齒輪動應(yīng)力及溫度測量在機匣故障中的應(yīng)用

吳雙峰 李錦花 王旭華 趙迎松

摘要：本文介紹了某型發(fā)動機附件機匣光譜超標(biāo)的故障現(xiàn)象以及齒輪動應(yīng)力測量和齒輪溫度測量原理，通過齒輪動應(yīng)力測量及齒輪溫度測量，確定附件機匣內(nèi)齒輪材料選擇不當(dāng)及離心通風(fēng)器齒輪存在共振是故障的主要原因。據(jù)此提出排故措施，包括重載側(cè)齒輪材料更換高溫齒輪鋼以及改進(jìn)離心通風(fēng)器齒輪的結(jié)構(gòu)等，并對改進(jìn)齒輪軸進(jìn)行了動態(tài)特性分析以及動應(yīng)力實測，進(jìn)行了貫徹改進(jìn)措施附件機匣的長試考核驗證，隨后在外場進(jìn)行全面貫徹，使故障率大幅降低。

關(guān)鍵詞：附件機匣；光譜超標(biāo)；動應(yīng)力；齒輪測溫；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號：V233.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.005

某型發(fā)動機在外場使用過程中，多次出現(xiàn)滑油光譜金屬含量超標(biāo)問題，從發(fā)動機分解檢查情況看，滑油光譜金屬含量超標(biāo)問題，主要是由附件機匣內(nèi)齒輪及相應(yīng)的軸承襯套異常磨損造成的。經(jīng)理化分析，齒輪失效模式是先發(fā)生膠合現(xiàn)象，再出現(xiàn)接觸疲勞，齒輪材質(zhì)、滲碳層等無明顯異常；軸承襯套磨損分為三類：相對運動磨損、微動磨損、相對運動與微動結(jié)合磨損[1]。前期分析認(rèn)為襯套磨損在前，排故措施主要集中在改進(jìn)襯套材料及裝配方面，但貫徹排故措施后效果并不理想，為進(jìn)一步分析故障機理徹底解決光譜超標(biāo)問題，需要對附件機匣齒輪工作情況開展進(jìn)一步研究。

齒輪傳動過程中，齒輪相互嚙合傳遞運動和能量，必然在這個過程會產(chǎn)生一定形式的機械振動，而諸如剝落、膠合、磨損等齒輪的各種缺陷和故障必然會引起機械振動狀態(tài)的改變[2]。齒輪動應(yīng)力測量是了解齒輪工作狀態(tài)振動特性的必要手段[3]，早在20世紀(jì)70年代，D.R. Houser等采用試驗測試的方式研究了齒輪轉(zhuǎn)速與齒輪嚙入沖擊引起的動載荷之間的關(guān)系[4]。Hotait等采用應(yīng)變電測法測量得到了單對齒輪副的齒根動應(yīng)力。劉更等采用微型應(yīng)變片測得單對齒輪副的齒根動應(yīng)力[5]及輻板動應(yīng)力[6]。唐進(jìn)元等[7]給出了沖擊載荷作用下齒根動應(yīng)力的計算方法。

齒輪工作溫度也是反映齒輪工作狀態(tài)的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為嚙合齒輪溫度可以分為本體穩(wěn)態(tài)溫度和齒面閃溫[8]，齒輪本體穩(wěn)態(tài)溫度是齒輪運轉(zhuǎn)一段時間達(dá)到熱平衡后齒輪本體的穩(wěn)態(tài)溫度，齒面閃溫是輪齒嚙合瞬間嚙合區(qū)域的溫度。關(guān)于齒面閃溫最早的文獻(xiàn)在1937年由荷蘭的H. Blok[9]發(fā)表，他同時還運用自然熱電偶法進(jìn)行了齒面溫度的測量試驗。日本學(xué)者Y. Terauchi和Y. Miyao[10-11]在1964年采用自然熱電偶法測量了直齒圓柱齒輪的閃溫。與自然熱電偶法相比，人工熱電偶法將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶埋入齒輪中，能夠測量齒輪指定點的溫度[12]。德國的G. Niemann[13]通過嵌入在輪齒中間位置的熱電偶測量了輪齒的平均溫度。日本的研究人員Kato[14]將熱電偶埋在非?？拷ぷ鼾X面的輪齒內(nèi)來測量輪齒的溫度。

本文針對故障附件機匣結(jié)構(gòu)特點，開展齒輪動應(yīng)力測量及齒輪本體穩(wěn)態(tài)溫度測量，通過研究結(jié)果分析附件機匣故障原因，并提出改進(jìn)措施。

1測量方案

1.1附件機匣結(jié)構(gòu)

