空氣渦輪起動(dòng)機(jī)主動(dòng)齒輪齒面剝落故障分析

蔣 聰，熊 欣，劉 冕

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210006)

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的減速齒輪系由兩級(jí)減速齒輪組成，其中主動(dòng)齒輪和雙聯(lián)齒輪將渦輪高轉(zhuǎn)速的機(jī)械能傳遞到離合器直至帶轉(zhuǎn)輸出軸，轉(zhuǎn)化為較大扭矩的動(dòng)力輸出，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在使用后的分解檢查中發(fā)現(xiàn)主動(dòng)齒輪齒面局部剝落，剝落碎屑在采用獨(dú)立潤(rùn)滑形式的起動(dòng)機(jī)中可能引起內(nèi)部卡滯、主軸斷裂等嚴(yán)重故障。為此，本文針對(duì)該主動(dòng)齒輪齒面剝落原因進(jìn)行分析和研究。

1 理化檢查

齒面剝落部位位于該主動(dòng)齒輪工作齒面一側(cè)齒形中上部，如圖1所示。剝落位置沿齒向方向靠近嚙合長(zhǎng)度邊界約2.5 mm，剝落尺寸大小約2 mm×4 mm，剝落坑附近嚙合處為塑性變形形貌[1]，如圖2所示。

圖1 齒面剝落位置 圖2 切塊取樣后外觀形貌 圖3 齒面剝落位置微觀形貌

對(duì)該主動(dòng)齒輪進(jìn)行了磁力探傷，除剝落區(qū)域外，未見其他裂紋缺陷。通過(guò)掃描電鏡觀察，剝落處呈層片狀形貌(如圖3所示)，剝落性質(zhì)為接觸疲勞剝落。

2 故障分析

2.1 原因分析

根據(jù)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合理化分析結(jié)論，從設(shè)計(jì)、使用、制造和裝配等方面開展齒面接觸疲勞剝落故障的分析工作，列出了可能導(dǎo)致該故障的故障樹，如圖4所示。

圖4 齒面剝落問(wèn)題故障樹

2.2 原因定位

該主動(dòng)齒輪的材料為25Cr3MoA，對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，結(jié)果見表1，符合材料要求。

表1 主動(dòng)齒輪材料化驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

此次故障的起動(dòng)機(jī)涉及的4種齒輪強(qiáng)度校核合格，計(jì)算結(jié)果見表2。出現(xiàn)剝落問(wèn)題相關(guān)的主動(dòng)齒輪計(jì)算接觸強(qiáng)度安全系數(shù)居中，而該起動(dòng)機(jī)其他齒輪均未出現(xiàn)齒面異常，因此齒輪設(shè)計(jì)選材無(wú)問(wèn)題。

表2 齒輪強(qiáng)度校核結(jié)果

對(duì)主動(dòng)齒輪解剖進(jìn)行金相分析，滲層及心部組織性質(zhì)未見異常，滲層較為均勻，實(shí)測(cè)滲層深度符合圖樣要求0.15 mm～0.35 mm，因此不存在滲層和心部組織不合格的情況。

當(dāng)起動(dòng)機(jī)使用過(guò)程存在高于使用引氣上限的沖擊載荷時(shí)，也會(huì)造成齒輪因超負(fù)荷發(fā)生齒面損傷，進(jìn)而在使用過(guò)程中擴(kuò)展為齒面剝落。經(jīng)查該起動(dòng)機(jī)出廠后隨發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試飛，除隨發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前試驗(yàn)以及裝機(jī)使用外，無(wú)其他使用工況，使用期間未經(jīng)歷異常沖擊載荷，可以排除異常沖擊載荷的情況。

若齒輪齒面在嚙合過(guò)程中夾雜了外來(lái)異物，可能在嚙合面形成壓痕，并隨起動(dòng)機(jī)繼續(xù)使用而擴(kuò)展為剝落形貌。該起動(dòng)機(jī)分解檢查未發(fā)現(xiàn)外來(lái)異物，且與該主動(dòng)齒輪對(duì)磨的雙聯(lián)齒輪大齒輪齒面未見異常損傷情況，同時(shí)主動(dòng)齒輪工作表面經(jīng)外觀檢查和測(cè)量比對(duì)，粗糙度符合Ra0.4要求，可以排除嚙合處存在外來(lái)異物和工作齒面粗糙的情況。

