齒輪動應力及溫度測量在機匣故障中的應用

吳雙峰 李錦花 王旭華 趙迎松

摘要：本文介紹了某型發動機附件機匣光譜超標的故障現象以及齒輪動應力測量和齒輪溫度測量原理，通過齒輪動應力測量及齒輪溫度測量，確定附件機匣內齒輪材料選擇不當及離心通風器齒輪存在共振是故障的主要原因。據此提出排故措施，包括重載側齒輪材料更換高溫齒輪鋼以及改進離心通風器齒輪的結構等，并對改進齒輪軸進行了動態特性分析以及動應力實測，進行了貫徹改進措施附件機匣的長試考核驗證，隨后在外場進行全面貫徹，使故障率大幅降低。

關鍵詞：附件機匣；光譜超標；動應力；齒輪測溫；結構改進

中圖分類號：V233.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.005

某型發動機在外場使用過程中，多次出現滑油光譜金屬含量超標問題，從發動機分解檢查情況看，滑油光譜金屬含量超標問題，主要是由附件機匣內齒輪及相應的軸承襯套異常磨損造成的。經理化分析，齒輪失效模式是先發生膠合現象，再出現接觸疲勞，齒輪材質、滲碳層等無明顯異常；軸承襯套磨損分為三類：相對運動磨損、微動磨損、相對運動與微動結合磨損[1]。前期分析認為襯套磨損在前，排故措施主要集中在改進襯套材料及裝配方面，但貫徹排故措施后效果并不理想，為進一步分析故障機理徹底解決光譜超標問題，需要對附件機匣齒輪工作情況開展進一步研究。

齒輪傳動過程中，齒輪相互嚙合傳遞運動和能量，必然在這個過程會產生一定形式的機械振動，而諸如剝落、膠合、磨損等齒輪的各種缺陷和故障必然會引起機械振動狀態的改變[2]。齒輪動應力測量是了解齒輪工作狀態振動特性的必要手段[3]，早在20世紀70年代，D.R. Houser等采用試驗測試的方式研究了齒輪轉速與齒輪嚙入沖擊引起的動載荷之間的關系[4]。Hotait等采用應變電測法測量得到了單對齒輪副的齒根動應力。劉更等采用微型應變片測得單對齒輪副的齒根動應力[5]及輻板動應力[6]。唐進元等[7]給出了沖擊載荷作用下齒根動應力的計算方法。

齒輪工作溫度也是反映齒輪工作狀態的重要指標，一般認為嚙合齒輪溫度可以分為本體穩態溫度和齒面閃溫[8]，齒輪本體穩態溫度是齒輪運轉一段時間達到熱平衡后齒輪本體的穩態溫度，齒面閃溫是輪齒嚙合瞬間嚙合區域的溫度。關于齒面閃溫最早的文獻在1937年由荷蘭的H. Blok[9]發表，他同時還運用自然熱電偶法進行了齒面溫度的測量試驗。日本學者Y. Terauchi和Y. Miyao[10-11]在1964年采用自然熱電偶法測量了直齒圓柱齒輪的閃溫。與自然熱電偶法相比，人工熱電偶法將標準熱電偶埋入齒輪中，能夠測量齒輪指定點的溫度[12]。德國的G. Niemann[13]通過嵌入在輪齒中間位置的熱電偶測量了輪齒的平均溫度。日本的研究人員Kato[14]將熱電偶埋在非常靠近工作齒面的輪齒內來測量輪齒的溫度。

本文針對故障附件機匣結構特點，開展齒輪動應力測量及齒輪本體穩態溫度測量，通過研究結果分析附件機匣故障原因，并提出改進措施。

1測量方案

1.1附件機匣結構

附件機匣結構如圖1所示，軸承襯套通過螺紋銷固定在殼體上，齒輪通過前后兩端軸承固定在軸承襯套上，齒輪軸與軸承內圈采用過盈配合，軸承襯套與軸承外環采用間隙配合，磨損情況如圖2和圖3所示。

1.2齒輪動應力測量方案

齒輪振動應力測量系統由應變片、動態應變信號放大器、記錄儀和頻譜分析系統組成。在齒輪輻板及齒輪軸上貼應變片，應變片感受的振動信號通過引電器引出后經動態應變信號放大器放大處理，放大后的信號輸入B&K公司的PULSE系統進行記錄并分析，通過對振動信號的分析處理，得到齒輪振動的應力、頻率及共振轉速。由于試驗器臺架及機匣自身結構的限制，僅對齒輪2、齒輪4進行動應力測量，方案如圖4所示。

1.3齒輪溫度測量方案

齒輪溫度測量通過在齒輪輻板測試部位處焊接熱電偶，并通過引電器將齒輪上的溫度電測信號由轉子傳輸到引電器靜子部件上的信號連接裝置，最終輸出到熱電偶數據采集系統。本次齒輪工作溫度測量選取擦傷較頻繁的齒輪2作為測量對象，如圖5所示。

