航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪齒面剝落故障分析*

趙海洋

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南 株洲 412002)

0 引 言

齒輪傳動(dòng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的重要組成部分,因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車工程等領(lǐng)域。然而在實(shí)際情況中,惡劣的工作環(huán)境、復(fù)雜的工況以及齒輪系的加工和安裝誤差會(huì)不可避免地影響到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,并對其產(chǎn)生較大的振動(dòng)和沖擊。

NASA工程師詳細(xì)調(diào)查了全世界直升機(jī)的事故原因。調(diào)查報(bào)告顯示與飛機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)直接相關(guān)的空難占20%[1]。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),齒輪引起的故障占傳動(dòng)機(jī)械故障的80%,齒輪箱損壞類型中齒輪的故障比例高達(dá)60%,超過了其他部件故障的總和。其中,90%的齒輪故障為輪齒疲勞失效和斷齒等局部故障[2]。

齒面剝落故障是齒輪傳動(dòng)中常見的疲勞失效形式之一。對齒面剝落故障進(jìn)行研究有利于對剝落故障進(jìn)行預(yù)防和早期診斷,可避免因機(jī)械設(shè)備失效而發(fā)生安全事故,從而避免造成重大的人員及財(cái)產(chǎn)損失。

筆者針對某航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪齒面剝落故障問題展開研究,通過對齒面接觸應(yīng)力的仿真分析,提出改進(jìn)措施,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。

1 齒輪齒面剝落故障

1.1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器隨發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)進(jìn)行長試試驗(yàn)時(shí)發(fā)生檢測器報(bào)警,檢查發(fā)現(xiàn)金屬片狀物剝落,分解減速器后檢查發(fā)現(xiàn)某齒輪(主動(dòng)輪)存在1齒齒面剝落,剝落形貌如圖1所示。

圖1 齒輪剝落形貌

1.2 齒面剝落故障分析框圖

依據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合多個(gè)齒面剝落故障案例,梳理出航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪齒面剝落故障分析框圖,如圖2所示。

圖2 齒面剝落故障分析框圖

1.3 故障原因分析

(1) 外觀檢查

故障齒輪中的其中1個(gè)輪齒在工作面齒面可見明顯的剝落(標(biāo)記為1#齒),和1#齒相隔4個(gè)齒的輪齒工作面存在凹坑(標(biāo)記為6#齒),如圖3所示,1#輪齒剝落位置和6#輪齒凹坑位置基本位于齒寬中心。此外,所有的輪齒在工作面靠近齒根位置均存在一條白色亮帶,而非工作面未見白色亮帶。

圖3 故障齒輪輪齒損傷形貌

從齒高方向看,1#輪齒剝落區(qū)和6#輪齒凹坑下邊線高度基本一致,大致處于距齒根約1/3齒高位置,且基本在齒根亮帶附近;在沿齒長方向可見的亮帶上有一處明顯亮斑損傷,1#輪齒和6#輪齒亮斑損傷位置也基本一致。

(2) 微觀檢查

微觀觀察1#輪齒剝落損傷,可見剝落區(qū)呈現(xiàn)倒三角形貌,且剝落有一定的方向性,根據(jù)剝落的走向,可判斷剝落起始于倒三角的下邊線且朝向往齒高方向剝落,如圖4(a)所示;齒根嚙合線到剝落起始位置下方存在寬度約1.89 mm的亮帶損傷區(qū)域,如圖4(b)所示;亮帶區(qū)可見許多沿齒長方向的魚鱗狀的微裂紋,斜向基體內(nèi)部擴(kuò)展,為剝落的早期形貌,如圖4(c)所示;剝落起始區(qū)周圍的齒面也呈現(xiàn)更為嚴(yán)重的魚鱗狀損傷,嚴(yán)重的已經(jīng)發(fā)展為小的剝落凹坑,如圖4(d)所示;而齒根未嚙合區(qū)仍可見殘留的加工形貌且局部存在個(gè)別原始凹坑損傷,大剝落坑內(nèi)可見清晰的疲勞特征,如圖4(e)所示。

