某型发动机一级主动齿轮断裂原因分析

摘要：齿轮是航空发动机的重要部件。文章针对某型航空发动机一级主动齿轮断裂故障，对断裂的齿轮和存在裂纹的齿轮进行了外观检查、断口分析、金相检查、烧伤检查，对齿轮强度进行了校核，对发动机的振动特性进行了计算，研究了齿轮的断裂性质和原因，提出了改进齿轮内花键加工方式、细化生产工艺、加强磨削烧伤检查的针对性改进措施。

关键词：航空发动机；一级主动齿轮；内花键；疲劳裂纹；磨削烧伤 文献标识码：A

中图分类号：V263 文章编号：1009-2374（2017）08-0092-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.08.044

齿轮是机械产品的重要零件，也是航空产品尤其是航空发动机的重要传动件，其性能的优劣在一定程度上决定了整个产品的质量水平。

某型航空发动机在使用过程中，发生了减速器一级主动齿轮断裂故障。本文从一级主动齿轮设计、加工、装配及使用等方面，对其断裂原因进行系统地分析，并提出建议，为避免此类故障的再次发生提供借鉴作用。

1 基本情况

1.1 减速器功能及结构

航空齿轮传动和减速器在航空发动机中占有重要地位，在涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机中，其地位尤为突出。航空齿轮传动可用来将涡轮螺旋桨发动机转子的扭矩传递给发动机的螺旋桨。

某涡轮螺旋桨发动机功率由弹性轴输入后，经减速器（图1）一级主动齿轮分两条路线传给桨轴。在减速器两级齿轮传动结构中，各齿轮副、花键均具有较大侧向间隙，组成浮动结构，因而齿轮在工作时能自动定心，齿型工作面上的负荷均匀。

1.2 一级主动齿轮及其故障模式

一级主动齿轮由14CrMnSiNi2MoA钢制成，齿面及内花键渗碳，内花键表面镀铜以防粘结。断裂的一级主动齿轮形貌如图2所示，断口分析表明一级主动齿轮断裂性质为疲劳断裂，起源于内花键齿底，呈线源特征，沿径向扩展。同时，厂内磁检发现多件使用后的一级主动齿轮内花键齿面、齿底存在裂纹，裂纹形貌如图3所示，断口分析表明裂纹性质均为疲劳裂纹。

2 一级主动齿轮断裂原因分析

2.1 故障树

以一级主动齿轮内花键疲劳裂纹为顶事件，绘制故障树如图4所示：

2.2 故障树排查

2.2.1 故障件和裂纹件的质量复查、对比检查和冶金分析结果表明，齿形参数、材料组织、渗碳层组织、热处理质量均合格，裂纹部位均未见明显表面损伤及明显加工刀痕，喷嘴畅通，内花键啮合印迹均匀。因此，可排除材料缺陷X1、毛坯缺陷X2、齿面脱碳X3、渗碳层组织不合格X5、淬火裂纹X6、磨削裂纹X7、表面损伤X10、加工刀痕X11、不良X12、尺寸超差X13、装配不当X14因素。

2.2.2 冶金分析发现，故障件和裂纹件部分花键齿渗碳层深度偏浅，不合格。因此，不能排除渗碳层深度不合格X4因素。

2.2.3 对故障件、裂纹件进行烧伤检查，内花键裂纹部位均存在磨削烧伤现象。无磨削烧伤的齿轮，可保留不大的残余压应力或形成不大的拉应力，有磨削烧伤时，绝大多数情况下，都产生残余拉应力。在零件处于工作状态时，残余压应力将与载荷应力叠加，故残余压应力能提高疲劳极限，但残余拉应力是有害成分。因此，不能排除磨削烧伤X8、残余应力X9因素。

2.2.4 复查外场发动机的使用维护情况，外场使用过程中输出功率稳定，未见异常；复查与裂纹件一级主动齿轮配合的减速器其余齿轮及弹性轴等啮合情况，未见异常。因此，可排除传递载荷大X15因素。

2.2.5 对一级主动齿轮内花键用有限元法进行了计算分析，结果表明，齿轮最大应力为202MPa，花键最大应力为218MPa（齿底），屈服/极限安全系数分别为2.81/2.65、2.53/2.3（要求大于0），疲劳安全系数分别为1.65/1.51（要求大于0），设计强度满足要求。因此，可排除齿根圆角设计偏小X16、强度储备不足X17因素。

