組合傳動發電機齒輪失效故障分析

肖海波

摘 要某型飛機電源系統組合傳動發電機齒輪損壞導致發電機空中發電功能失效故障，依據該型組合傳動發電機的結構和工裝原理進行故障分析，確定為組合傳動發電機恒速傳動裝置內部轉動齒輪安裝偏斜，傳動齒輪損壞，導致組合傳動發電機空中失效。

關鍵詞組合發電機;失效;齒輪;損壞;故障分析

1 故障現象

某型飛機空中報組合發電機故障，落地后在檢查分析過程中座艙顯示盤再次出現斷開右交流發電機信號，確認為發電機故障。此類故障連續發生兩起。

2 組合發電機工作原理（見圖1）

該型號組合傳動發電機由恒速傳動裝置恒裝HSCD-020和交流電機JF-30兩部分組成。

交流電機JF-30由定子和轉子組成，在恒速傳動裝置傳動下發出頻率恒定的交流電。

恒速傳動裝置HSCD-020由差動機構、離心調節器、泵馬達、帶壓力信號器的注油濾、組合泵、速度傳感器、溫度傳感器、傳動齒輪等組成，其作用是向交流發電機JF-30輸出恒定的轉速，保證JF-30發出頻率恒定的三相交流電源，其中差動機構、離心調節器、泵馬達組成轉速調節系統，保證向交流發電機輸出恒定的轉速，用于交流發電機發出頻率穩定的;恒速傳動裝置由飛機發動機帶動，飛機發動機將轉速直接傳遞給恒速傳動裝置中的差動機構，通過惰性齒輪230將恒裝輸出端的轉速傳遞給離心調節器和組合泵傳動齒輪504，帶動離心調節器工作，離心調節器用于感受恒速傳動裝置輸出端的轉速，向調速系統提供轉速負反饋，以調節恒速傳動裝置輸出的轉速，由傳動齒輪504將恒裝輸出的轉速傳遞給組合泵，用于向組合組合傳動發電機系統提供液壓動力，保證轉速調節系統的正常工作和傳動系統的進行潤滑、冷卻;泵馬達部件根據離心調節器傳遞液壓（轉速）信息，形成輸出轉速補償，差動機構將補償轉速與輸入轉速進行矢量疊加后，向交流發電機輸出恒定的轉速，保證發電機正常工作。壓力信號器用于感受滑油系統的壓力，當系統壓力低于0.9+0.28-0.065MPa時，向飛機發出滑油壓力低的信號，提醒飛行員恒裝有故障，需斷開恒裝;速度傳感器用于當恒裝故障，輸給交流發電機的轉速超過規定范圍時，向飛機電源系統控制保護器提供故障信號，控制保護器向組合傳動發電機發出斷開恒速傳動裝置電信號，斷開恒速傳動裝置，停止發電機的工作，防止組合傳動發電機進一步損壞。溫度傳感器用于在系統故障，滑油溫度高于規定時，接通恒速傳動裝置脫開機構工作電源，斷開恒速傳動裝置，發電機停止工作。

3 組合發電機檢查

3.1 對故障組合發電機外觀檢查

保險完好，殼體無明顯碰傷，無過熱現象。出口過濾器表面有金屬屑（見圖2）。檢查輸入軸，恒速傳動裝置處于嚙合狀態，用專用扳手轉動輸入軸，恒速傳動裝置轉動正常。檢查外部電纜正常、接線柱無松動。檢查線圈電阻合格，溫度傳感器未接通，處于正常斷開狀態。分解檢查進口過濾器濾芯表面清潔無污染。

外觀檢查結論：組合發電機出口過濾器濾芯表面有金屬屑，說明恒速傳動裝置內部有磨損。

3.2 分解檢查內部情況

檢查回油濾安裝孔內有大量金屬屑（圖3），取下交流發電機，恒速傳動裝置端面有少量的金屬屑（圖4），打開恒速傳動裝置殼體，恒速傳動裝置內部有大量金屬屑（圖5），轉動差動齒輪系，組合泵不能被傳動，分解檢查發現：殼體回油泵外轉子齒頂被一狀金屬塊卡?。▓D6）無法轉動，230惰性齒輪被啃噬一圈而損壞（圖7），啃噬部分齒寬與504齒輪齒寬相同，409齒輪（圖8）和504齒輪（圖9）各有一斷齒。其余零件均完好。

4 齒輪損壞原因分析

4.1 齒輪失效分析

經檢查發現齒輪損壞是導致發電機失效的原因，其中主要故障現象為230齒輪發生啃齒，504齒輪發生斷齒。經對失損壞齒輪進行失效分析，發電機總工作時間為2250h25min，大修時更換了230齒輪和504齒輪，大修后工作96h44min，230齒輪和504齒輪材料均為30Cr3WA，齒表面滲氮，深（0.15～0.38）mm，滲氮層硬度≥700HV，其余硬度為（28～37）HRC;離心調節軸材料為9Cr13Ni6Co5Be，硬度≥64HRC。

為進一步確認故障原因，將故障齒輪送中航工業621所進行失效分析。結果表明：（1）故障件504齒輪斷齒性質為疲勞斷裂;（2）故障件230齒輪齒損傷面損傷嚴重，以過載斷裂為主;（3）齒輪失效過程可能為504齒輪先發生疲勞破壞，造成230齒輪與504齒輪間配合異常，接觸應力和沖擊載荷急劇增大，進一步引起230齒輪發生“啃齒”現象;（4）504齒輪發生疲勞斷裂可能齒輪材料狀態不良和齒面不均勻受力有關。