圖4 1#輪齒齒面剝落微觀形貌

微觀觀察6#輪齒“凹坑”損傷也為疲勞剝落損傷,剝落尺寸2～2.6 mm,且和1#輪齒剝落損傷一致,剝落起始于下邊線,即靠近如圖5(a)所示的亮帶位置。剝落起始位置的周圍以及下方亮帶區(qū)可見明顯魚鱗狀排布的微裂紋(疲勞剝落早期特征),剝落坑內(nèi)可見典型的疲勞特征,如圖5(b)所示。和1#輪齒一致,整個(gè)齒長方向的亮帶區(qū)均可見不同程度的疲勞剝落早期損傷。

圖5 6#輪齒剝落微觀形貌

(3) 冶金分析

對剝落齒面的冶金分析包括化學(xué)成分和金相組織的檢查分析。

故障齒輪解剖后,在輪齒上通過能譜檢測來分析剝落坑內(nèi)、未剝落的齒面工作區(qū)2個(gè)位置的成分。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其主要為基體成份,還可檢測到少量外來元素,但未見明顯差異。

隨機(jī)選一齒齒中截面進(jìn)行金相腐蝕,結(jié)果出現(xiàn)齒面有明顯的滲碳層顯示,各輪齒滲層深度較為均勻,如圖6(a)所示。各個(gè)輪齒滲碳層組織均未見明顯差異,滲碳層組織均為隱針馬氏體+碳化物,如圖6(b)所示,故障件表面金相組織滿足要求。

圖6 齒面冶金分析

(4) 設(shè)計(jì)復(fù)查

對該航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器故障齒輪副設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)查。針對輪齒基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了零部件仿真分析,計(jì)算結(jié)果表明故障齒輪副強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

基于該航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器真實(shí)結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)級有限元仿真分析模型,并對不同設(shè)計(jì)修形參數(shù)下故障齒輪副接觸印痕進(jìn)行分析,仿真分析故障齒輪副接觸印痕如圖7所示,設(shè)計(jì)修形方案如表1所列。

表1 故障齒輪副修形方案 /μm

圖7 故障齒輪副齒面接觸印痕(設(shè)計(jì)狀態(tài))

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知,若故障齒輪輪齒修形參數(shù)偏設(shè)計(jì)要求值為下限,則故障齒輪齒面接觸重載區(qū)下邊界偏齒根位置、齒根嚙合線附近產(chǎn)生邊緣接觸的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。

(5) 制造、裝配過程復(fù)查

對該航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪加工過程中熱表處理、實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、修形參數(shù)、齒頂圓角等進(jìn)行復(fù)查發(fā)現(xiàn),該故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒頂全部為倒角,且全部偏小;故障齒輪(主動(dòng)輪)輪齒修形參數(shù)在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi),故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒廓修形量偏小;復(fù)查裝配過程記錄可知,裝配后該減速器傳動(dòng)平穩(wěn)、各旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,未發(fā)現(xiàn)異常響聲及卡滯現(xiàn)象。

基于Romax軟件建立減速器仿真模型,對故障齒輪實(shí)測修形參數(shù)下齒輪副接觸印痕進(jìn)行分析,故障齒輪接觸印痕如圖8所示。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知,故障齒輪實(shí)測修形參數(shù)下接觸重載區(qū)偏齒根位置,與實(shí)際印痕比較吻合。

圖8 故障齒輪副齒面接觸印痕(實(shí)際狀態(tài))

(6) 試驗(yàn)過程復(fù)查

該減速器故障齒輪分別隨發(fā)動(dòng)機(jī)完成了超扭和長試試驗(yàn)。前期隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行超扭試驗(yàn)后分解檢查發(fā)現(xiàn),故障齒輪工作面偏齒根位置存在接觸磨損痕跡,如圖9(a)所示,對應(yīng)嚙合齒輪偏齒頂位置有接觸磨損痕跡,如圖9(b)所示。

圖9 故障齒輪副齒面接觸印痕

長試試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)載荷、滑油溫度、壓力在要求范圍內(nèi),且未出現(xiàn)載荷突變,分解檢查軸承整體功能良好;長試試驗(yàn)后分解檢查發(fā)現(xiàn),故障齒輪1齒齒面剝落,偏齒根位置存在磨損(見圖3);相配齒輪偏齒頂位置存在橢圓形凹坑,同時(shí)存在明顯的亮帶。

