yīng)力測(cè)量與計(jì)算結(jié)果MPa

從圖7中可以看出，由于在焊縫工藝擋邊處有縫隙而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，該處的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為1.4。

2.9 故障分析小結(jié)

（1）離心通風(fēng)器齒輪軸組件的大齒輪裂紋的性質(zhì)屬高周疲勞裂紋；

（2）在疲勞裂紋起始處，未發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致大齒輪產(chǎn)生裂紋的焊接缺陷；

（3）疲勞裂紋起源于電子束焊縫與工藝擋邊相交處；

（4）大齒輪電子束焊縫與工藝擋邊相交處的應(yīng)力集中較高是導(dǎo)致裂紋故障的主要原因；

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和停車過程中，存在0節(jié)圓、2節(jié)徑的前后行波振動(dòng)。這是該大齒輪的固有特性。

3 排故措施

根據(jù)此次故障分析，采取排故措施是將離心通風(fēng)器齒輪軸組件上的擋邊加工去掉，并檢查焊縫質(zhì)量(如圖8所示),并對(duì)此排故措施的齒輪組件進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量及分析。

3.1 振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量

離心通風(fēng)器齒輪軸組件的大齒輪貼應(yīng)變計(jì)位置與原結(jié)構(gòu)位置相同，測(cè)試結(jié)果與原結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果比較見表4。表中列出測(cè)點(diǎn)處幾個(gè)主要的測(cè)量峰值。驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6587 r/min時(shí)，測(cè)點(diǎn)中最大動(dòng)應(yīng)力為23 MPa。

3.2 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算分析

對(duì)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的共振頻率和共振轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，并與原結(jié)構(gòu)的進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。由動(dòng)應(yīng)力實(shí)際測(cè)量值可換算出焊縫處應(yīng)力和最大動(dòng)應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力，見表6。

從表5中看出，計(jì)算的行波共振轉(zhuǎn)速高于實(shí)際測(cè)量的共振轉(zhuǎn)速。驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的3節(jié)徑后行波共振轉(zhuǎn)速（高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2）理論計(jì)算為14011 r/min，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得為13768 r/min，理論計(jì)算比實(shí)際測(cè)得值高出1.76%。

從表6中看出，原結(jié)構(gòu)在工藝擋邊的焊縫處，考慮應(yīng)力集中系數(shù)時(shí)，動(dòng)應(yīng)力為342.5MPa；驗(yàn)證結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為23.7MPa。

表4 2種結(jié)構(gòu)的大齒輪動(dòng)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

表5 各階的前、后行波共振頻率和共振轉(zhuǎn)速

表6 2種結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量及計(jì)算結(jié)果MPa

從驗(yàn)證結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)處的古德曼圖如圖9所示。驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的2節(jié)徑行波共振時(shí)的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為21.38，3節(jié)徑行波共振時(shí)的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為5.66。

4 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣離心通風(fēng)器齒輪軸組件焊接區(qū)域裂紋故障原因清楚。裂紋起源于電子束焊縫與工藝擋邊相交處，為高周疲勞裂紋。齒輪軸組件電子束焊縫與工藝擋邊相交處應(yīng)力集中較高，是導(dǎo)致裂紋故障的主要原因。

（2）針對(duì)故障原因采取排故措施的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的附件機(jī)匣離心通風(fēng)器齒輪軸組件。經(jīng)臺(tái)架試車動(dòng)應(yīng)力測(cè)量分析、強(qiáng)度和振動(dòng)計(jì)算分析表明：在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在行波振動(dòng)和諧波共振，但動(dòng)應(yīng)力水平不高，有足夠的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備。相對(duì)振動(dòng)疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)3.3提高了1.97倍，相對(duì)于故障齒輪強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)提高了2.16倍。因此，采取排故措施的離心通風(fēng)器齒輪軸的可靠性有較大的提高，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命內(nèi)可靠工作。

[1] 北京航空材料研究院主編.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材料數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總公司,1990.

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