某型發動機離心通風器齒輪軸組件焊接區域裂紋故障分析

楊榮，陳聰慧，張東明，劉秀芝

（沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

1 引言

在外場使用過程中,某型航空發動機附件機匣內離心通風器齒輪軸組件的大齒輪焊接區域曾發生裂紋故障。該故障使傳動系統振動加劇，齒輪齒面受載不均，齒輪軸的支撐軸承磨損嚴重，最后使發動機附件傳動中斷，導致附件機匣帶的附件無法工作，嚴重影響發動機正常工作。

目前，國內對焊接的圓柱齒輪軸組件的振動特性分析較少，隨著航空發動機附件系統的深入研究，逐步認識到齒輪軸組件的動態特性對于系統結構可靠性是至關重要的。

本文對故障齒輪軸組件從結構、動態特性及振動應力、強度等方面進行全面分析及試驗驗證。

2 故障原因分析

2.1 結構

該故障件結構如圖1所示。小齒輪與軸設計為一體，將大齒輪通過過盈配合壓靠在工藝定位擋邊，焊接在齒輪軸上。輪軸組件上的大小齒輪均為直齒圓柱齒輪，大齒輪主要參數見表1。

表1 離心通風器齒輪軸組件大齒輪齒型基本參數

2.2 工作情況

離心通風器齒輪軸組件的大齒輪工作載荷為170.5 kW，工作轉速為9280 r/min。經強度計算，大齒輪輪齒強度滿足設計要求。發生故障時工作時間為77.93h。

2.3 斷口分析

宏觀觀察裂紋的區域位于電子束焊的內側,基本沿電子束焊縫周向延伸,并止于2個減重孔的邊沿,如圖2所示。故障件裂紋打開后的斷口如圖3所示。斷口平坦，有明顯的疲勞弧線，且弧線細密，為典型的高周疲勞斷口形貌。疲勞起源于電子束焊縫與工藝定位擋板相交處，疲勞源區呈淺棕色，擴展區呈灰色，有1#、2#、3#和4#4個。

2.4 焊縫區域金相檢查

齒輪軸裂紋都起始于工藝定位擋板與大齒輪輪轂之間縫隙的尖端焊縫處，沿著與軸向約呈25°夾角的方向，斜著穿過焊縫區和熱影響區，向軸一側的基體擴展。開裂、擴展情況分別如圖4、5所示。在裂紋起始處和整個焊縫上未見明顯的焊接缺陷。

2.5 模態試驗分析

對發生故障離心通風器齒輪軸組件進行模態試驗。模態主要為節徑、節圓型模態。分析結果表明，在發動機轉速為8600或7600 r/min時，大齒輪存在2節徑前、后行波共振的可能性。

2.6 動應力測試分析

在離心通風器齒輪軸組件焊接區域貼應變計，如圖6所示。進行動態應力測量,了解該齒輪組件的振動應力、以及行波振動模式。

從測試結果看，在發動機轉速為7625 r/min時，測試焊接區域（應變片2）振動應力最大，動應力為48.2 MPa。

2.7 強度與振動計算分析

2.7.1 靜強度計算

3維應力計算焊接截面處的應力，考慮了焊縫與擋邊處的應力集中系數時，儲備系數為1.74。

2.7.2 共振頻率和共振轉速計算

共振頻率和共振轉速計算結果見表2，并與試驗結果進行了比較。

表2 各階的前、后行波共振頻率和共振轉速

2.8 動應力測量及計算結果對比

動應力測量及計算結果對比見表3。在2節徑振型下測量的焊縫處動應力峰值為48.2 MPa，離心通風器齒輪輪轂與工藝擋邊之間窄縫的實測寬度為0.05～0.07 mm；考慮應力集中后，擋邊端焊縫處的徑向應力可達342.5 MPa。其古德曼圖如圖7所示。

表3 動應力測量與計算結果MPa

從圖7中可以看出，由于在焊縫工藝擋邊處有縫隙而產生的應力集中，該處的疲勞強度儲備系數為1.4。

2.9 故障分析小結

（1）離心通風器齒輪軸組件的大齒輪裂紋的性質屬高周疲勞裂紋；

（2）在疲勞裂紋起始處，未發現直接導致大齒輪產生裂紋的焊接缺陷；

（3）疲勞裂紋起源于電子束焊縫與工藝擋邊相交處；

（4）大齒輪電子束焊縫與工藝擋邊相交處的應力集中較高是導致裂紋故障的主要原因；

（5）發動機在起動和停車過程中，存在0節圓、2節徑的前后行波振動。這是該大齒輪的固有特性。

3 排故措施

根據此次故障分析，采取排故措施是將離心通風器齒輪軸組件上的擋邊加工去掉，并檢查焊縫質量(如圖8所示),并對此排故措施的齒輪組件進行振動應力測量及分析。

3.1 振動應力測量

離心通風器齒輪軸組件的大齒輪貼應變計位置與原結構位置相同，測試結果與原結構測試結果比較見表4。表中列出測點處幾個主要的測量峰值。驗證結構在發動機轉速為6587 r/min時，測點中最大動應力為23 MPa。

3.2 動應力計算分析

對驗證結構的共振頻率和共振轉速進行計算，并與原結構的進行比較，結果見表5。由動應力實際測量值可換算出焊縫處應力和最大動應力點的應力，見表6。

從表5中看出，計算的行波共振轉速高于實際測量的共振轉速。驗證結構的3節徑后行波共振轉速（高壓轉子轉速n2）理論計算為14011 r/min，臺架試驗測得為13768 r/min，理論計算比實際測得值高出1.76%。

從表6中看出，原結構在工藝擋邊的焊縫處，考慮應力集中系數時，動應力為342.5MPa；驗證結構最大應力為23.7MPa。

表4 2種結構的大齒輪動應力測量結果

表5 各階的前、后行波共振頻率和共振轉速

表6 2種結構的動應力測量及計算結果MPa

從驗證結構最大應力點處的古德曼圖如圖9所示。驗證結構的2節徑行波共振時的疲勞強度儲備系數為21.38，3節徑行波共振時的疲勞強度儲備系數為5.66。

4 結論

（1）發動機附件機匣離心通風器齒輪軸組件焊接區域裂紋故障原因清楚。裂紋起源于電子束焊縫與工藝擋邊相交處，為高周疲勞裂紋。齒輪軸組件電子束焊縫與工藝擋邊相交處應力集中較高，是導致裂紋故障的主要原因。

（2）針對故障原因采取排故措施的驗證結構的附件機匣離心通風器齒輪軸組件。經臺架試車動應力測量分析、強度和振動計算分析表明：在工作轉速范圍內存在行波振動和諧波共振，但動應力水平不高，有足夠的疲勞強度儲備。相對振動疲勞強度安全系數3.3提高了1.97倍，相對于故障齒輪強度儲備系數提高了2.16倍。因此，采取排故措施的離心通風器齒輪軸的可靠性有較大的提高，可以在發動機使用壽命內可靠工作。

[1] 北京航空材料研究院主編.航空發動機用材料數據手冊[M].中國航空發動機總公司,1990.

[2] 晏礪堂,朱梓根,李其漢.高速旋轉機械振動[M].北京:國防工業出版社,1994.

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