為保護(hù)齒面在長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受損傷,并降低摩擦損失、減少磨損和發(fā)熱,齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)需在潤滑條件下運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。試驗(yàn)后,分解檢查并對噴嘴進(jìn)行流量試驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在噴孔堵塞現(xiàn)象,使故障齒輪副滑油流量減小26.7%。

1.4 故障定位

通過對故障齒輪的宏觀、微觀、金相分析和設(shè)計(jì)參數(shù)等檢查以及齒輪試驗(yàn)過程復(fù)查,可得如下判斷。

(1) 齒輪齒面損傷性質(zhì)為疲勞剝落,起始于齒根嚙合線附近;齒輪在齒底嚙合線處出現(xiàn)疲勞剝落,這可能與齒底和齒頂嚙合時(shí)在齒底嚙合線處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中有關(guān)。

(2) 故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒頂實(shí)際倒角全部偏小,且倒圓不規(guī)則,易產(chǎn)生尖邊,導(dǎo)致故障齒輪(主動(dòng)輪)齒根、相嚙合齒輪齒頂位置出現(xiàn)邊緣接觸,使齒面出現(xiàn)初始損傷。

(3) 故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒廓修形量偏小,使故障齒輪(主動(dòng)輪)接觸印痕重載區(qū)下邊界向齒根位置擴(kuò)展,存在嚙入、嚙出干涉。

(4) 齒輪齒面剝落與前期超扭試驗(yàn)有關(guān),在大載荷狀態(tài)下,故障齒輪齒面接觸印痕重載區(qū)下邊界向齒根位置擴(kuò)展,對相配件齒輪齒頂圓角敏感。

(5) 故障齒輪副潤滑不足,重載和潤滑不良的情況使齒面損傷進(jìn)一步擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒面剝落。

2 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

2.1 齒面接觸應(yīng)力分析

齒頂圓角過大會(huì)導(dǎo)致輪齒接觸面積降低,使重合度下降。一般法向模數(shù)在2.5～5.0之間,齒頂?shù)箞A或倒角為0.1～0.3。故障齒輪模數(shù)為3.75。

基于故障齒輪副設(shè)計(jì)理論值,對不同齒頂圓角的齒輪副進(jìn)行邊緣接觸分析,相配齒輪計(jì)算結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)果顯示,齒頂圓角為R0.1時(shí),最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒頂位置,產(chǎn)生了邊緣接觸,應(yīng)力相比齒面增大了29.5%;隨著齒頂圓角的增大(R0.5),最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒面位置,齒頂應(yīng)力逐漸降低,接觸印痕趨于正常。根據(jù)仿真結(jié)果可知,若齒輪齒頂圓角偏小,則邊緣接觸的風(fēng)險(xiǎn)大大增加,易導(dǎo)致故障齒輪齒根、相配齒輪齒頂位置出現(xiàn)邊緣接觸,接觸進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致齒面剝落。

圖10 故障齒輪相配件齒面應(yīng)力分布云圖

由上可知,適當(dāng)?shù)卦龃簖X輪齒頂圓角,可以改善該齒輪副接觸印痕并避免產(chǎn)生邊緣接觸。

基于Romax軟件建立減速器系統(tǒng)級仿真模型,超扭試驗(yàn)狀態(tài)下該故障接觸印痕仿真分析結(jié)果如圖11所示,表明該狀態(tài)下接觸印痕重載區(qū)下邊界向齒根位置擴(kuò)展。同時(shí)在超扭試驗(yàn)狀態(tài)下進(jìn)行了邊緣接觸分析,結(jié)果如圖12所示,相配齒輪齒頂存在明顯的邊緣接觸,應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到2 113 MPa,存在明顯的局部應(yīng)力集中。

圖11 試驗(yàn)載荷下故障齒輪副接觸印痕

圖12 超扭狀態(tài)故障齒輪相配件齒面應(yīng)力分布云圖

2.2 機(jī)理分析

齒輪的嚙合過程如圖13所示,主動(dòng)齒輪近齒根和從動(dòng)齒輪齒頂在A點(diǎn)進(jìn)入嚙合,在D點(diǎn)退出嚙合。由于受到齒輪制造、安裝誤差及彈性變形等因素影響,主、從動(dòng)輪齒的節(jié)距發(fā)生變化,使輪齒在嚙入點(diǎn)A處發(fā)生嚙合干涉。一般需對輪齒靠近齒頂部分進(jìn)行修形,以補(bǔ)償制造、安裝誤差及彈性變形,從而改善齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[4]。

