某折疊齒輪箱裂紋故障分析及改進(jìn)

齊廣峰，孟 彬

（1.海軍裝備部，陜西西安 710077；2.慶安集團(tuán)有限公司，陜西西安 710077）

引言

折疊齒輪箱用于某系統(tǒng)襟翼折疊機(jī)構(gòu)，安裝于機(jī)翼前緣，主要用于傳遞線系扭矩和折疊機(jī)翼。折疊齒輪箱在機(jī)翼展開時(shí)相當(dāng)于一根傳動(dòng)軸，在機(jī)翼需要折疊時(shí)，活動(dòng)端輸出錐齒輪能夠繞活動(dòng)端輸入錐齒輪軸線自由旋轉(zhuǎn)。折疊齒輪箱機(jī)構(gòu)主要包括：輸入錐齒輪、輸出錐齒輪、中間惰輪、輸出錐齒輪、殼體以及活動(dòng)端殼體。

折疊齒輪箱的輸出端蓋產(chǎn)生裂紋進(jìn)而斷裂會引起產(chǎn)品活動(dòng)端錐齒輪箱從機(jī)上安裝支架脫落，一方面會造成前緣襟翼驅(qū)動(dòng)裝置失效，另一方面會造成機(jī)翼折疊功能失效。

1 故障描述

折疊齒輪箱在交收產(chǎn)品時(shí)，需進(jìn)行功能振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后無法進(jìn)行整體探傷，僅進(jìn)行外觀及性能檢查后交付用戶。交付用戶后，機(jī)上進(jìn)行機(jī)翼折疊過程中出現(xiàn)了前緣襟翼驅(qū)動(dòng)裝置線系過載工況，為了確認(rèn)過載工況對產(chǎn)品的影響，將折疊齒輪箱進(jìn)行了返廠分解檢查，經(jīng)分解探傷檢查后發(fā)現(xiàn)輸出端蓋出現(xiàn)了裂紋。

2 故障分析定位

根據(jù)折疊齒輪箱的工作原理，對可能導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋故障的原因進(jìn)行了故障樹分析[1]，根據(jù)分析可以初步確定輸出端蓋出現(xiàn)裂紋的原因主要有以下四項(xiàng)：

（1） 廠內(nèi)試驗(yàn)過載引起的裂紋。

（2） 機(jī)上試驗(yàn)過載引起的裂紋。

（3） 運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞引起的裂紋。

（4） 振動(dòng)疲勞引起的裂紋。

針對以上可能的故障原因，逐項(xiàng)進(jìn)行故障排查結(jié)果如下：

該折疊齒輪箱在出廠前僅在額定載荷下進(jìn)行了磨合試驗(yàn)，可排除廠內(nèi)試驗(yàn)過載引起的裂紋原因：

（1） 對輸出端蓋的裂紋進(jìn)行了斷口分析，最終確認(rèn)裂紋為疲勞裂紋。可排除機(jī)上試驗(yàn)過載引起的裂紋原因。

（2） 折疊齒輪箱在出廠前僅在額定載荷下進(jìn)行了磨合試驗(yàn)，在機(jī)上僅進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試，未疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)，可排除運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞引起的裂紋原因。

（3） 在出廠前進(jìn)行了功能振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)合裂紋斷口分析結(jié)果不能排除振動(dòng)疲勞引起的裂紋原因。根據(jù)輸出端蓋出現(xiàn)裂紋的定位排查過程，可知其出現(xiàn)的裂紋是由功能振動(dòng)引起的疲勞裂紋。

3 故障原因分析

根據(jù)故障定位，輸出端蓋產(chǎn)生裂紋原因由振動(dòng)引起的疲勞。而折疊齒輪箱在交付前，已在廠內(nèi)采用試驗(yàn)件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)摸底試驗(yàn)，完成設(shè)計(jì)規(guī)定的功能振動(dòng)及耐久振動(dòng)試驗(yàn)且試驗(yàn)后分解產(chǎn)品探傷無裂紋。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出折疊齒輪箱可滿足設(shè)計(jì)要求功能振動(dòng)和耐久振動(dòng)的首飛壽命結(jié)論。因此，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)需對折疊齒輪箱功能振動(dòng)后輸出端蓋出現(xiàn)裂紋與C 型件的試驗(yàn)結(jié)論不符的現(xiàn)象進(jìn)行可能原因分析[2]。

根據(jù)故障樹分析結(jié)果，初步確定導(dǎo)致輸出端蓋功能振動(dòng)后出現(xiàn)裂紋與試驗(yàn)件隨機(jī)振動(dòng)摸底試驗(yàn)的結(jié)論不相符的原因如下：

