某折疊齒輪箱裂紋故障分析及改進

齊廣峰，孟 彬

（1.海軍裝備部，陜西西安 710077；2.慶安集團有限公司，陜西西安 710077）

引言

折疊齒輪箱用于某系統襟翼折疊機構，安裝于機翼前緣，主要用于傳遞線系扭矩和折疊機翼。折疊齒輪箱在機翼展開時相當于一根傳動軸，在機翼需要折疊時，活動端輸出錐齒輪能夠繞活動端輸入錐齒輪軸線自由旋轉。折疊齒輪箱機構主要包括：輸入錐齒輪、輸出錐齒輪、中間惰輪、輸出錐齒輪、殼體以及活動端殼體。

折疊齒輪箱的輸出端蓋產生裂紋進而斷裂會引起產品活動端錐齒輪箱從機上安裝支架脫落，一方面會造成前緣襟翼驅動裝置失效，另一方面會造成機翼折疊功能失效。

1 故障描述

折疊齒輪箱在交收產品時，需進行功能振動試驗，試驗后無法進行整體探傷，僅進行外觀及性能檢查后交付用戶。交付用戶后，機上進行機翼折疊過程中出現了前緣襟翼驅動裝置線系過載工況，為了確認過載工況對產品的影響，將折疊齒輪箱進行了返廠分解檢查，經分解探傷檢查后發現輸出端蓋出現了裂紋。

2 故障分析定位

根據折疊齒輪箱的工作原理，對可能導致其出現裂紋故障的原因進行了故障樹分析[1]，根據分析可以初步確定輸出端蓋出現裂紋的原因主要有以下四項：

（1） 廠內試驗過載引起的裂紋。

（2） 機上試驗過載引起的裂紋。

（3） 運轉疲勞引起的裂紋。

（4） 振動疲勞引起的裂紋。

針對以上可能的故障原因，逐項進行故障排查結果如下：

該折疊齒輪箱在出廠前僅在額定載荷下進行了磨合試驗，可排除廠內試驗過載引起的裂紋原因：

（1） 對輸出端蓋的裂紋進行了斷口分析，最終確認裂紋為疲勞裂紋。可排除機上試驗過載引起的裂紋原因。

（2） 折疊齒輪箱在出廠前僅在額定載荷下進行了磨合試驗，在機上僅進行了現場調試，未疲勞運轉，可排除運轉疲勞引起的裂紋原因。

（3） 在出廠前進行了功能振動試驗，結合裂紋斷口分析結果不能排除振動疲勞引起的裂紋原因。根據輸出端蓋出現裂紋的定位排查過程，可知其出現的裂紋是由功能振動引起的疲勞裂紋。

3 故障原因分析

根據故障定位，輸出端蓋產生裂紋原因由振動引起的疲勞。而折疊齒輪箱在交付前，已在廠內采用試驗件進行隨機振動摸底試驗，完成設計規定的功能振動及耐久振動試驗且試驗后分解產品探傷無裂紋。根據試驗結果得出折疊齒輪箱可滿足設計要求功能振動和耐久振動的首飛壽命結論。因此，對現有數據需對折疊齒輪箱功能振動后輸出端蓋出現裂紋與C 型件的試驗結論不符的現象進行可能原因分析[2]。

根據故障樹分析結果，初步確定導致輸出端蓋功能振動后出現裂紋與試驗件隨機振動摸底試驗的結論不相符的原因如下：

（1） 振動工裝尺寸、結構差異。

（2） 振動工裝安裝方法差異。

（3） 零件要求尺寸差異。

（4） 零件實際尺寸差異。

（5） 材料牌號差異。

（6） 材料技術條件差異。

（7） 材料熱、表處理差異。

（8） 振動試驗方向差異。

（9） 振動試驗量值差異。

（10） 控制點和監測點差異。

針對輸出端蓋功能振動后出現裂紋與摸底試驗的結論不相符可能的原因，逐項進行排查工作：

（1） 振動工裝尺寸、結構差異。原裝折疊齒輪箱在功能振動時所使用的振動工裝在進行1 h 功能振動+1 h 耐久振動時所使用的振動工裝一致，可排除振動工裝尺寸、結構差異的原因。

（2） 振動工裝安裝方法差異。輸入端鼓形花鍵與前緣襟翼驅動裝置線系上長700 mm 的懸臂內花鍵扭力桿連接，輸出鼓形花鍵與前緣襟翼驅動裝置線系上長300 mm 的懸臂內花鍵扭力桿連接，固定端齒輪箱利用機上接口I 通過2 個螺栓與飛機連接，活動端齒輪箱利用機上接口II 通過3 個螺栓與飛機連接，見圖1。

圖1 折疊齒輪箱與機上的接口外部約束

為了模擬折疊齒輪箱機上的安裝形式，在振動工裝上將折疊齒輪箱固定端與工裝支架I 通過2 個連接螺栓安裝在一起，將折疊齒輪箱活動端與工裝支架II通過3 個連接螺栓安裝在一起，為了模擬機上懸臂內花鍵扭力桿與折疊齒輪箱輸入、輸出鼓形花鍵連接時僅限制轉動的約束形式，輸入、輸出鼓形花鍵與振動工裝上的氟塑料花鍵套組裝在一起。