圖13 齒輪嚙合過程

Ding Y等[5-7]通過 AISI 4340齒輪剝落形成的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),剝落的形成是由輪齒接觸表面下方裂縫的發(fā)展和裂紋尖端與相鄰輪齒接觸表面之間塑性塌陷的金屬韌帶中裂紋連接引起的。此航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器在大載荷狀態(tài)下,故障齒輪(主動(dòng)輪)近齒根位置存在明顯的重接觸;同時(shí),故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒頂圓角全部偏小,倒角不規(guī)則,存在尖邊,導(dǎo)致干涉及邊緣接觸。由于齒面的反復(fù)接觸,使齒面的接觸壓應(yīng)力產(chǎn)生循環(huán)拉伸應(yīng)力,導(dǎo)致剝落區(qū)的裂紋擴(kuò)展至齒頂;同時(shí),齒頂滲層較深,脆性較大,齒頂位置剝落可作為三角形剝落區(qū)裂紋擴(kuò)展的二次損傷。

2.3 改進(jìn)措施

故障齒輪(主動(dòng)輪)輪齒面剝落的主要原因是相配件(從動(dòng)輪)齒頂圓角和齒廓修形量偏小,齒輪嚙合時(shí)故障齒輪(主動(dòng)輪)齒根和從動(dòng)齒輪齒頂位置存在重接觸。仿真分析結(jié)果顯示,適當(dāng)?shù)卦龃髲膭?dòng)齒輪齒頂圓角及齒廓修形量,可以改善故障齒輪副接觸印痕并避免產(chǎn)生邊緣接觸,采取的改進(jìn)措施如下。

(1) 故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒頂?shù)箞A或倒角R0.1～R0.2更改為倒圓R0.4～R0.5,并明確齒頂?shù)箞A起始圓直徑。

(2) 故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒廓修形量由8.5～18 μm更改為17～23 μm。

(3) 減速器裝配前,對噴嘴及噴嘴組件進(jìn)行流量試驗(yàn),試驗(yàn)合格后裝機(jī)使用,以保證噴嘴流量符合設(shè)計(jì)要求,降低由于潤滑不足造成齒面損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

使用Romax軟件對實(shí)施改進(jìn)措施后的齒輪副接觸印痕進(jìn)行分析,故障齒輪接觸印痕如圖14所示;相配齒輪邊緣接觸分析結(jié)果如圖15所示。根據(jù)仿真結(jié)果可知,改進(jìn)后故障齒輪接觸重載區(qū)下邊界上移,齒根嚙合線附近產(chǎn)生邊緣接觸的風(fēng)險(xiǎn)較低;同時(shí),齒頂圓角為R0.4時(shí),輪齒最大應(yīng)力位于齒面上,未出現(xiàn)邊緣接觸。

圖14 故障齒輪副接觸印痕

圖15 故障齒輪相配件齒面應(yīng)力分布云圖

2.4 驗(yàn)證情況

該航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器故障齒輪實(shí)施改進(jìn)措施后,先后隨發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行近200 h,分解檢查發(fā)現(xiàn),故障齒輪工作面接觸印痕正常,偏齒根位置未出現(xiàn)明顯的重接觸線及局部倒三角微點(diǎn)蝕凹坑等異常情況,如圖16所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過增大故障齒輪相配件(從動(dòng)輪)齒輪齒頂圓角及齒廓修形量大小來改善該故障齒輪(主動(dòng)輪)接觸印痕的措施可行、有效。

3 結(jié) 語

通過開展某航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪齒面剝落故障齒輪副設(shè)計(jì)、試制、裝配和試驗(yàn)等方面的全面分析排查以及對故障件的失效分析,確定了齒輪齒面剝落的原因。根據(jù)故障原因,對齒輪采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。實(shí)施改進(jìn)措施后,齒輪隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)并分解檢查故障,結(jié)果發(fā)現(xiàn)齒輪齒面印痕正常,偏齒根位置未出現(xiàn)明顯的重接觸線及局部倒三角微點(diǎn)蝕凹坑等異常情況,這表明該故障分析定位準(zhǔn)確,機(jī)理清楚,改進(jìn)措施有效可靠,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。