（1） 振動(dòng)工裝尺寸、結(jié)構(gòu)差異。

（2） 振動(dòng)工裝安裝方法差異。

（3） 零件要求尺寸差異。

（4） 零件實(shí)際尺寸差異。

（5） 材料牌號差異。

（6） 材料技術(shù)條件差異。

（7） 材料熱、表處理差異。

（8） 振動(dòng)試驗(yàn)方向差異。

（9） 振動(dòng)試驗(yàn)量值差異。

（10） 控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)差異。

針對輸出端蓋功能振動(dòng)后出現(xiàn)裂紋與摸底試驗(yàn)的結(jié)論不相符可能的原因，逐項(xiàng)進(jìn)行排查工作：

（1） 振動(dòng)工裝尺寸、結(jié)構(gòu)差異。原裝折疊齒輪箱在功能振動(dòng)時(shí)所使用的振動(dòng)工裝在進(jìn)行1 h 功能振動(dòng)+1 h 耐久振動(dòng)時(shí)所使用的振動(dòng)工裝一致，可排除振動(dòng)工裝尺寸、結(jié)構(gòu)差異的原因。

（2） 振動(dòng)工裝安裝方法差異。輸入端鼓形花鍵與前緣襟翼驅(qū)動(dòng)裝置線系上長700 mm 的懸臂內(nèi)花鍵扭力桿連接，輸出鼓形花鍵與前緣襟翼驅(qū)動(dòng)裝置線系上長300 mm 的懸臂內(nèi)花鍵扭力桿連接，固定端齒輪箱利用機(jī)上接口I 通過2 個(gè)螺栓與飛機(jī)連接，活動(dòng)端齒輪箱利用機(jī)上接口II 通過3 個(gè)螺栓與飛機(jī)連接，見圖1。

圖1 折疊齒輪箱與機(jī)上的接口外部約束

為了模擬折疊齒輪箱機(jī)上的安裝形式，在振動(dòng)工裝上將折疊齒輪箱固定端與工裝支架I 通過2 個(gè)連接螺栓安裝在一起，將折疊齒輪箱活動(dòng)端與工裝支架II通過3 個(gè)連接螺栓安裝在一起，為了模擬機(jī)上懸臂內(nèi)花鍵扭力桿與折疊齒輪箱輸入、輸出鼓形花鍵連接時(shí)僅限制轉(zhuǎn)動(dòng)的約束形式，輸入、輸出鼓形花鍵與振動(dòng)工裝上的氟塑料花鍵套組裝在一起。

原裝折疊齒輪箱在功能振動(dòng)時(shí)與振動(dòng)工裝的安裝方法上述一致，可排除振動(dòng)工裝安裝方法差異的原因：

（1） 零件要求尺寸差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的零件尺寸、結(jié)構(gòu)完全相同，可排除零件要求尺寸差異的原因。

（2） 零件實(shí)際尺寸差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的圖樣尺寸要求相同，加工程序相同，檢驗(yàn)計(jì)量方法相同，且未辦理讓步使用文件，可排除零件實(shí)際尺寸差異的原因。

（3） 材料牌號差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的材料牌號均為，可排除材料牌號差異的原因。

（4） 材料技術(shù)條件差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋的材料技術(shù)條件為7050-T7451，且允許用技術(shù)條件為的代料。C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的材料技術(shù)條件為AMS4050，不能排除材料技術(shù)條件存在差異的原因：

①材料熱、表處理差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的材料均未進(jìn)行熱處理，表面均采用的是鉻酸陽極化，可排除材料熱、表處理差異的原因。

②振動(dòng)試驗(yàn)方向差異。原裝折疊齒輪箱與C 型試驗(yàn)件在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)均是按照參考坐標(biāo)X、Y、Z 三個(gè)方向進(jìn)行，可排除振動(dòng)試驗(yàn)方向差異的原因：

a. 振動(dòng)試驗(yàn)量值差異。原裝于折疊齒輪箱與C 型試驗(yàn)件在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)均是按標(biāo)準(zhǔn)要求的振動(dòng)試驗(yàn)譜型與相應(yīng)振動(dòng)試驗(yàn)量值進(jìn)行，可排除振動(dòng)試驗(yàn)量值差異的原因。

b.控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)差異。原裝折疊齒輪箱與C 型試驗(yàn)件在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)均是按圖2 所示的位置和方式布置控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)，可排除振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)差異的原因。

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)