原裝折疊齒輪箱在功能振動時與振動工裝的安裝方法上述一致，可排除振動工裝安裝方法差異的原因：

（1） 零件要求尺寸差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗件中輸出端蓋的零件尺寸、結構完全相同，可排除零件要求尺寸差異的原因。

（2） 零件實際尺寸差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗件中輸出端蓋的圖樣尺寸要求相同，加工程序相同，檢驗計量方法相同，且未辦理讓步使用文件，可排除零件實際尺寸差異的原因。

（3） 材料牌號差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗件中輸出端蓋的材料牌號均為，可排除材料牌號差異的原因。

（4） 材料技術條件差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋的材料技術條件為7050-T7451，且允許用技術條件為的代料。C 型試驗件中輸出端蓋的材料技術條件為AMS4050，不能排除材料技術條件存在差異的原因：

①材料熱、表處理差異。折疊齒輪箱中輸出端蓋與C 型試驗件中輸出端蓋的材料均未進行熱處理，表面均采用的是鉻酸陽極化，可排除材料熱、表處理差異的原因。

②振動試驗方向差異。原裝折疊齒輪箱與C 型試驗件在振動試驗時均是按照參考坐標X、Y、Z 三個方向進行，可排除振動試驗方向差異的原因：

a. 振動試驗量值差異。原裝于折疊齒輪箱與C 型試驗件在振動試驗時均是按標準要求的振動試驗譜型與相應振動試驗量值進行，可排除振動試驗量值差異的原因。

b.控制點和監測點差異。原裝折疊齒輪箱與C 型試驗件在振動試驗時均是按圖2 所示的位置和方式布置控制點和監測點，可排除振動試驗控制點和監測點差異的原因。

圖2 振動試驗控制點和監控點

根據上述排查分析，折疊齒輪箱輸出端蓋功能振動后出現裂紋與C 型試驗件隨機振動摸底試驗結論不相符的故障原因為折疊齒輪箱中輸出端蓋的材料技術條件與C 型試驗件中輸出端蓋的材料技術條件存在差異。

折疊齒輪箱中輸出端蓋B 的材料技術條件為114-CXY-006-2020，且允許用YMS1116 代料，C 型試驗件中輸出端蓋的材料技術條件為AMS4050。前者為國產7050-T7451，后者為進口7050-T7451。故障原因排查結果見表1。

表1 故障原因排查結果匯總表

4 機理分析

C 型試驗件振動試驗時使用的輸出端蓋材料為進口的7050-T7451,S 型以后考慮材料國產化問題，上述兩種材料抗拉強度和屈服強度雖然接近，但在沿三個方向的延伸率方面，國產的7050 均低于進口的7050，尤其在高度方向的延伸率上差距較大。進口的7050-T7451 沿高度方向的延伸率為10～12，而國產的7050-T7451 沿高度方向的延伸率只有4。

通過以上強度、延伸率對比可見國產7050 雖然在強度方面與進口7050 接近，但是在塑性方面明顯差于進口7050，而材料的塑性對疲勞強度許用值產生的影響較為明顯[3]。

因此，可知折疊齒輪箱中輸出端蓋僅進行1h 功能振動試驗后出現裂紋，而C 型試驗件在進行1 h 功能振動+1h 耐久振動后未出現裂紋，一方面是因為國產7050-T7451 的疲勞性能低于進口7050-T7451；另一方面是折疊齒輪箱的輸出端為懸臂結構，輸出端蓋的振動強度設計本身不滿足首翻期要求，通過振動仿真可知，即使使用技術條件為AMS4050 的進口7050-T7451，首翻期振動疲勞分散系數僅為1.07，遠小于振動疲勞分散系數需大于6 的要求值。

5 故障復現

針對折疊齒輪箱功能振動試驗后輸出端蓋出現裂紋的問題，對此端蓋進行更換，隨產品再次進行1 h功能振動試驗后分解產品并探傷，發現輸出端蓋出現裂紋，故障復現。

6 改進措施

通過表2 中7050-T7451 與TC6 材料性能的對比可知[4]，鈦合金TC6 的疲勞性能遠大于鋁合金7050-T7451。因此，將輸出端蓋的材料更換為TC6。

表2 材料性能對比

將鋁合金輸出端蓋更換為鈦合金輸出端蓋后進行了振動試驗。在完成設計要求的功能振動和耐久振動試驗后進行探傷，產品無裂紋。因此，得出折疊齒輪箱可滿足耐久振動壽命的結論。

7 結論

本文首先通過故障核實、故障定位、故障排查、故障原因分析，確定折疊齒輪箱輸出端蓋B 的裂紋是由功能振動引起的；其次分析該故障與隨機振動摸底試驗的結論不相符的原因一方面為材料性能差別[5]，另一方面為折疊齒輪箱的輸出端為懸臂結構，通過振動仿真可知，首翻期振動疲勞分散系數僅為1.07，遠小于振動疲勞分散系數需大于6 的要求值，輸出端蓋的振動強度設計本身不滿足首翻期要求；再次對原結構及材料更換后進行振動試驗，故障復現，驗證故障定位分析正確性；最后提出更換材料的改進措施，并對新材料結構進行振動壽命分析及試驗驗證，試驗后探傷結果表明折疊齒輪箱滿足設計振動壽命要求，改進措施有效。