航空發動機減速器齒輪齒面剝落故障分析*

趙海洋

(中國航發湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002)

0 引 言

齒輪傳動作為發動機功率輸出的重要組成部分,因其具有結構緊湊、傳遞效率高、傳動平穩、承載能力強、使用壽命長等優點被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車工程等領域。然而在實際情況中,惡劣的工作環境、復雜的工況以及齒輪系的加工和安裝誤差會不可避免地影響到齒輪傳動系統的正常運行,并對其產生較大的振動和沖擊。

NASA工程師詳細調查了全世界直升機的事故原因。調查報告顯示與飛機傳動系統直接相關的空難占20%[1]。根據數據統計發現,齒輪引起的故障占傳動機械故障的80%,齒輪箱損壞類型中齒輪的故障比例高達60%,超過了其他部件故障的總和。其中,90%的齒輪故障為輪齒疲勞失效和斷齒等局部故障[2]。

齒面剝落故障是齒輪傳動中常見的疲勞失效形式之一。對齒面剝落故障進行研究有利于對剝落故障進行預防和早期診斷,可避免因機械設備失效而發生安全事故,從而避免造成重大的人員及財產損失。

筆者針對某航空發動機減速器齒輪齒面剝落故障問題展開研究,通過對齒面接觸應力的仿真分析,提出改進措施,并通過試驗驗證了改進措施的有效性,為航空發動機減速器齒輪設計提供了參考價值。

1 齒輪齒面剝落故障

1.1 故障現象

某航空發動機減速器隨發動機整機進行長試試驗時發生檢測器報警,檢查發現金屬片狀物剝落,分解減速器后檢查發現某齒輪(主動輪)存在1齒齒面剝落,剝落形貌如圖1所示。

圖1 齒輪剝落形貌

1.2 齒面剝落故障分析框圖

依據航空發動機減速器齒輪的結構特點,結合多個齒面剝落故障案例,梳理出航空發動機減速器齒輪齒面剝落故障分析框圖,如圖2所示。

圖2 齒面剝落故障分析框圖

1.3 故障原因分析

(1) 外觀檢查

故障齒輪中的其中1個輪齒在工作面齒面可見明顯的剝落(標記為1#齒),和1#齒相隔4個齒的輪齒工作面存在凹坑(標記為6#齒),如圖3所示,1#輪齒剝落位置和6#輪齒凹坑位置基本位于齒寬中心。此外,所有的輪齒在工作面靠近齒根位置均存在一條白色亮帶,而非工作面未見白色亮帶。

圖3 故障齒輪輪齒損傷形貌

從齒高方向看,1#輪齒剝落區和6#輪齒凹坑下邊線高度基本一致,大致處于距齒根約1/3齒高位置,且基本在齒根亮帶附近;在沿齒長方向可見的亮帶上有一處明顯亮斑損傷,1#輪齒和6#輪齒亮斑損傷位置也基本一致。

(2) 微觀檢查

微觀觀察1#輪齒剝落損傷,可見剝落區呈現倒三角形貌,且剝落有一定的方向性,根據剝落的走向,可判斷剝落起始于倒三角的下邊線且朝向往齒高方向剝落,如圖4(a)所示;齒根嚙合線到剝落起始位置下方存在寬度約1.89 mm的亮帶損傷區域,如圖4(b)所示;亮帶區可見許多沿齒長方向的魚鱗狀的微裂紋,斜向基體內部擴展,為剝落的早期形貌,如圖4(c)所示;剝落起始區周圍的齒面也呈現更為嚴重的魚鱗狀損傷,嚴重的已經發展為小的剝落凹坑,如圖4(d)所示;而齒根未嚙合區仍可見殘留的加工形貌且局部存在個別原始凹坑損傷,大剝落坑內可見清晰的疲勞特征,如圖4(e)所示。

圖4 1#輪齒齒面剝落微觀形貌

微觀觀察6#輪齒“凹坑”損傷也為疲勞剝落損傷,剝落尺寸2～2.6 mm,且和1#輪齒剝落損傷一致,剝落起始于下邊線,即靠近如圖5(a)所示的亮帶位置。剝落起始位置的周圍以及下方亮帶區可見明顯魚鱗狀排布的微裂紋(疲勞剝落早期特征),剝落坑內可見典型的疲勞特征,如圖5(b)所示。和1#輪齒一致,整個齒長方向的亮帶區均可見不同程度的疲勞剝落早期損傷。

圖5 6#輪齒剝落微觀形貌

(3) 冶金分析

對剝落齒面的冶金分析包括化學成分和金相組織的檢查分析。

故障齒輪解剖后,在輪齒上通過能譜檢測來分析剝落坑內、未剝落的齒面工作區2個位置的成分。結果發現其主要為基體成份,還可檢測到少量外來元素,但未見明顯差異。

隨機選一齒齒中截面進行金相腐蝕,結果出現齒面有明顯的滲碳層顯示,各輪齒滲層深度較為均勻,如圖6(a)所示。各個輪齒滲碳層組織均未見明顯差異,滲碳層組織均為隱針馬氏體+碳化物,如圖6(b)所示,故障件表面金相組織滿足要求。

