某型航空發動機滑油附件傳感器失效分析

陳犇

摘要：針對傳感器齒輪副產生磨損與掉塊的情況，對齒輪副進行宏觀和微觀組織形貌分析，結果表明，齒輪的材質組織正常，從動齒輪掉塊性質為起始應力較大而擴展應力較小的疲勞掉塊，從動齒輪的軸端內孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡，主動齒輪齒頂磨損嚴重且未發現疲勞特征，齒輪副磨損、掉塊的原因可能與運行時產生的配合異常有關。

關鍵詞：傳感器；齒輪副；磨損；疲勞；配合異常

Keywords：sensor；gear-pair；abrasion；fatigue；abnormal fit

滑油附件的作用是使發動機和飛機附件機匣滑油系統增壓管路中的滑油壓力保持在規定的范圍內。一架某型飛機在飛行過程中發現滑油流量壓力顯示異常，分解故檢后發現發動機滑油附件的N2傳感器的傳動齒輪副存在嚴重磨損和掉塊，阻礙了整個發動機潤滑系統的正常運行，使潤滑系統無法保持軸承、傳動齒輪等摩擦零件的正常溫度狀態，增大了磨損和摩擦損失。為摸清故障的形成機理，規避發動機的安全隱患，對傳感器的傳動副齒輪進行失效原因分析。

1 宏觀分析

故障齒輪副的裝配位置如圖1a）所示，主動齒輪安裝在滑油附件殼體內，從動齒輪安裝在轉速表傳動殼體內。故障齒輪外觀形貌如圖1b）所示，主動、從動齒輪輪齒均存在不同程度的磨損與掉塊，且從動齒輪周向側壁有磨損痕跡。

從動齒輪共有38個齒，其中33個齒存在明顯的掉塊現象，掉塊位置起伏較大，個別斷口局部區域較為平坦，平坦區所占面積較大，在平坦區可見明顯的放射棱線和疲勞弧線，如圖2a）中的3號齒；另外一部分斷口起伏較大、磨損嚴重，殘留的原始斷口上未見疲勞特征，如圖2a）中1、2、4號齒。33個掉塊齒的齒頂面均存在擠壓磨損痕跡，剩余的5個齒基本完整，磨損相對較輕。另外，在從動齒輪每個齒的齒底位置均存在接觸嚙合痕跡。

主動齒輪共有24個齒，每個齒的齒頂均被磨損掉一定的深度（約為0.5mm），在每個齒的齒頂大圓端面存在一小段原始的齒面。除此之外，24個齒中有5個齒可見掉塊特征，掉塊斷面起伏較大且有磨損現象，故無法判斷掉塊斷口上是否有疲勞特征（見圖2b））。在主動齒輪每個齒的齒底位置也均存在接觸嚙合痕跡。對從動齒輪的軸端剖口面進行檢查，發現內孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡（見圖3）。

2 微觀分析

從動齒輪疲勞掉塊斷口典型形貌如圖4a）所示，其中A區為源區，B區為疲勞擴展區，裂紋向齒頂、齒根方向擴展直至最終斷裂，C區為瞬斷區。采集背散射電子圖像，各區元素分布均勻，無偏析、夾雜等冶金缺陷，如圖4b）所示。對源區A進一步放大觀察，源區存在明顯的放射棱線和嚴重的擠壓痕跡，從放射棱線的收斂位置可以判斷源區位于齒部表面，為線源，如圖4c）所示。擴展區B同樣存在擠壓磨損，但仍可見疲勞弧線和疲勞條帶，微觀形貌如圖4d）所示。瞬斷區C所占面積較小，位于齒部另一側表面的滲層區，斷口以沿晶斷裂為主，微觀形貌如圖4e）所示。從動齒輪齒頂面擠壓磨損、掉塊形貌如圖4f）所示。從動齒輪齒底面可見接觸嚙合痕跡，如圖4g）、圖4h）所示。對源區進行能譜成分分析，未見非基體元素，如表1所示。

主動齒輪齒頂位置磨損較為嚴重，對殘留的掉塊位置進行檢查，發現掉塊位置斷口起伏較大，局部存在明顯的擠壓磨損現象，對其放大后觀察，未見疲勞弧線特征，如圖5a）、圖5b）所示。主動齒輪輪齒底面可見明顯的接觸嚙合痕跡，如圖5c）所示。

如圖6所示，分別在從動和主動齒輪輪齒上切取金相試樣，腐蝕前觀察，未見材質缺陷；腐蝕后觀察，從動、主動輪齒氰化層均勻，無間斷或脫碳現象，組織為隱針馬氏體+少量殘余奧氏體，中心組織為回火馬氏體，組織正常。從動輪氰化層深度為0.18mm，符合標準要求0.1～0.3mm，而主動輪齒氰化層已被磨損，厚度無法評判。

3 綜合分析

對N2傳感器主動和從動齒輪進行金相組織檢查，未見材質缺陷，兩件齒輪的滲層組織和中心組織均符合要求，未見異常組織。對掉塊位置進行能譜分析，未見異常元素。由此可以確定，兩件齒輪的材質正常，掉塊原因與材質本身無關。

N2傳感器主動齒輪由于尺寸較小，齒數少，因此其轉速和受力頻率明顯高于從動齒輪。主動齒輪齒頂位置磨損較為嚴重，對殘留的掉塊位置進行檢查，發現掉塊位置斷口起伏較大，局部存在明顯的擠壓磨損現象，對其放大后觀察，未見疲勞弧線特征。對從動齒輪進行檢查，其掉塊斷口主要分為兩類：一類是可見疲勞弧線的疲勞斷口，該類斷口源區位于齒部表面，源區為線源，微觀形貌為韌窩特征，擴展區較為平坦，所占面積較大，疲勞弧線較多；另一類斷口擠壓磨損嚴重，原始斷口上未見疲勞特征。對從動齒輪的軸端剖口面進行檢查，在內孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡。另外，在兩件齒輪的齒底均發現有明顯的接觸嚙合痕跡。以上特征說明，N2傳動齒輪的嚙合可能出現異常。綜合分析認為，齒輪磨損、掉塊的原因可能與主動和從動齒輪之間在運行時產生的配合異常有關。

4 結論

1）發動機滑油附件N2傳感器的主動、從動齒輪的材質未出現異常。

2）N2傳感器從動齒輪掉塊性質為起始應力較大而擴展應力較小的疲勞掉塊，主動齒輪齒頂磨損嚴重，掉塊位置未發現疲勞特征。

3）N2傳感器主動、從動齒輪的齒底位置均存在接觸嚙合痕跡，從動齒輪的軸端內孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡。

4）齒輪磨損、掉塊的原因與主動、從動齒輪之間在運行時產生的配合異常有關。