機(jī)輪離心傳感器損傷故障診斷與排除策略研究

張傳勇 馬金波

國營(yíng)蕪湖機(jī)械廠 安徽蕪湖 241007

在航空、航天以及機(jī)械工程等諸多領(lǐng)域,離心傳感器憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳導(dǎo)可靠、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛運(yùn)用。離心傳感器是飛機(jī)剎車系統(tǒng)重要組成部件,它通過感受機(jī)輪負(fù)角加速度變化,保證剎車壓力和臨界剎車壓力大體一致,其工作性能優(yōu)劣直接威脅著飛機(jī)著陸安全。因此,對(duì)離心傳感器工作原理、故障診斷和排除策略開展研究保證飛機(jī)著陸安全具有重要意義。

1 工作原理

離心傳感器安裝在前機(jī)輪支座上,機(jī)輪輪轂大齒輪與離心傳感器小齒輪嚙合,為離心傳感器傳遞機(jī)輪轉(zhuǎn)速信號(hào),再通過信號(hào)轉(zhuǎn)換用于控制剎車。機(jī)輪與傳感器裝配及齒輪嚙合示意見圖1。

圖1 機(jī)輪與傳感器齒輪嚙合示意圖

在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中,機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力通過輪轂大齒輪直接傳遞到傳感器,輪轂大齒輪與傳感器小齒輪傳動(dòng)關(guān)系為主動(dòng)與從動(dòng)交互關(guān)系。機(jī)輪加速狀態(tài)輪轂上大齒輪隨前輪高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)離心傳感器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),使離心傳感器工作,此時(shí)大齒輪處于主動(dòng)輪狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)過程機(jī)輪減速時(shí),小齒輪在慣性輪作用下保持高速運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),此時(shí)大齒輪會(huì)受到小齒輪反向慣性力作用,齒輪嚙合面變換,小齒輪處于主動(dòng)輪角色,即這對(duì)齒輪承受雙向載荷。

本文以某型飛機(jī)機(jī)輪離心傳感器齒輪嚙合處嚴(yán)重磨損、小軸斷裂故障為例,開展離心傳感器損傷故障診斷與排除策略研究。

2 故障檢查

2.1 產(chǎn)品外觀檢查

對(duì)故障離心傳感器外觀檢查,離心傳感器漆層及表面完好,無明顯磨損痕跡。發(fā)現(xiàn)齒輪磨損、小軸斷裂,齒輪各齒間無油脂、齒輪內(nèi)側(cè)面有粉末殘留。

2.2 齒輪損傷檢查

對(duì)離心傳感器齒輪與小軸進(jìn)行材料、硬度等分析,具體數(shù)值見表1。

表1 齒輪與小軸信息

2.3 內(nèi)部分解檢查

檢查齒輪與小軸連接部分,發(fā)現(xiàn)齒輪與小軸配合部分約1/2周接觸面咬傷嚴(yán)重,見圖2。

圖2 小軸與齒輪配合部位咬傷嚴(yán)重

分解殼體上蓋組件,檢查內(nèi)部各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活性,電門能夠正常接通,無卡滯現(xiàn)象;檢查小軸與軸承配合情況良好,無滯澀現(xiàn)象;檢查小軸表面無劃傷、磨損,有探傷合格印記。

檢查其余零組件情況,表面均無劃傷、磨損現(xiàn)象。

3 故障診斷

以離心傳感器齒輪磨損與小軸斷裂為頂事件建立故障樹,見圖3。

圖3 齒輪磨損與小軸斷裂故障樹

對(duì)產(chǎn)生故障的底事件進(jìn)行逐一分析確認(rèn)如下:

事件1:機(jī)輪齒輪損傷缺陷,存在變形、掉快、崩齒等原始缺陷,造成損傷嚴(yán)重。

檢查原機(jī)齒輪記錄,機(jī)輪零部件檢查均合格,表面質(zhì)量完好,對(duì)產(chǎn)品檢驗(yàn)合格,故可排除該因素。

事件2:機(jī)輪齒輪未安裝到位,工作沖擊壓力大。

經(jīng)檢查,機(jī)輪齒輪及沉頭螺釘均安裝到位,故可排除該因素。

事件3:離心傳感器齒輪損傷缺陷,存在變形、掉快、崩齒等原始缺陷。

檢查離心傳感器齒輪故檢內(nèi)容為無故障,小軸表面劃傷,進(jìn)行了拋光修理,產(chǎn)品裝配試驗(yàn)后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn),可保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量,故可排除該因素。

事件4:離心傳感器內(nèi)部工作卡滯造成齒輪急停,小軸扭斷。

分解離心傳感器檢查,離心傳感器小軸轉(zhuǎn)動(dòng)順暢,無變形現(xiàn)象,離心傳感器性能正常,故可排除該因素。

事件5:離心傳感器小軸存在裂紋。

檢查離心傳感器探傷記錄,小軸探傷結(jié)果合格,實(shí)物有探傷標(biāo)記,故可排除該因素。

事件6:齒輪松動(dòng)。

對(duì)離心傳感器齒輪與軸連接處進(jìn)行檢查,齒輪保險(xiǎn)螺母完好,鍵無損傷、斷裂等現(xiàn)象,齒輪不存在松動(dòng)現(xiàn)象,故可排除該因素。

事件7:產(chǎn)品安裝誤差。

通過對(duì)機(jī)輪部分安裝順序、狀態(tài)與齒輪損傷情況分析,機(jī)輪安裝后無法檢查機(jī)輪齒輪與離心傳感器齒輪配合情況,產(chǎn)品如果存在安裝誤差,齒輪會(huì)產(chǎn)生碰撞、擠壓損傷,離心傳感器小軸承受交變扭轉(zhuǎn)載荷,產(chǎn)生斷裂,此因素?zé)o法排除。

事件8:產(chǎn)品裝配或維修時(shí)有外部異物進(jìn)入。

機(jī)輪裝配完成后用蓋板、螺栓封口,保證了后續(xù)試驗(yàn)、運(yùn)輸過程中不會(huì)有異物進(jìn)入;故障產(chǎn)品返回分解檢查,無異物存在,可排除該因素。

事件9:齒輪嚙合部位未潤(rùn)滑。

機(jī)輪安裝過程中需要對(duì)齒輪嚙合部位進(jìn)行充分潤(rùn)滑,檢查產(chǎn)品齒輪輪齒表面,未發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂殘留痕跡。依據(jù)分解后檢查情況,齒輪嚙合部位無潤(rùn)滑脂,存在潤(rùn)滑不良情況,此因素?zé)o法排除。

4 失效分析

4.1 宏觀觀察

將故障離心傳感器各齒進(jìn)行編號(hào),以記錄其基本情況,從圖4中可以看出,齒輪磨損較為嚴(yán)重,且磨損區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)區(qū)域的4/5,尾部區(qū)域1/5處無磨損特征,各齒輪磨損情況見表2。觀察小桿情況,小桿斷裂,斷面平坦,可見弧線特征,推測(cè)為扭轉(zhuǎn)疲勞,桿與齒輪接觸位置磨損嚴(yán)重。

表2 齒輪磨損情況

圖4 齒輪及軸外觀形貌

4.2 體視觀察

將故障齒輪置于體視鏡下,對(duì)包括輪齒特征、桿特征進(jìn)行觀察。圖5為具有代表性的1號(hào)、13號(hào)齒形貌,從圖中可以看出齒的變形位置均為整個(gè)齒寬的4/5,且出現(xiàn)擠壓變形痕跡的齒面,如1工作面,可較為清晰地觀察到(2～3)個(gè)不同角度的擠壓面,而該擠壓面的寬度基本為齒輪嚙合時(shí)相互接觸面積的寬度。同時(shí),齒輪在齒頂位置基本出現(xiàn)了擠壓變形的特征,齒頂寬度減小。