圖6 齒面冶金分析

(4) 設計復查

對該航空發動機減速器故障齒輪副設計進行復查。針對輪齒基本參數、結構尺寸進行了零部件仿真分析,計算結果表明故障齒輪副強度滿足設計要求。

基于該航空發動機減速器真實結構建立系統級有限元仿真分析模型,并對不同設計修形參數下故障齒輪副接觸印痕進行分析,仿真分析故障齒輪副接觸印痕如圖7所示,設計修形方案如表1所列。

表1 故障齒輪副修形方案 /μm

圖7 故障齒輪副齒面接觸印痕(設計狀態)

根據仿真分析結果可知,若故障齒輪輪齒修形參數偏設計要求值為下限,則故障齒輪齒面接觸重載區下邊界偏齒根位置、齒根嚙合線附近產生邊緣接觸的風險大大提高。

(5) 制造、裝配過程復查

對該航空發動機減速器齒輪加工過程中熱表處理、實際結構尺寸、修形參數、齒頂圓角等進行復查發現,該故障齒輪相配件(從動輪)齒頂全部為倒角,且全部偏小;故障齒輪(主動輪)輪齒修形參數在設計要求范圍內,故障齒輪相配件(從動輪)齒廓修形量偏小;復查裝配過程記錄可知,裝配后該減速器傳動平穩、各旋轉件轉動靈活,未發現異常響聲及卡滯現象。

基于Romax軟件建立減速器仿真模型,對故障齒輪實測修形參數下齒輪副接觸印痕進行分析,故障齒輪接觸印痕如圖8所示。根據仿真分析結果可知,故障齒輪實測修形參數下接觸重載區偏齒根位置,與實際印痕比較吻合。

圖8 故障齒輪副齒面接觸印痕(實際狀態)

(6) 試驗過程復查

該減速器故障齒輪分別隨發動機完成了超扭和長試試驗。前期隨發動機進行超扭試驗后分解檢查發現,故障齒輪工作面偏齒根位置存在接觸磨損痕跡,如圖9(a)所示,對應嚙合齒輪偏齒頂位置有接觸磨損痕跡,如圖9(b)所示。

圖9 故障齒輪副齒面接觸印痕

長試試驗過程中,試驗載荷、滑油溫度、壓力在要求范圍內,且未出現載荷突變,分解檢查軸承整體功能良好;長試試驗后分解檢查發現,故障齒輪1齒齒面剝落,偏齒根位置存在磨損(見圖3);相配齒輪偏齒頂位置存在橢圓形凹坑,同時存在明顯的亮帶。

為保護齒面在長期運轉過程中不受損傷,并降低摩擦損失、減少磨損和發熱,齒輪傳動系統需在潤滑條件下運轉[3]。試驗后,分解檢查并對噴嘴進行流量試驗,試驗發現存在噴孔堵塞現象,使故障齒輪副滑油流量減小26.7%。

1.4 故障定位

通過對故障齒輪的宏觀、微觀、金相分析和設計參數等檢查以及齒輪試驗過程復查,可得如下判斷。

(1) 齒輪齒面損傷性質為疲勞剝落,起始于齒根嚙合線附近;齒輪在齒底嚙合線處出現疲勞剝落,這可能與齒底和齒頂嚙合時在齒底嚙合線處出現局部應力集中有關。

(2) 故障齒輪相配件(從動輪)齒頂實際倒角全部偏小,且倒圓不規則,易產生尖邊,導致故障齒輪(主動輪)齒根、相嚙合齒輪齒頂位置出現邊緣接觸,使齒面出現初始損傷。

(3) 故障齒輪相配件(從動輪)齒廓修形量偏小,使故障齒輪(主動輪)接觸印痕重載區下邊界向齒根位置擴展,存在嚙入、嚙出干涉。

(4) 齒輪齒面剝落與前期超扭試驗有關,在大載荷狀態下,故障齒輪齒面接觸印痕重載區下邊界向齒根位置擴展,對相配件齒輪齒頂圓角敏感。

(5) 故障齒輪副潤滑不足,重載和潤滑不良的情況使齒面損傷進一步擴展,最終導致齒面剝落。

2 改進措施與驗證

2.1 齒面接觸應力分析

齒頂圓角過大會導致輪齒接觸面積降低,使重合度下降。一般法向模數在2.5～5.0之間,齒頂倒圓或倒角為0.1～0.3。故障齒輪模數為3.75。

基于故障齒輪副設計理論值,對不同齒頂圓角的齒輪副進行邊緣接觸分析,相配齒輪計算結果如圖10所示。仿真結果顯示,齒頂圓角為R0.1時,最大應力出現在齒頂位置,產生了邊緣接觸,應力相比齒面增大了29.5%;隨著齒頂圓角的增大(R0.5),最大應力出現在齒面位置,齒頂應力逐漸降低,接觸印痕趨于正常。根據仿真結果可知,若齒輪齒頂圓角偏小,則邊緣接觸的風險大大增加,易導致故障齒輪齒根、相配齒輪齒頂位置出現邊緣接觸,接觸進一步擴展導致齒面剝落。