4.2 齒輪疲勞斷裂可能原因分析

4.2.1 多余物進入恒裝導致故障

分解恒裝檢查發現，除組合泵被金屬塊卡住，其余部件均能自由轉動，組合泵被金屬塊卡住的可能原因：發電機恒裝內部進入多余物，在發電機工作過程中，組合泵將多余物吸入，當多余物通過組合泵內轉子齒頂時，由于多余物顆粒較大卡住組合泵（見圖6），504齒輪隨組合泵被卡住而無法轉動，高速傳動的齒輪230在傳動504時，致使230小齒輪齒被啃噬，形成大量金屬屑。將恒裝內金屬屑、斷齒和卡在組合泵中的金屬塊分別進行材料成分化驗發現，三者的材料均為30Cr3WA（表1），與三個齒輪材料相同，可以排除有外來多余物進入發電機導致齒輪損壞的可能性。

分析發電機中所有使用30Cr3WA材料制造的零件，除三個齒輪外還有：484螺釘、503螺釘、872齒輪、533齒輪、534齒輪、534-2齒輪、533-2齒輪和花鍵軸415，經過目視檢查，各零件表面均完好無損傷，排除了由恒裝內同材料零件損壞形成多余物卡住組合泵而引起故障的可能性?？ㄗ〗M合泵的金屬塊應是來自齒輪損壞后形成的多余物。

結論：可以排除有外來多余物和內生多余物導致故障的可能性。

4.2.2 齒輪本身缺陷導致齒輪斷裂

a齒輪是否存在陳舊性裂紋：三個齒輪中230和504是新件，HSCD-409是固定探傷項。探傷結果顯示齒輪HSCD-409無裂紋，顯微和宏觀檢查，排除了三個齒輪存在陳舊性裂紋的可能性。

b齒輪內部組織是否有缺陷：經過金相組織分析，齒輪內部組織無缺陷，可以排除齒輪內部組織存在缺陷的可能性。

c齒輪表面是否存在損傷：經宏觀和顯微檢查，齒輪表面無明顯加工刀痕和其他損傷，排除了齒輪表面存在缺陷的可能性。

結論：可以排除齒輪本身缺陷導致故障的可能。

4.2.3 裝配質量導致齒輪斷裂

圖紙要求（見圖10）齒輪230與套筒481、齒輪504與套筒505配合間隙為：（0.021～0.058）mm;實測故障件齒輪230與套筒481配合間隙為（0.052～0.085）mm。齒輪504與套筒505配合間隙為（0.075～0.105）mm，不符合要求。存在因齒輪裝配間隙過大，產生偏磨導致齒輪斷裂的可能。

結論：裝配質量不符合技術要求。

4.2.4 齒輪疲勞導致齒輪斷裂

三個齒輪相互傳動關系為：230齒輪（圖11中1#號）是主動輪， 409（圖11中2#）和504（圖11中3#）齒輪是被動輪。工作中油1#齒輪帶動2#和3#齒輪轉動，對三個損壞的齒輪進行斷口分析如下：

4.3 外觀及主要參數檢查

將三個齒輪沿徑向剖開，對齒輪側面接近齒頂處打硬度，分析滲氮層硬度。根據圖紙要求，齒輪滲氮層HV大于700，檢測結果符合要求（見表2）。

取一個新的主動輪，與1#齒輪對比進行觀察，見圖12。圖中可以看出，1#齒輪所有齒面均存在較大程度的啃噬，其高度同3#齒輪高度。損壞區域可明顯觀察到亮色磨損痕跡。1#齒輪中可觀察到其中一個齒輪的斷齒現象，從齒根處斷裂。同時，可以看出1#齒輪下側部分區域有磨損痕跡，見圖12c。

觀察2齒輪，見圖13。圖中可見2#齒輪處有一斷齒，沿齒根處斷裂，見圖13b，其余齒面存在不同程度磨損，但程度較輕。該齒輪非新件，是原機件，大修前已裝配使用。

觀察3齒輪，見圖14。圖中可見3#齒輪處有一斷齒，沿齒根處斷裂，見圖14a、14b。同時，其余齒面均有不同程度的磨損、啃噬，見圖14a、14c。

4.2 失效分析

考慮到230嚙合齒輪的半徑較小，同樣行程下轉速較大，因此，230齒輪先疲勞斷裂。

結論：（1）三個齒輪斷裂性質均為疲勞斷裂;

（2）230齒輪率先疲勞斷裂：惰性齒輪230與傳動齒輪504齒輪安裝出現偏斜，造成230齒輪端面（圖15）與504齒尖相摩擦，230小齒論與504傳動齒之間嚙合面偏斜，兩者之間產生偏磨，230小齒受力增大，加速了小齒論的疲勞斷裂。

（3）齒輪斷裂使得恒速傳動裝置失去傳動功能，導致組合傳動發電機空中失效故障的發生。

5 總結

結合上述分析和對比，此次故障原因為組合傳動發電機內部惰性齒輪230與傳動齒輪504齒輪嚙合偏斜，造成230齒輪端面與504齒尖相摩擦，兩者之間產生偏磨，230小齒受力增大，在工作中發生疲勞斷裂。

參考文獻

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