錐齒輪齒面剝落失效的原因分析

摘 要：航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，我國的飛機發(fā)動機經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了較為完備的發(fā)動機制造體系，在某型發(fā)動機中所使用的錐齒輪經(jīng)過地面長時間的試車后對其表面進行檢測后發(fā)現(xiàn)錐齒輪表面有局部脫落現(xiàn)象，并伴隨有條狀擦傷痕跡，嚴重影響錐齒輪的使用。需要在對錐齒輪進行材料、金相組織以及硬度等檢測的基礎(chǔ)上對造成錐齒輪損壞的原因進行分析，找出造成錐齒輪損壞的原因并為后期做好對于錐齒輪的調(diào)整提供充分的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：錐齒輪；齒面剝落；金相組織；失效

前言

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜、所使用的各種零部件需要在各種惡劣的條件下進行工作，從而需要確保航空發(fā)動機各零部件具有良好的使用壽命和使用質(zhì)量，某發(fā)動機上所使用的主、從動錐齒輪在地面試車時發(fā)現(xiàn)其在長時間使用試車后錐齒輪齒面出現(xiàn)了輕微的點蝕和錐齒輪的齒面壓潰，而后繼續(xù)試車錐齒輪齒面的損壞更為嚴重甚至于發(fā)生有齒面剝落的現(xiàn)象。應當做好對于錐齒輪的材料及金相等的分析，找出造成錐齒輪失效的原因，以便從根本上解決問題提高錐齒輪的使用質(zhì)量和使用壽命。

1 某發(fā)動機錐齒輪失效檢測

某發(fā)動機所使用的錐齒輪在地面滿負荷運行測試40h后發(fā)現(xiàn)其錐齒表面存在著輕微的麻點狀的點蝕和條狀的擠壓壓痕，而后繼續(xù)對其進行測試達幾百小時后發(fā)現(xiàn)錐齒輪錐齒表面發(fā)生了嚴重的剝落現(xiàn)象，嚴重的影響了錐齒輪的使用壽命和使用的可靠性。此錐齒輪主要材料為18CrNi4A，整體經(jīng)過鍛鑄成型，經(jīng)過地面測試后發(fā)現(xiàn)其靜態(tài)測試符合要求，但是其動態(tài)特性較差，經(jīng)過使用后容易造成零件失效。

1.1 錐齒輪失效部位外觀分析

通過對失效的錐齒輪進行觀察后發(fā)現(xiàn)，主動錐齒輪各齒均存在著不同程度的磨損，錐齒面上存在著明顯的擠壓變形的痕跡，且變形的痕跡貫穿整個齒面，同時在距齒頂2/3處存在有凸起波形條紋的折皺且存在一定程度的剝落。與主動齒相似的是，從動齒在錐齒工作面上存在有較為明顯的擠壓變形線，錐齒面存在著一定的金屬附著殘留，并在一些錐齒面上發(fā)現(xiàn)有麻點點蝕和齒面剝落的現(xiàn)象，錐齒齒面損壞嚴重使得錐齒輪無法繼續(xù)使用。使用電子顯微鏡對錐齒齒面剝落位置進行觀察后發(fā)現(xiàn)，錐齒輪齒面的剝落位置光亮、線型清晰，裂紋穿晶，同時剝落位置還存在著清晰的二次裂紋，錐齒面的剝落主要從齒節(jié)向齒頂方向發(fā)展，同時在使用電子顯微鏡觀測時發(fā)現(xiàn)有較為明顯的接觸疲勞條帶，在齒面并未發(fā)現(xiàn)其他缺陷的明顯痕跡。

1.2 錐齒輪損壞位置的金相檢測

在對錐齒齒面進行檢測時并未發(fā)現(xiàn)有明顯的燒傷痕跡，錐齒輪的輪齒低倍流線基本符合零件幾何外形的尺寸要求，且錐齒輪的輪齒的斷口表面的晶粒細致未見有其他明顯的缺陷，對于錐齒輪齒面的非金屬夾雜物進行檢查并未發(fā)現(xiàn)有明顯的異常。同時對采集自失效錐齒輪上的錐齒采用顯微硬度法對錐齒齒面節(jié)圓處進行檢測后發(fā)現(xiàn)，主動錐齒輪的錐齒齒面滲碳層深度略高于設(shè)計要求，而從動錐齒齒面的滲碳層深度則與技術(shù)要求相符。錐齒齒面的表面顯微組織如圖1所示，其中表面錐齒齒面的組織分析后為高碳馬氏體與顆粒狀碳化物和少量殘余奧氏體的組合物。