圖10 故障齒輪相配件齒面應力分布云圖

由上可知,適當地增大齒輪齒頂圓角,可以改善該齒輪副接觸印痕并避免產生邊緣接觸。

基于Romax軟件建立減速器系統級仿真模型,超扭試驗狀態下該故障接觸印痕仿真分析結果如圖11所示,表明該狀態下接觸印痕重載區下邊界向齒根位置擴展。同時在超扭試驗狀態下進行了邊緣接觸分析,結果如圖12所示,相配齒輪齒頂存在明顯的邊緣接觸,應力已經達到2 113 MPa,存在明顯的局部應力集中。

圖11 試驗載荷下故障齒輪副接觸印痕

圖12 超扭狀態故障齒輪相配件齒面應力分布云圖

2.2 機理分析

齒輪的嚙合過程如圖13所示,主動齒輪近齒根和從動齒輪齒頂在A點進入嚙合,在D點退出嚙合。由于受到齒輪制造、安裝誤差及彈性變形等因素影響,主、從動輪齒的節距發生變化,使輪齒在嚙入點A處發生嚙合干涉。一般需對輪齒靠近齒頂部分進行修形,以補償制造、安裝誤差及彈性變形,從而改善齒輪傳動系統的動態性能[4]。

圖13 齒輪嚙合過程

Ding Y等[5-7]通過 AISI 4340齒輪剝落形成的實驗研究發現,剝落的形成是由輪齒接觸表面下方裂縫的發展和裂紋尖端與相鄰輪齒接觸表面之間塑性塌陷的金屬韌帶中裂紋連接引起的。此航空發動機減速器在大載荷狀態下,故障齒輪(主動輪)近齒根位置存在明顯的重接觸;同時,故障齒輪相配件(從動輪)齒頂圓角全部偏小,倒角不規則,存在尖邊,導致干涉及邊緣接觸。由于齒面的反復接觸,使齒面的接觸壓應力產生循環拉伸應力,導致剝落區的裂紋擴展至齒頂;同時,齒頂滲層較深,脆性較大,齒頂位置剝落可作為三角形剝落區裂紋擴展的二次損傷。

2.3 改進措施

故障齒輪(主動輪)輪齒面剝落的主要原因是相配件(從動輪)齒頂圓角和齒廓修形量偏小,齒輪嚙合時故障齒輪(主動輪)齒根和從動齒輪齒頂位置存在重接觸。仿真分析結果顯示,適當地增大從動齒輪齒頂圓角及齒廓修形量,可以改善故障齒輪副接觸印痕并避免產生邊緣接觸,采取的改進措施如下。

(1) 故障齒輪相配件(從動輪)齒頂倒圓或倒角R0.1～R0.2更改為倒圓R0.4～R0.5,并明確齒頂倒圓起始圓直徑。

(2) 故障齒輪相配件(從動輪)齒廓修形量由8.5～18 μm更改為17～23 μm。

(3) 減速器裝配前,對噴嘴及噴嘴組件進行流量試驗,試驗合格后裝機使用,以保證噴嘴流量符合設計要求,降低由于潤滑不足造成齒面損傷的風險。

使用Romax軟件對實施改進措施后的齒輪副接觸印痕進行分析,故障齒輪接觸印痕如圖14所示;相配齒輪邊緣接觸分析結果如圖15所示。根據仿真結果可知,改進后故障齒輪接觸重載區下邊界上移,齒根嚙合線附近產生邊緣接觸的風險較低;同時,齒頂圓角為R0.4時,輪齒最大應力位于齒面上,未出現邊緣接觸。

圖14 故障齒輪副接觸印痕

圖15 故障齒輪相配件齒面應力分布云圖

2.4 驗證情況

該航空發動機減速器故障齒輪實施改進措施后,先后隨發動機整機運行近200 h,分解檢查發現,故障齒輪工作面接觸印痕正常,偏齒根位置未出現明顯的重接觸線及局部倒三角微點蝕凹坑等異常情況,如圖16所示。試驗結果表明,通過增大故障齒輪相配件(從動輪)齒輪齒頂圓角及齒廓修形量大小來改善該故障齒輪(主動輪)接觸印痕的措施可行、有效。

3 結 語

通過開展某航空發動機減速器齒輪齒面剝落故障齒輪副設計、試制、裝配和試驗等方面的全面分析排查以及對故障件的失效分析,確定了齒輪齒面剝落的原因。根據故障原因,對齒輪采取了相應的改進措施。實施改進措施后,齒輪隨發動機進行試驗并分解檢查故障,結果發現齒輪齒面印痕正常,偏齒根位置未出現明顯的重接觸線及局部倒三角微點蝕凹坑等異常情況,這表明該故障分析定位準確,機理清楚,改進措施有效可靠,為航空發動機減速器齒輪設計提供了參考價值。