附件機匣結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸承襯套通過螺紋銷固定在殼體上，齒輪通過前后兩端軸承固定在軸承襯套上，齒輪軸與軸承內(nèi)圈采用過盈配合，軸承襯套與軸承外環(huán)采用間隙配合，磨損情況如圖2和圖3所示。

1.2齒輪動應(yīng)力測量方案

齒輪振動應(yīng)力測量系統(tǒng)由應(yīng)變片、動態(tài)應(yīng)變信號放大器、記錄儀和頻譜分析系統(tǒng)組成。在齒輪輻板及齒輪軸上貼應(yīng)變片，應(yīng)變片感受的振動信號通過引電器引出后經(jīng)動態(tài)應(yīng)變信號放大器放大處理，放大后的信號輸入B&K公司的PULSE系統(tǒng)進(jìn)行記錄并分析，通過對振動信號的分析處理，得到齒輪振動的應(yīng)力、頻率及共振轉(zhuǎn)速。由于試驗器臺架及機匣自身結(jié)構(gòu)的限制，僅對齒輪2、齒輪4進(jìn)行動應(yīng)力測量，方案如圖4所示。

1.3齒輪溫度測量方案

齒輪溫度測量通過在齒輪輻板測試部位處焊接熱電偶，并通過引電器將齒輪上的溫度電測信號由轉(zhuǎn)子傳輸?shù)揭娖黛o子部件上的信號連接裝置，最終輸出到熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本次齒輪工作溫度測量選取擦傷較頻繁的齒輪2作為測量對象，如圖5所示。

1.4試驗載荷工況

試驗在附件機匣專用磨合運轉(zhuǎn)試驗器上進(jìn)行，試驗程序如圖6所示，載荷按出廠磨合試車要求，試驗過程滑油供油溫度保持在100～110℃。

2齒輪動應(yīng)力測量結(jié)果

2.1齒輪2動應(yīng)力測量結(jié)果

齒輪輪緣上貼三個周向應(yīng)變片，齒輪輻板中間位置貼兩個周向應(yīng)變片，齒輪軸上貼三個軸向應(yīng)變片，應(yīng)變計貼片位置及編號如圖7、圖8所示。本次測試齒輪2轉(zhuǎn)速由8660～12250r/min，慢掃描過程為2min。以5號應(yīng)變計為例，瀑布圖上出現(xiàn)了兩個較大的峰值，最大應(yīng)力為88MPa，頻率為6812Hz，轉(zhuǎn)速為10215 r/min。由行波共振理論有N=60fm/（kz±m(xù)），其中N為齒輪的轉(zhuǎn)速；fm表示齒輪旋轉(zhuǎn)時，從與齒輪同轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)的動坐標(biāo)上看到的齒輪振動固有頻率；k為諧波階次；z為齒數(shù)；m為節(jié)徑數(shù)。為方便說明將“kz±m(xù)”簡稱為激振因素，由公式得出此轉(zhuǎn)速下激振因素為40，參考齒輪模態(tài)試驗結(jié)果（見表1）及齒數(shù)（z=25），最終判斷激振因素40并不存在。綜合分析可知，此峰值并非齒輪的真實振動情況，此處峰值可能是測試回路帶來的干擾信號，同樣可證明另一峰值也非齒輪真實振動應(yīng)力值。濾掉干擾后測試結(jié)果顯示各狀態(tài)振動應(yīng)力小于10MPa，無明顯共振。

2.2齒輪4動應(yīng)力測量結(jié)果

大齒輪上貼5個周向應(yīng)變片，齒輪軸上貼三個軸向應(yīng)變片，應(yīng)變計貼片位置及編號如圖9、圖10所示。

本次測試齒輪4轉(zhuǎn)速6650～9280r/min，慢掃描過程為2min。4、7、8號應(yīng)變計損壞，其余各應(yīng)變計實測振動應(yīng)力值見表2，以1號應(yīng)變計為例，振動信號瀑布圖如圖11所示。

根據(jù)模態(tài)試驗結(jié)果（見表3）及大齒輪齒數(shù)（z=33）可以推知，瀑布圖中黑框中的兩個峰值并非齒輪真實振動的峰值，可能是測試回路帶來的干擾信號。

在6650～9280r/min齒輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，存在激勵因素z/2、（z/2）+2、z+3、2z-4，對應(yīng)的是2節(jié)徑型共振、2節(jié)徑后行波、3節(jié)徑后行波、4節(jié)徑前行波。2節(jié)徑型共振最大振動應(yīng)力為48MPa，根據(jù)實測動應(yīng)力大小折算齒輪2節(jié)徑、3節(jié)徑振動應(yīng)力分布如圖12、圖13所示?？藏悹枅D如圖14所示（圖中轉(zhuǎn)速為齒輪4轉(zhuǎn)速）。