錐齒輪齒面中心的組織經(jīng)觀測后發(fā)現(xiàn)其為低碳馬氏體和少量的鐵素體。其顯微組織如圖2所示。通過對錐齒輪齒面的表面和心部進行硬度檢測后發(fā)現(xiàn)，錐齒輪齒面的硬度和心部的硬度均符合設(shè)計要求。

2 發(fā)動機錐齒輪齒面失效原因分析

通過對錐齒輪齒面進行材料組織、金相組織以及其他的力學性能檢測后發(fā)現(xiàn)，錐齒輪齒面的各項性能指標都達到了圖紙設(shè)計要求，在錐齒輪齒面的測試時所發(fā)現(xiàn)的主動錐齒輪齒面表面滲碳層厚度略高于設(shè)計要求其都有錐齒輪齒面的表面硬度有所提高但這不是造成錐齒輪齒面剝落的主要原因，應當在做好對于錐齒輪齒面各項檢測的基礎(chǔ)上進行認真、細致的分析，找出造成錐齒輪齒面剝落的主要原因，從而在根本上解決問題。通過對錐齒輪齒面剝落的深度進行測量后發(fā)現(xiàn)，其剝落點最深度其主要是位于錐齒輪齒面的硬化層內(nèi)，同時對錐齒輪齒面剝落位置使用電子顯微鏡進行觀測后發(fā)現(xiàn)，錐齒輪齒面剝坑內(nèi)的金屬表面組織存在有貝殼狀的花紋，具有較為明顯的疲勞破壞的特性，結(jié)合以上信息分析認為是由于錐齒輪副在工作時各齒面之間接觸應力分布不均所造成的，而后通過對錐齒輪齒面進行動態(tài)測試發(fā)現(xiàn)錐齒輪副接觸齒面的嚙合接觸應力區(qū)的動載狀態(tài)分布存在一定的異常，從而也從測量證實了先期的猜測，錐齒輪在運行的過程中，由于主、副錐齒輪接觸應力分布不均勻?qū)е洛F齒輪在運行的過程中，一些部件齒面的接觸應力過大，從而使得錐齒輪兩齒面在嚙合的過程中發(fā)生局部碾壓，從而破壞了錐齒輪齒面的接觸效果，錐齒輪齒面在接觸的過程中由于其表面凹凸不平，導致錐齒輪齒面在接觸的過程中會產(chǎn)生較大的摩擦，并在接觸時較大的接觸應力會將錐齒輪齒面的部分壓平從而產(chǎn)生小的表面折疊，并在錐齒輪齒面齒尖處產(chǎn)生一定的應力集中，錐齒輪的轉(zhuǎn)動速度較快，從而造成接觸面的接觸應力極大，在應力的反復作用下將會使得錐齒輪齒面發(fā)生一定的局部塑形變形進而產(chǎn)生表面的裂縫，同時較大的接觸力會將潤滑油等擠入到縫隙中形成油楔從而使得裂縫在運動中不斷擴大、延伸并最終導致錐齒輪齒面產(chǎn)生剝落的現(xiàn)象。造成錐齒輪齒面產(chǎn)生麻點點蝕的原因最主要的是包括摩擦力在內(nèi)的表面切應力。當錐齒輪齒面的產(chǎn)生裂縫時，由于錐齒輪所使用的材料在脫碳或是表面溫度較高時將會使得錐齒輪齒面表層軟化，從而降低了錐齒輪齒面的強度和抗塑形變形的能力，從而導致錐齒輪齒面產(chǎn)生剝落。

3 結(jié)束語

錐齒輪是發(fā)動機中的重要組成部分之一，其使用性能的好壞對于發(fā)動機的質(zhì)量有著十分重要的影響，文章在對某發(fā)動機錐齒輪進行失效分析的基礎(chǔ)上，通過對錐齒輪從所使用的材料性能、金相組織等多方面進行研究，確定了造成錐齒輪齒面剝落的最主要的原因，從而為下一步的對錐齒輪齒面的處理指明了道路。

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