對(duì)內(nèi)部滑油進(jìn)行了雜質(zhì)檢查以及光譜分析，結(jié)果見表3。正常工作起動(dòng)機(jī)的滑油光譜分析結(jié)果Fe含量一般不超過(guò)100×10-6，可見光譜分析無(wú)異常，可以排除潤(rùn)滑不良的情況。

表3 滑油光譜分析結(jié)果

進(jìn)一步解剖該主動(dòng)齒輪，實(shí)測(cè)該齒輪中心硬度320 HV～335 HV，符合技術(shù)要求，但齒面硬度在不同位置實(shí)測(cè)480 HV～730 HV不等，低于齒面硬度不小于800 HV的要求，且存在明顯硬度分布不均，結(jié)果表明該主動(dòng)齒輪存在硬度不合格且硬度分布不均勻的情況。

對(duì)零組件進(jìn)行微分計(jì)量，結(jié)果顯示主動(dòng)齒輪兩端面對(duì)中心孔軸線垂直度實(shí)測(cè)分別為0.019和0.023，超出復(fù)測(cè)要求上限值的0.012，如圖5所示，因此該主動(dòng)齒輪存在工作中出現(xiàn)偏載的情況。

圖5 主動(dòng)齒輪端面形位公差要求

綜上分析，本次齒面剝落問(wèn)題定位于該主動(dòng)齒輪存在工作齒面硬度偏低[2]且不均勻性顯著，齒輪端面垂直度超差。

3 機(jī)理分析

齒面滲氮高硬度區(qū)存在硬度不合格且分布不均勻的情況，使得該齒輪相對(duì)于其配合齒輪工作表面承載和耐磨損性能不足，在帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)模式工作反復(fù)嚙合，在硬度偏低的區(qū)域首先產(chǎn)生剝落損傷。經(jīng)深度排查，導(dǎo)致該硬度不合格的原因是主動(dòng)齒輪氮化前采用手工操作涂料保護(hù)不當(dāng)、烘箱清潔度差，對(duì)齒面產(chǎn)生了污染，導(dǎo)致氮化后齒面硬度偏低且不均勻。此外，靠磨端面加工時(shí)，零件與錐度心軸存在微動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致該主動(dòng)齒輪的平行度及垂直度超差，增加了齒輪齒向與工作旋轉(zhuǎn)軸線交叉程度，從而加重了齒輪工作時(shí)齒面受載不均的情況，造成個(gè)別輪齒局部位置承受載荷進(jìn)一步加大[3]。與上述齒面硬度偏低的不合格情況相疊加，加劇了此次主動(dòng)齒輪的齒面剝落損傷程度。

4 改進(jìn)措施

齒輪在爐內(nèi)氮化時(shí)，被污染的齒面若存在污漬等附著物，會(huì)阻礙氮原子的滲入，從而導(dǎo)致氮化后滲層深度偏淺，表面硬度低。為了有效地防止該情況的發(fā)生，制定如下措施：①非滲氮表面涂抹保護(hù)涂料時(shí)避免裸手操作，防止齒面受到油料或其他污物的二次污染；②涂料烘干采用專用設(shè)備，避免100 ℃以上使用時(shí)的油煙揮發(fā)，油煙產(chǎn)生后會(huì)附著在零件表面，導(dǎo)致齒面被嚴(yán)重污染，影響后續(xù)滲氮工序。

5 結(jié)語(yǔ)

齒面剝落故障是空氣渦輪起動(dòng)機(jī)常見故障之一，本文通過(guò)對(duì)剝落情況進(jìn)行理化檢查和分析，確定其失效模式，并對(duì)可能導(dǎo)致該故障的各個(gè)因素進(jìn)行了排查，得出引起該故障的深層次原因，且制定了有效的改進(jìn)措施，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造提供了依據(jù)。