傳動齒輪失效分析

黃春云，湯浩，劉依依，陳珊，李巍

中國航發貴州黎陽航空動力有限公司 貴州貴陽 550014

1 序言

某機飛行中N2轉速指示為零，造成單發空停，飛機落地后隨即對該機滑油附件進行檢查，發現滑油附件和金屬屑沫信號器的油濾內存在較多細小金屬屑，經對金屬屑進行能譜分析，確認金屬屑屬低合金鋼，且有碳氮共滲層組織，因此懷疑有齒輪發生磨損。主動齒輪、從動齒輪[1]的材料牌號為12Cr2Ni4A鋼[2-4]，表面經碳氮共滲處理[5]。現場分解滑油附件N2轉速傳感器安裝座，發現主動齒輪、從動齒輪存在嚴重磨損和部分輪齒斷裂故障。為了確定N2傳感器主動齒輪、從動齒輪失效性質與原因，對其進行了分析討論。

2 分析過程

2.1 外觀檢查

故障齒輪外觀形貌如圖1所示。從圖1可看出，主動齒輪、從動齒輪輪齒均存在大面積磨損，且從動齒輪側壁可見周向磨痕。從動齒輪38個齒中，有33個齒的齒頂發生了掉塊，大部分掉塊的斷口起伏較大且磨損嚴重，殘留的原始斷口上未見疲勞特征；少部分掉塊斷口平坦，斷面可見明顯的放射棱線和疲勞弧線，如圖2所示。齒頂未發生掉塊的5個齒磨損痕跡較為輕微。此外，在從動齒輪的齒底，存在從動齒輪與主動齒輪嚙合的接觸痕跡。圖2中箭頭所指輪齒為疲勞斷齒，沿逆時針方向由靠近齒頂的齒面起源向齒根擴展，疲勞擴展區可見疲勞弧線特征，且疲勞擴展區所占面積較大，故判斷此輪齒為首斷齒。主動齒輪上的24個齒輪齒頂磨損痕跡較為均勻，磨損深度約為0.5mm，齒底位置存在接觸嚙合痕跡。此外，主動齒輪有5個齒根部發生斷裂，斷口凹凸不平且磨損嚴重，無法觀測斷口微觀形貌，如圖3所示。經對從動齒輪的軸端剖口進行檢查，發現方形孔內與銷軸配合面存在軸向擠壓磨損痕跡，如圖4所示。

圖1 故障齒輪宏觀形貌

圖2 從動齒輪掉塊及磨損痕跡

圖3 主動齒輪掉塊及磨損痕跡

圖4 方形孔內部磨損痕跡

2.2 SEM分析

通過對比觀測，從動齒輪首斷齒微觀形貌如圖5所示。從圖5可看出，在斷口上存在明顯的斷裂源區，擴展區及瞬斷區。由放射棱線及疲勞弧線收斂趨勢判斷，斷裂源區為短線源，位于齒輪表面，短線源說明疲勞起始應力較大，微觀形貌如圖6所示；疲勞擴展區磨損嚴重，局部可見疲勞弧線及細密的疲勞擴展區磨損嚴重，局部可見疲勞弧線及細密的疲勞條帶，微觀形貌如圖7所示；瞬斷區面積占比較小，說明疲勞擴展十分充分，擴展應力較小，該區位于滲層區域，斷口微觀形貌為沿晶斷裂，如圖8所示。從動齒輪齒頂磨損痕跡及掉塊微觀形貌如圖9所示，在齒底可見與主動齒輪的嚙合痕跡，如圖10、圖11所示。對源區進行能譜分析，主要成分為基體元素，未見異常元素，見表1。

表1 從動齒輪首斷齒疲勞源區能譜成分分析（質量分數） （%）

圖5 從動齒輪首斷齒斷口形貌特征

圖6 源區微觀形貌（135×）

圖7 擴展區微觀形貌（1000×）

圖8 瞬斷區微觀形貌（586×）

圖9 從動齒輪磨損及掉塊微觀形貌（25×）

圖10 從動齒輪齒底嚙合痕跡Ⅰ（102×）

圖11 從動齒輪齒底嚙合痕跡Ⅱ(1000×)

主動齒輪過載斷齒斷口的1/2區域為嚴重擠壓磨損痕跡，其余1/2區域為過載斷齒面，如圖12所示；過載斷齒面擴展區微觀形貌為準解理形貌，如圖13所示；其余輪齒均有擠壓磨損、過載崩落的類似形貌，較從動齒輪損傷嚴重，如圖14所示；主動齒輪輪齒底面可見與從動齒輪輪齒頂面接觸磨平形貌，說明主動齒輪與從動齒輪在工作中配合不佳，如圖15所示。

