某型航空發(fā)動機轉接齒輪箱失效分析

胡霖

1背景

某型航空發(fā)動機在試車過程中滑油壓力和滑油壓差突然下降，為保障試車安全，將發(fā)動機降轉檢查，檢查中發(fā)現轉接齒輪箱主要轉動齒輪出現故障。為分析故障出現的原因，對故障件齒輪進行失效分析。

2試驗分析

2.1 宏觀觀察

起動機傳動軸、起動機附件機匣傳動軸和中部傳動齒輪軸齒面均存在明顯壓痕痕跡；且起動機傳動軸、起動機附件機匣傳動軸齒輪的齒面呈黑色，并存在損傷現象。

2.2 解剖分析

對損傷的齒輪進行解剖，發(fā)現齒輪齒面處的滲碳層已經全部脫落，同時，基體出也存在起層剝落的嚴重現象，見圖2。

2.3 組織分析

相同熱處理制度下，轉接齒輪箱所用12Cr2Ni4A滲碳鋼齒輪心部組織為回火馬氏體和粒狀貝氏體，起動機傳動軸齒輪心部組織與正常組織存在差異，粒狀貝氏體尺寸變小，并呈彌散分布；中部傳動齒輪軸大齒齒輪心部組織與起動機附件機匣傳動軸齒輪心部組織相似，即：回火馬氏體數量均粗大減少。

2.3硬度測試

對齒輪心部基體分別取樣，進行硬度測試，結果見表1。起動機傳動軸齒輪心部，起動機附件機匣傳動軸齒輪與中間傳動齒輪軸大齒齒輪心部硬度均明顯低于標準要求。

對齒輪的殘余滲碳層進行硬度檢測，結果見表2。三組齒輪滲碳層硬度均低于標準要求。

2.4 模擬試驗

為了進一步分析此次故障可能經歷的溫度及具體時間（故障齒輪所用時長約為1小時），利用與故障齒輪相同熱處理制度下12Cr2Ni4A齒輪試樣，進行模擬試驗。該模擬試驗采用電阻加熱爐進行，分別進行200℃/1h、300℃/1h、500℃/1h、600℃/1h的試驗，試驗結束后對試樣進行潤滑油冷卻。此試驗目的在于模擬分析故障齒輪工作狀態(tài)下，缺少冷卻液時齒輪可能出現的溫度及時間情況。

試驗后對各試樣進行組織檢查， 200℃/1h和300℃/1h的試樣組織。仍然為回火馬氏體和粒狀貝氏體，未發(fā)生變化；500℃/1h的回火馬氏體組織出現粗化的跡象；600℃/1h的回火馬氏體組織進一步粗化且數量減少。中間傳動齒輪軸（S15.66.106）大齒齒輪與起動機附件機匣傳動軸（S15.66.104）齒輪經歷的高溫在500℃～600℃之間。

不同溫度時模擬試驗試樣心部洛氏硬度檢測結果見表4。溫度在200℃和300℃硬度與原始齒輪心部硬度相比，未發(fā)生明顯變化。當溫度達到500℃后，硬度值達到29.75，降低幅度較大，起動機附件機匣傳動軸齒輪和中間傳動齒輪軸大齒齒輪心部硬度值與此溫度時的硬度值水平接近，但未達到600℃時，試樣硬度值水平。因此故障齒輪心部經歷的溫度應該在500℃～600℃之間，此結果與組織試驗結果相一致。

為了進一步確定故障件齒輪心部經歷的溫度情況，在525℃和550℃試驗溫度下，分別進行了20min、40min和60min三組不同時間下的試驗。在該兩組溫度下的組織均與起動機附件機匣傳動軸齒輪心部組織和中間傳動齒輪軸大齒齒輪心部組織基本相似，因此推斷這兩組齒輪心部溫度應在525℃～550℃之間。

在525℃和550℃時，不同保溫時間齒輪心部硬度。齒輪軸齒輪心部硬度值在525℃～550℃時的硬度值之間，因此進一步證明，故障齒輪溫度在525℃～550℃，與組織結果相一致。

在相同溫度下，硬度值幾乎變化不大，表明在同一溫度時，保溫時間對硬度值影響不大。

結論：

航空發(fā)動機故障原因在于齒輪經歷較高溫度區(qū)間為525℃～550℃，超過正常使用溫度，導致齒輪失效故障的發(fā)生。