CFM56-7B發動機起動機行星齒輪軸的失效分析與預防

■ 馮志偉/武漢航達航空科技發展有限公司

0 引言

3505945 系列起動機裝載于CFM56-7B型航空發動機，在起動發動機的同時，該系列起動機的潤滑系統直接與航空發動機的滑油系統相連。經過統計分析3505945系列起動機的修理記錄，該系列起動機一旦發生齒輪軸（件號3507167-2）斷裂故障，斷裂碎片很容易被帶入起動機的齒輪減速機構，從而造成太陽齒輪、行星齒輪、環形齒輪等的損壞，有時甚至引起渦輪葉輪端軸承損壞，使渦輪葉輪徑向偏移并與排氣殼體刮蹭，導致起動機油封破損，使起動機漏油，并引起與之相連的發動機滑油的泄漏，嚴重時甚至造成發動機空停，影響飛行安全。

1 齒輪軸工作原理

圖1 齒輪軸工作示意圖

3505945 系列起動機中用于支撐行星齒輪的滾針軸承依靠齒輪機構旋轉帶動油池中的滑油飛濺，然后由齒輪軸上的集油槽收集飛濺的滑油，再通過齒輪軸內部通道將滑油輸送到滾針軸承進行潤滑（見圖1）。件號為3507167-2的齒輪軸，其集油槽端為懸臂結構（見圖2）且較薄弱，加上齒輪減速機構在運行時會對其施加周期載荷，因此，任何缺陷都很容易使齒輪軸發生斷裂故障。據統計分析，這些斷裂的齒輪軸在使用前均依據部件維修手冊CMM80-11-79進行過無損探傷檢查，并且均為探傷檢查合格件，初步分析認為有其他因素導致該件號齒輪軸提前發生斷裂故障，為此對該件號齒輪軸進行相關分析。

2 齒輪軸的斷裂故障說明

圖2 齒輪軸安裝位置示意圖

查看3505945系列起動機的相關維修記錄發現，齒輪軸3507167-2的斷裂位置集中在集油槽處（見圖3），且斷裂點比較固定，均位于靠近集油槽端的臺階處（見圖4）。齒輪軸3507167-2的集油槽邊沿存在三種狀態：尖邊、倒角、圓角（其斷面示意見圖5）。而發生斷裂故障的齒輪軸多為集油槽邊沿為尖邊或倒角的齒輪軸，推斷有可能是尖邊或倒角的邊沿存在某些微小缺陷，在周期載荷作用下這些微小缺陷容易形成裂紋源并不斷擴展，從而導致該齒輪軸提前發生斷裂故障。

3 對齒輪軸進行失效分析

為了驗證上述推斷，用UG NX8.0建模，再用ANSYS Workbench 15.0有限元分析軟件模擬齒輪軸的邊沿為尖邊、倒角、圓角的三種狀態下的應力分布情況。首先用同種網格劃分法劃分三種狀態下的齒輪軸（見圖6），然后用同樣的參數設置進行模擬分析，得到相應的應力分布情況（見圖7），對比三種狀態下的應力分布圖，發現正常情況下在同樣載荷作用下三種狀態的最大應力相差不明顯。

圖3 斷裂的齒輪軸

圖4 齒輪軸經常發生斷裂的地方

圖5 齒輪軸集油槽邊沿斷面示意圖

圖6 齒輪軸的網格劃分圖

圖7 齒輪軸在三種狀態下的應力分布圖

圖8 齒輪軸在有微小缺陷狀態下的應力分布圖

但是，由于該齒輪軸3507167-2所使用的材料硬度較高，同時集油槽邊沿比較薄，在加工或后期使用中以及運輸時容易在其邊沿的尖邊處形成微小崩邊等缺陷，為此再次使用ANSYS Workbench 15.0有限元分析軟件對該齒輪軸進行斷裂分析，并在其集油槽易產生微小崩邊等缺陷處施加裂紋源，以同樣參數和載荷分析得到應力分布圖（見圖8）。對比圖8與圖7的最大應力值發現，齒輪軸在集油槽邊沿有微小缺陷的情況下的最大應力值是原有應力值的4倍左右。由此分析認為，該齒輪軸上集油槽邊沿的微小缺陷對其斷裂有較大影響。

4 預防措施

查詢3505945系列起動機有關的SB，發現其生產廠家在2000年曾針對齒輪軸3507167-1短時間內因周期載荷發生疲勞斷裂的情況發布了服務通告SB：CFM56-7B SB80-004，建議改用新型號齒輪軸3507167-2。新型號齒輪軸采用“GUN DRILL”加工方法，表面光潔度達到了0.8μm，但實踐驗證表明齒輪軸3507167-2的集油槽邊沿的尖邊或倒角處仍存在微小缺陷。

綜上分析，對于齒輪軸3507167-2，建議在使用前依據波音公司SOPM20-10-02，對集油槽邊沿用銼刀去除微小缺陷并保證材料的去除量最小，同時修整成圓角，然后用砂紙對修銼的地方沿軸向進行拋光打磨，處理后在放大鏡下觀察集油槽處不得有明顯的徑向加工紋路，表面光潔度至少達到0.8μm（見圖9），并依據部件維修手冊CMM80-11-79進行探傷檢查，不得有裂紋等缺陷。

圖9 處理前與處理后的齒輪軸

5 結束語

按照以上方法對齒輪軸3507167-2進行后期處理，并對經處理齒輪軸的起動機進行長時間跟蹤調查，實踐表明，這種后期處理方法對提升產品的可靠性有很大幫助。未來將繼續跟蹤調查該系列起動機并進行統計分析，以便找到更優化的方法來避免齒輪軸3507167-2斷裂情況的發生，共同提高該系列起動機的持續適航性。