根據(jù)上述排查分析，折疊齒輪箱輸出端蓋功能振動(dòng)后出現(xiàn)裂紋與C 型試驗(yàn)件隨機(jī)振動(dòng)摸底試驗(yàn)結(jié)論不相符的故障原因?yàn)檎郫B齒輪箱中輸出端蓋的材料技術(shù)條件與C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的材料技術(shù)條件存在差異。

折疊齒輪箱中輸出端蓋B 的材料技術(shù)條件為114-CXY-006-2020，且允許用YMS1116 代料，C 型試驗(yàn)件中輸出端蓋的材料技術(shù)條件為AMS4050。前者為國產(chǎn)7050-T7451，后者為進(jìn)口7050-T7451。故障原因排查結(jié)果見表1。

表1 故障原因排查結(jié)果匯總表

4 機(jī)理分析

C 型試驗(yàn)件振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)使用的輸出端蓋材料為進(jìn)口的7050-T7451,S 型以后考慮材料國產(chǎn)化問題，上述兩種材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度雖然接近，但在沿三個(gè)方向的延伸率方面，國產(chǎn)的7050 均低于進(jìn)口的7050，尤其在高度方向的延伸率上差距較大。進(jìn)口的7050-T7451 沿高度方向的延伸率為10～12，而國產(chǎn)的7050-T7451 沿高度方向的延伸率只有4。

通過以上強(qiáng)度、延伸率對比可見國產(chǎn)7050 雖然在強(qiáng)度方面與進(jìn)口7050 接近，但是在塑性方面明顯差于進(jìn)口7050，而材料的塑性對疲勞強(qiáng)度許用值產(chǎn)生的影響較為明顯[3]。

因此，可知折疊齒輪箱中輸出端蓋僅進(jìn)行1h 功能振動(dòng)試驗(yàn)后出現(xiàn)裂紋，而C 型試驗(yàn)件在進(jìn)行1 h 功能振動(dòng)+1h 耐久振動(dòng)后未出現(xiàn)裂紋，一方面是因?yàn)閲a(chǎn)7050-T7451 的疲勞性能低于進(jìn)口7050-T7451；另一方面是折疊齒輪箱的輸出端為懸臂結(jié)構(gòu)，輸出端蓋的振動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)本身不滿足首翻期要求，通過振動(dòng)仿真可知，即使使用技術(shù)條件為AMS4050 的進(jìn)口7050-T7451，首翻期振動(dòng)疲勞分散系數(shù)僅為1.07，遠(yuǎn)小于振動(dòng)疲勞分散系數(shù)需大于6 的要求值。

5 故障復(fù)現(xiàn)

針對折疊齒輪箱功能振動(dòng)試驗(yàn)后輸出端蓋出現(xiàn)裂紋的問題，對此端蓋進(jìn)行更換，隨產(chǎn)品再次進(jìn)行1 h功能振動(dòng)試驗(yàn)后分解產(chǎn)品并探傷，發(fā)現(xiàn)輸出端蓋出現(xiàn)裂紋，故障復(fù)現(xiàn)。

6 改進(jìn)措施

通過表2 中7050-T7451 與TC6 材料性能的對比可知[4]，鈦合金TC6 的疲勞性能遠(yuǎn)大于鋁合金7050-T7451。因此，將輸出端蓋的材料更換為TC6。

表2 材料性能對比

將鋁合金輸出端蓋更換為鈦合金輸出端蓋后進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。在完成設(shè)計(jì)要求的功能振動(dòng)和耐久振動(dòng)試驗(yàn)后進(jìn)行探傷，產(chǎn)品無裂紋。因此，得出折疊齒輪箱可滿足耐久振動(dòng)壽命的結(jié)論。

7 結(jié)論

本文首先通過故障核實(shí)、故障定位、故障排查、故障原因分析，確定折疊齒輪箱輸出端蓋B 的裂紋是由功能振動(dòng)引起的；其次分析該故障與隨機(jī)振動(dòng)摸底試驗(yàn)的結(jié)論不相符的原因一方面為材料性能差別[5]，另一方面為折疊齒輪箱的輸出端為懸臂結(jié)構(gòu)，通過振動(dòng)仿真可知，首翻期振動(dòng)疲勞分散系數(shù)僅為1.07，遠(yuǎn)小于振動(dòng)疲勞分散系數(shù)需大于6 的要求值，輸出端蓋的振動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)本身不滿足首翻期要求；再次對原結(jié)構(gòu)及材料更換后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，故障復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證故障定位分析正確性；最后提出更換材料的改進(jìn)措施，并對新材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)壽命分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)后探傷結(jié)果表明折疊齒輪箱滿足設(shè)計(jì)振動(dòng)壽命要求，改進(jìn)措施有效。