1.4試驗載荷工況

試驗在附件機匣專用磨合運轉試驗器上進行，試驗程序如圖6所示，載荷按出廠磨合試車要求，試驗過程滑油供油溫度保持在100～110℃。

2齒輪動應力測量結果

2.1齒輪2動應力測量結果

齒輪輪緣上貼三個周向應變片，齒輪輻板中間位置貼兩個周向應變片，齒輪軸上貼三個軸向應變片，應變計貼片位置及編號如圖7、圖8所示。本次測試齒輪2轉速由8660～12250r/min，慢掃描過程為2min。以5號應變計為例，瀑布圖上出現了兩個較大的峰值，最大應力為88MPa，頻率為6812Hz，轉速為10215 r/min。由行波共振理論有N=60fm/（kz±m），其中N為齒輪的轉速；fm表示齒輪旋轉時，從與齒輪同轉速同向旋轉的動坐標上看到的齒輪振動固有頻率；k為諧波階次；z為齒數；m為節徑數。為方便說明將“kz±m”簡稱為激振因素，由公式得出此轉速下激振因素為40，參考齒輪模態試驗結果（見表1）及齒數（z=25），最終判斷激振因素40并不存在。綜合分析可知，此峰值并非齒輪的真實振動情況，此處峰值可能是測試回路帶來的干擾信號，同樣可證明另一峰值也非齒輪真實振動應力值。濾掉干擾后測試結果顯示各狀態振動應力小于10MPa，無明顯共振。

2.2齒輪4動應力測量結果

大齒輪上貼5個周向應變片，齒輪軸上貼三個軸向應變片，應變計貼片位置及編號如圖9、圖10所示。

本次測試齒輪4轉速6650～9280r/min，慢掃描過程為2min。4、7、8號應變計損壞，其余各應變計實測振動應力值見表2，以1號應變計為例，振動信號瀑布圖如圖11所示。

根據模態試驗結果（見表3）及大齒輪齒數（z=33）可以推知，瀑布圖中黑框中的兩個峰值并非齒輪真實振動的峰值，可能是測試回路帶來的干擾信號。

在6650～9280r/min齒輪工作轉速范圍內，存在激勵因素z/2、（z/2）+2、z+3、2z-4，對應的是2節徑型共振、2節徑后行波、3節徑后行波、4節徑前行波。2節徑型共振最大振動應力為48MPa，根據實測動應力大小折算齒輪2節徑、3節徑振動應力分布如圖12、圖13所示。坎貝爾圖如圖14所示（圖中轉速為齒輪4轉速）。

為驗證測量結果準確性及重復性，對齒輪4進行了兩次復測，測量結果見表4、表5。

從三次齒輪動測和振動特性分析結果看，齒輪4在93%工作轉速存在2節徑共振，最大振動應力為48MPa，應力值滿足使用要求，但在發動機常用工作轉速范圍內存在齒輪共振，對附件機匣平穩工作不利，亦可能導致襯套的加速磨損。

3齒輪溫度測量結果

測量位置為齒輪2輪緣處，齒輪單側三個測點，雙側共計6個測點，如圖15所示，齒輪溫度測量結果見表6，其中正對紙面測點簡稱TQ，反之簡稱為TH。

齒輪軸2上的齒輪為雙側嚙合，兩個漸開線齒面均為工作齒面。對齒輪2進行溫度場計算[15]，其中與齒輪1嚙合側的溫度場分布如圖16所示，與齒輪3相嚙合側的溫度場分布如圖17所示。

有限元計算結果中，測點位置溫度約為130～140℃，根據有限元計算結果，測點位置與嚙合區最高溫差可達70～80℃，因此推測齒面嚙合區最高溫度可達200℃以上。齒輪2轉速較高、載荷較大，且為雙側嚙合，因此齒面溫度較高。

故障附件機匣的齒輪材料選用12Cr2Ni4A/GJB 1951-1994，Ⅱ類鍛件，其技術標準規定的熱處理為“780～ 810℃，油冷150～170℃，空冷”。可以看出，12Cr2Ni4A材料的棒材及鍛件回火溫度為150～170℃。

試驗測量附件機匣內齒輪2輪緣位置溫度高于150℃，在齒輪嚙合的接觸區溫度會更高，而12Cr2Ni4A鋼技術標準中規定的回火溫度為150～170℃，因此接觸區溫度高于標準規定的回火溫度，齒輪芯部硬度及齒面硬度下降，使齒輪的彎曲疲勞強度、齒面接觸疲勞強度下降。當發動機停止工作時，齒輪軸的溫度逐漸降到室溫，滲碳層中的奧氏體又轉變為馬氏體，硬度又恢復正常。

因無機匣回油溫度測量傳感器，統計了100余臺發動機的總回油溫度，回油溫度在140～160℃之間。俄制發動機應用12X2H4A鋼（相近國產12Cr2Ni4A）時，要求若在100h以上長期保持洛氏硬度≥58HRC，齒輪的工作溫度不能超過150℃。因此，較高溫度下工作的齒輪，應采用熱強鋼制造。對接觸區溫度達到350～400℃的高應力齒輪和摩擦零件，推薦采用16Х3ВНФМБ（ДИ-39）熱強滲碳鋼。