為驗證測量結(jié)果準(zhǔn)確性及重復(fù)性，對齒輪4進(jìn)行了兩次復(fù)測，測量結(jié)果見表4、表5。

從三次齒輪動測和振動特性分析結(jié)果看，齒輪4在93%工作轉(zhuǎn)速存在2節(jié)徑共振，最大振動應(yīng)力為48MPa，應(yīng)力值滿足使用要求，但在發(fā)動機常用工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在齒輪共振，對附件機匣平穩(wěn)工作不利，亦可能導(dǎo)致襯套的加速磨損。

3齒輪溫度測量結(jié)果

測量位置為齒輪2輪緣處，齒輪單側(cè)三個測點，雙側(cè)共計6個測點，如圖15所示，齒輪溫度測量結(jié)果見表6，其中正對紙面測點簡稱TQ，反之簡稱為TH。

齒輪軸2上的齒輪為雙側(cè)嚙合，兩個漸開線齒面均為工作齒面。對齒輪2進(jìn)行溫度場計算[15]，其中與齒輪1嚙合側(cè)的溫度場分布如圖16所示，與齒輪3相嚙合側(cè)的溫度場分布如圖17所示。

有限元計算結(jié)果中，測點位置溫度約為130～140℃，根據(jù)有限元計算結(jié)果，測點位置與嚙合區(qū)最高溫差可達(dá)70～80℃，因此推測齒面嚙合區(qū)最高溫度可達(dá)200℃以上。齒輪2轉(zhuǎn)速較高、載荷較大，且為雙側(cè)嚙合，因此齒面溫度較高。

故障附件機匣的齒輪材料選用12Cr2Ni4A/GJB 1951-1994，Ⅱ類鍛件，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱處理為“780～ 810℃，油冷150～170℃，空冷”?？梢钥闯?，12Cr2Ni4A材料的棒材及鍛件回火溫度為150～170℃。

試驗測量附件機匣內(nèi)齒輪2輪緣位置溫度高于150℃，在齒輪嚙合的接觸區(qū)溫度會更高，而12Cr2Ni4A鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的回火溫度為150～170℃，因此接觸區(qū)溫度高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的回火溫度，齒輪芯部硬度及齒面硬度下降，使齒輪的彎曲疲勞強度、齒面接觸疲勞強度下降。當(dāng)發(fā)動機停止工作時，齒輪軸的溫度逐漸降到室溫，滲碳層中的奧氏體又轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度又恢復(fù)正常。

因無機匣回油溫度測量傳感器，統(tǒng)計了100余臺發(fā)動機的總回油溫度，回油溫度在140～160℃之間。俄制發(fā)動機應(yīng)用12X2H4A鋼（相近國產(chǎn)12Cr2Ni4A）時，要求若在100h以上長期保持洛氏硬度≥58HRC，齒輪的工作溫度不能超過150℃。因此，較高溫度下工作的齒輪，應(yīng)采用熱強鋼制造。對接觸區(qū)溫度達(dá)到350～400℃的高應(yīng)力齒輪和摩擦零件，推薦采用16Х3ВНФМБ（ДИ-39）熱強滲碳鋼。

前期已經(jīng)對部分重載側(cè)齒輪增加了供油量，參照某型機匣重載側(cè)供油量單個噴嘴油量由0.5L/min增加為1L/min，而故障并未改善，因此，12Cr2Ni4A材料性能不滿足某型附件機匣的使用要求。

4排故措施

4.1齒輪換材料

為解決齒面擦傷問題，提高齒輪抗膠合能力，計劃將重載側(cè)4根齒輪軸材料更換為高強度鋼（16Cr3NiWMoV NbE），并將齒輪精度由6-5-5級提高至5-4-4級，齒面粗糙度由Ra0.8提高至Ra0.4。

16Cr3NiWMoVNbE回火溫度為300～350℃，高于12Cr2Ni4A的回火溫度，同樣高于附件機匣的工作溫度，16Cr3NiWMoVNbE滲碳后室溫下測試表面硬度為63HRC左右，又具有較好的高溫性能，因此在高溫度下仍然保持良好的齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度，適合應(yīng)用在故障發(fā)動機附件機匣內(nèi)重載側(cè)的傳動齒輪。

4.2改進(jìn)齒輪結(jié)構(gòu)