2.2.6 对裂纹件、新件一级主动齿轮进行自由状态模态试验，试验表明：所有零件均有效避_了啮合频率。在组合状态下，通过加扭机构按发动机不同状态分别施加试验载荷，测量不同载荷下一级主动齿轮组合加扭时的振动频率和振型，试验结果表明：组合加扭后一级主动齿轮频率远离啮合频率，不会产生共振。同时，复查故障件及裂纹件配装发动机的厂内试车记录和外场工作情况，振动值均合格。因此，可排除振动水平高X18因素。

综上所述，不能排除的因素有渗碳层深度不合格X4、磨削烧伤X8、残余应力X9。

2.3 原因及机理分析

2.3.1 渗碳层深度不合格与故障的关系讨论。冶金检查工作3921小时的A齿轮和3582小时的B齿轮，部分内花键齿面、齿底渗碳层偏浅，但均未发现裂纹；工作2000小时的C、D、E齿轮和工作19小时的F齿轮，虽然内花键齿面、齿底渗碳层深度合格，但C、D、F齿轮内花键齿面出现裂纹、E齿轮内花键齿底出现裂纹。因此，渗碳层深度不合格不是导致裂纹的主要原因。

2.3.2 磨削烧伤与故障的关系讨论。对故障件、裂纹件、无裂纹件、新件一级主动齿轮进行冶金对比分析，结果表明：故障件和E齿轮内花键齿底裂纹部位存在磨削烧伤，C、D、F齿轮内花键齿面裂纹部位存在磨削烧伤；而无裂纹的新件齿轮和长时间使用后无裂纹的A、B齿轮内花键磨削烧伤检查均合格。

这些情况表明，凡是一级主动齿轮内花键有裂纹的部位均有较严重的磨削烧伤，凡是烧伤检查合格的内花键，无论工作时间长短，均无裂纹。因此，裂纹的产生与磨削烧伤有严格的对应关系。

2.3.3 裂纹产生的原因分析。磨削烧伤对齿的弯曲疲劳强度有不利影响，有烧伤的齿轮寿命比无烧伤的齿轮寿命要低，原因是因为磨削烧伤的齿轮齿根处有残余拉应力，以及组织不均匀和表面硬度低，这些因素还大大降低了烧伤齿轮的接触疲劳强度，导致齿轮疲劳性能下降。由于烧伤处的金属显微组织不同，局部和整体的性能有一定差异，零件承受载荷时，尤其高速重载下，易造成局部应力集中，导致显微裂纹发生，并发展到零件整体损坏。分析讨论表明，磨削烧伤是导致内花键齿面、齿底产生裂纹及断裂的主要原因。

2.3.4 磨削烧伤的原因分析。磨削烧伤的起因是切削区发热，接触温度愈高，作用时间愈长，烧伤就愈严重，烧伤深度也愈深。齿轮尺寸和材料、磨削用量和磨齿方法、冷却液及其他工艺参数都影响发热程度，进而影响烧伤的形成。

复查一级主动齿轮内花键加工工艺，加工时采用普通花键磨床，该磨床只能干磨削，不能喷冷却液。而磨削时使用冷却液具有以下特征：磨削温度急剧下降，使烧伤、微裂纹程度和数量、缺陷层深度和零件表层内应力减小，零件加工表面的微观几何形状得到改善。因此，一级主动齿轮内花键磨削烧伤是由于渗碳淬火后采用普通花键磨床成型磨削内花键时无冷却液，磨削参数控制不当所致。

3 纠正措施

改用数控花键磨床加工一级主动齿轮，细化一级主动齿轮加工工艺，编制专用烧伤检查工艺，加强磨削烧伤检查质量控制。

4 装机验证

对贯彻上述改进措施的2件使用了2000小时的一级主动齿轮进行检查，内花键啮合印迹均匀，啮合部位未发现裂纹及磨削烧伤现象，这说明上述改进措施是有效的，达到了预期改进目的。

参考文献

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[4] 郭志德，邵尔玉，庞钧.齿轮的失效分析[M].北

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[5] Ю.М.库拉科夫.磨削缺陷的预防[M].北京：机械工

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作者简介：鹿东荣，男，中国航发南方工业有限公司主管工程师，研究方向：航空发动机失效分析；伍彩文，男，中国航发南方工业有限公司技术专家，研究方向：航空发动机故障诊断与维护。