前期已經對部分重載側齒輪增加了供油量，參照某型機匣重載側供油量單個噴嘴油量由0.5L/min增加為1L/min，而故障并未改善，因此，12Cr2Ni4A材料性能不滿足某型附件機匣的使用要求。

4排故措施

4.1齒輪換材料

為解決齒面擦傷問題，提高齒輪抗膠合能力，計劃將重載側4根齒輪軸材料更換為高強度鋼（16Cr3NiWMoV NbE），并將齒輪精度由6-5-5級提高至5-4-4級，齒面粗糙度由Ra0.8提高至Ra0.4。

16Cr3NiWMoVNbE回火溫度為300～350℃，高于12Cr2Ni4A的回火溫度，同樣高于附件機匣的工作溫度，16Cr3NiWMoVNbE滲碳后室溫下測試表面硬度為63HRC左右，又具有較好的高溫性能，因此在高溫度下仍然保持良好的齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度，適合應用在故障發動機附件機匣內重載側的傳動齒輪。

4.2改進齒輪結構

針對齒輪4動應力測量結果對其進行了結構改進，通過計算確定改進方案，將輻板厚度改為8.5mm、轉接圓角增加為R10，并去掉原輻板上的減重孔，原結構與改進結構對比如圖18、圖19所示。改進前齒輪重約2.3kg，改進后重量增加約80g，變化較小。

對改進方案齒輪進行了兩次動應力測量，動測結果見表7和表8。改進結構動測結果表明，該齒輪存在激振因素33E×3/2、2×33E激起的3節徑后行波、4節徑后行波共振。改進結構齒輪的最大振動應力為48MPa，改進前后動應力儲備見表9。齒輪動測時，同時監控了機匣振動情況，振動總量對比見表10、表11。因前三次測量時機匣上的測點未進行標定，故表10中利用電壓值代表其加速度大小。

從機匣動測結果可見，改進結構機匣兩次動測的振動總量均小于原結構機匣三次動測的振動總量，說明裝配改進結構齒輪后機匣振動有一定的緩解。

通過對比改進前后動測結果，可以得出以下結論：（1）改進結構齒輪成功消除了激振因素33E/2、33E、2×33E激起的2節徑、2節徑后行波、3節徑后行波共振，改進效果明顯；（2）改進時僅考慮了33E/2、33E和2×33E激振因素激起的1～3節徑振動，本次動測出現了33E×3/2激振因素激起的3節徑共振和2×33E激振因素激起的4節徑共振，振動應力水平與原結構相當；（3）改進前后齒輪動應力儲備由6.38MPa提高到8.56MPa，改進后齒輪抗疲勞能力增強；（4）裝配改進結構齒輪的機匣振動總量均小于裝配原結構齒輪的機匣，說明裝配改進結構齒輪對機匣振動有一定的緩解。

5結論

通過對附件機匣內齒輪進行動應力及溫度測量，得到以下結論：

（1）附件機匣內齒輪選材不當、離心通風器齒輪存在共振是引起故障的主要原因。

（2）提出對重載側齒輪改進材料以及對離心通風器齒輪軸結構進行改進等措施。

（3）新結構齒輪消除了部分激振因素，提高了動應力儲備，改善了機匣振動。

（4）附件機匣外場故障率明顯降低，由最初的40%左右故障率降低到小于5%，有效緩解了外場的使用壓力。但是由于現有附件機匣的結構限制，無法進行徹底改進，完全消除所有激振因素，在外場使用過程中需要繼續定期檢測附件機匣滑油光譜，積累附件機匣返廠分解檢查數據，及時發現問題，確保發動機使用安全。

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作者簡介

吳雙峰（1983-）男，碩士，工程師。主要研究方向：航空發動機傳動系統。

Tel：13889312607E-mail：5894151@qq.com

Application of Gear Dynamic Stress and Temperature Measurement in the Failure of Accessory Gearbox

Wu Shuangfeng1，2，*，Li Jinhua1，2，Wang Xuhua1，Zhao Yingsong1

1. AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China

2. AVIC Key Laboratory of Power Transmission Technology on Aero-engine，Shenyang 110015，China

Abstract： This paper describes the phenomenon of spectrum over standard problem of the accessory gearbox，as well as the principle of gear dynamic stress measurement and gear temperature measurement. The gear dynamic stress measurement and gear temperature measurement show that the gearbox accessories improper selection of materials and centrifugal fan gear resonance are the main reason for the failure. Accordingly， it proposes troubleshooting measures，including heavy-duty side gear shaft replacement high-temperature gear steel and improving of the structure of centrifugal fan gear and so on. The dynamic characteristics analysis and dynamic stress measurement of the improved gear shaft were carried out. The measures are carried out to improve the attachment casing long test assessment，followed by the full implementation of the field. The failure rate is significantly reduced.

Key Words： accessory gearbox； spectrometric over standard； dynamic stress； gear measuring temperature； structure improvement