1號(hào)工作面

對(duì)齒輪桿的情況進(jìn)行觀察,見圖6,其中桿斷裂,桿與齒輪接觸位置磨損較為嚴(yán)重,桿的斷面整體平坦,為典型的扭轉(zhuǎn)疲勞特征。

圖6 桿的形貌

4.3 微觀觀察

將齒輪置于電子顯微鏡下進(jìn)行觀察,見圖7。從圖中可以看出,齒輪面存在擠壓變形,未見腐蝕,未見加工痕跡等。放大齒面觀察,可見擠壓面存在少量的磨損痕跡,應(yīng)為運(yùn)行過程中擠壓導(dǎo)致。觀察桿斷面,整個(gè)斷面磨損較多,未磨損區(qū)域可見明顯的疲勞條帶特征,源區(qū)位于桿下側(cè),見圖8,推斷為扭轉(zhuǎn)疲勞。

圖7 齒的微觀形貌

圖8 桿的微觀形貌

4.4 硬度分析

分別對(duì)故障產(chǎn)品的齒輪、桿硬度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見表3,可見齒輪HRC硬度不到30。

表3 桿、齒輪硬度情況

4.5 分析結(jié)論

從齒輪變形情況看,由于齒輪在齒寬范圍內(nèi)未完全磨損,1/5寬度狀態(tài)較好,結(jié)合裝配過程無法直觀確定大小齒輪裝配情況,說明在裝配過程齒輪未嚙合完全。

從齒輪硬度看,齒輪HRC硬度不到30,齒輪本身較軟,齒輪表面進(jìn)行化學(xué)熱處理(如滲碳滲氮或碳氮共滲),齒輪表面HRC硬度達(dá)到50甚至更高,而故障產(chǎn)品齒輪硬度低,也更易產(chǎn)生擠壓形變。

對(duì)工作面進(jìn)行觀察,可較為清晰地觀察到2～3個(gè)不同角度的矩形擠壓面,說明齒輪在嚙合過程其接觸位置并非穩(wěn)定,會(huì)發(fā)生變動(dòng)。我們推斷齒輪在工作過程嚙合不理想,工作面擠壓變形,齒厚不斷減小,當(dāng)齒厚減小到一定程度后,會(huì)發(fā)生部分齒輪反向擠壓,從而出現(xiàn)齒輪非工作面磨損情況。同時(shí),從大小齒輪硬度情況來看,小齒輪硬度偏低,在嚙合過程中也更易變形磨損。

從桿斷裂情況來看,桿應(yīng)為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂,嚙合不理想而使桿受到反復(fù)載荷,最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

5 排除策略

5.1 加強(qiáng)檢查

針對(duì)齒輪異常受損問題,檢查離心傳感器齒輪齒面表面質(zhì)量,對(duì)存在壓痕、偏磨等異常損傷的齒輪進(jìn)行換新處理。

5.2 控制過程

離心傳感器兩個(gè)安裝孔為偏離圓形特殊結(jié)構(gòu),安裝到位后,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)定的安裝順序,均勻交互、逐步擰緊固定螺釘,防止離心傳感器受力不均勻產(chǎn)生偏斜,齒輪間出現(xiàn)嚙合偏差。

5.3 傳遞信息

將故障信息傳遞給客戶,在開展機(jī)輪拆裝工作時(shí),應(yīng)注意拆、裝先后順序,同時(shí)做好齒輪潤(rùn)滑工作。

結(jié)語

故障產(chǎn)品齒輪磨損是由于裝配過程齒輪間嚙合不完全導(dǎo)致齒輪發(fā)生磨損,潤(rùn)滑不良等原因加速了其磨損過程。在產(chǎn)品修理及內(nèi)外場(chǎng)維護(hù)過程中,相關(guān)人員應(yīng)關(guān)注離心傳感器輪齒表面質(zhì)量,嚴(yán)格控制機(jī)輪安裝過程,并做好齒輪潤(rùn)滑工作,確保在產(chǎn)品使用時(shí)杜絕出現(xiàn)齒輪嚙合處磨損等故障,確保飛機(jī)著陸安全。