針對齒輪4動應(yīng)力測量結(jié)果對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過計算確定改進(jìn)方案，將輻板厚度改為8.5mm、轉(zhuǎn)接圓角增加為R10，并去掉原輻板上的減重孔，原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)對比如圖18、圖19所示。改進(jìn)前齒輪重約2.3kg，改進(jìn)后重量增加約80g，變化較小。

對改進(jìn)方案齒輪進(jìn)行了兩次動應(yīng)力測量，動測結(jié)果見表7和表8。改進(jìn)結(jié)構(gòu)動測結(jié)果表明，該齒輪存在激振因素33E×3/2、2×33E激起的3節(jié)徑后行波、4節(jié)徑后行波共振。改進(jìn)結(jié)構(gòu)齒輪的最大振動應(yīng)力為48MPa，改進(jìn)前后動應(yīng)力儲備見表9。齒輪動測時，同時監(jiān)控了機匣振動情況，振動總量對比見表10、表11。因前三次測量時機匣上的測點未進(jìn)行標(biāo)定，故表10中利用電壓值代表其加速度大小。

從機匣動測結(jié)果可見，改進(jìn)結(jié)構(gòu)機匣兩次動測的振動總量均小于原結(jié)構(gòu)機匣三次動測的振動總量，說明裝配改進(jìn)結(jié)構(gòu)齒輪后機匣振動有一定的緩解。

通過對比改進(jìn)前后動測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）改進(jìn)結(jié)構(gòu)齒輪成功消除了激振因素33E/2、33E、2×33E激起的2節(jié)徑、2節(jié)徑后行波、3節(jié)徑后行波共振，改進(jìn)效果明顯；（2）改進(jìn)時僅考慮了33E/2、33E和2×33E激振因素激起的1～3節(jié)徑振動，本次動測出現(xiàn)了33E×3/2激振因素激起的3節(jié)徑共振和2×33E激振因素激起的4節(jié)徑共振，振動應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)；（3）改進(jìn)前后齒輪動應(yīng)力儲備由6.38MPa提高到8.56MPa，改進(jìn)后齒輪抗疲勞能力增強；（4）裝配改進(jìn)結(jié)構(gòu)齒輪的機匣振動總量均小于裝配原結(jié)構(gòu)齒輪的機匣，說明裝配改進(jìn)結(jié)構(gòu)齒輪對機匣振動有一定的緩解。

5結(jié)論

通過對附件機匣內(nèi)齒輪進(jìn)行動應(yīng)力及溫度測量，得到以下結(jié)論：

（1）附件機匣內(nèi)齒輪選材不當(dāng)、離心通風(fēng)器齒輪存在共振是引起故障的主要原因。

（2）提出對重載側(cè)齒輪改進(jìn)材料以及對離心通風(fēng)器齒輪軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)等措施。

（3）新結(jié)構(gòu)齒輪消除了部分激振因素，提高了動應(yīng)力儲備，改善了機匣振動。

（4）附件機匣外場故障率明顯降低，由最初的40%左右故障率降低到小于5%，有效緩解了外場的使用壓力。但是由于現(xiàn)有附件機匣的結(jié)構(gòu)限制，無法進(jìn)行徹底改進(jìn)，完全消除所有激振因素，在外場使用過程中需要繼續(xù)定期檢測附件機匣滑油光譜，積累附件機匣返廠分解檢查數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)問題，確保發(fā)動機使用安全。

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作者簡介

吳雙峰（1983-）男，碩士，工程師。主要研究方向：航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)。

Tel：13889312607E-mail：5894151@qq.com

Application of Gear Dynamic Stress and Temperature Measurement in the Failure of Accessory Gearbox

Wu Shuangfeng1，2，*，Li Jinhua1，2，Wang Xuhua1，Zhao Yingsong1

1. AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China

2. AVIC Key Laboratory of Power Transmission Technology on Aero-engine，Shenyang 110015，China

Abstract： This paper describes the phenomenon of spectrum over standard problem of the accessory gearbox，as well as the principle of gear dynamic stress measurement and gear temperature measurement. The gear dynamic stress measurement and gear temperature measurement show that the gearbox accessories improper selection of materials and centrifugal fan gear resonance are the main reason for the failure. Accordingly， it proposes troubleshooting measures，including heavy-duty side gear shaft replacement high-temperature gear steel and improving of the structure of centrifugal fan gear and so on. The dynamic characteristics analysis and dynamic stress measurement of the improved gear shaft were carried out. The measures are carried out to improve the attachment casing long test assessment，followed by the full implementation of the field. The failure rate is significantly reduced.

Key Words： accessory gearbox； spectrometric over standard； dynamic stress； gear measuring temperature； structure improvement