圖12 主動齒輪輪齒過載斷齒形貌（30×）

圖13 主動齒輪擴展區微觀形貌（2000×）

圖14 主動齒輪輪齒擠壓磨損形貌（30×）

圖15 主動齒輪輪齒底面微觀形貌（300×）

2.3 金相分析

分別從主動齒輪和從動齒輪輪齒上切取金相試樣，取樣位置如圖16所示。試樣經磨制、拋光及腐蝕后觀察，主動齒輪、從動齒輪輪齒碳氮共滲層組織及厚度均勻，組織為少量殘留奧氏體＋隱針馬氏體，中心組織為回火馬氏體，組織符合企業相關標準要求；從動齒輪碳氮共滲層深度為0.15～0.19mm，符合企業相關標準要求，主動齒輪齒頂磨損嚴重，碳氮共滲化層不完整，無法評判原始碳氮共滲層厚度是否符合要求，故不做評定，如圖17～圖20所示。對從動齒輪、主動齒輪試樣進行中心顯微硬度（載荷2.94N）檢測，平均顯微硬度分別為436HV、417HV，見表2。當標準要求測試載荷為60kg（588N）時，硬度為66～71.5HRA（319～410HV）。分析認為，由于齒輪磨損、擠壓較為嚴重，可能導致硬度稍許偏高。

表2 硬度檢測結果 （HV0.3）

圖16 金相試樣取樣

圖17 從動齒輪輪齒碳氮共滲層組織形貌

圖18 從動齒輪輪齒中心組織形貌

圖19 主動齒輪輪齒碳氮共滲層組織形貌

圖20 主動齒輪輪齒中心組織形貌

3 分析討論

以上檢測表明，N2傳感器主動齒輪和從動齒輪未見材質缺陷，滲層組織及中心組織符合相關標準要求，因此可以判定，2件齒輪掉塊原因與材質無關。N2傳感器主動齒輪相對從動齒輪直徑小，齒輪數量少，因此受力頻率和轉速要高于從動齒輪。主動齒輪的斷齒從根部斷裂，斷口凹凸不平磨損嚴重，未磨損區微觀形貌為準解理特征。從動齒輪斷口可分為兩類：一類斷口磨損較為輕微，可見明顯的疲勞源區，疲勞擴展區及瞬斷區，其中疲勞源區位于齒輪表面，為線源；疲勞擴展充分，可見明顯的疲勞弧線及細密的疲勞條帶；瞬斷區占比較小，微觀形貌為沿晶特征。另一類磨損較為嚴重，未見斷口微觀形貌。

根據以上試驗結果，分析認為該發動機的N2傳感器齒輪失效性質為疲勞。通過復查，裝配流程均符合操作要求。齒輪軸與軸承內鋼套、外鋼套表面以及轉速表傳動殼體內側等均存在不同程度磨損痕跡，這些磨損痕跡間接說明齒輪在工作過程中出現異常，造成齒面不正常嚙合，產生接觸疲勞剝落。當接觸疲勞產生后，剝落的金屬顆粒加劇了齒間的磨損，會進一步惡化工作環境，節圓工作面的剝落坑作為齒面的受力點，同時也是裂紋萌生的薄弱環節，裂紋萌生后，在綜合應力（滾動、滑動、彎曲應力及振動應力等）的作用下沿工作面垂直方向擴展至終斷，齒輪受力及斷裂情況如圖21所示。另外，由于輪齒在載荷作用下，最大的彎曲應力在齒根處，且在齒根部位過渡的轉接R處有較大的應力集中，所以齒根R位置成為齒輪裂紋起源的薄弱環節；由于齒輪在嚙合時受力，脫開時不受力，故輪齒上的彎曲應力為脈動應力；在較高的彎曲應力反復作用下，齒根處產生疲勞裂紋，并逐漸擴展至整個輪齒斷裂，該故障主動齒輪的斷裂齒均屬這種斷裂模式。對于主動齒輪來說，齒根優先于齒面起裂，說明其應力集中水平相比齒面疲勞剝落坑處較大，反之從齒面剝落位置優先起裂，如從動齒輪的斷裂。

圖21 齒輪受力及斷裂示意

4 結束語

1）送檢N2傳感器主動齒輪、從動齒輪的材料與熱處理指標符合技術要求。

2）主動齒輪、從動齒輪發生故障的原因為因配合異常而導致的疲勞斷裂及磨損。