袁 飛

（中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司，四川成都 610503）

0 引言

附件齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)揮著重要的作用，也是重要的傳動(dòng)裝置，其危險(xiǎn)齒輪會(huì)在很大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。在科學(xué)技術(shù)的支持下，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也在逐漸提升，齒輪薄壁結(jié)構(gòu)成為最重要的一種失效模式。為確保齒輪系統(tǒng)在運(yùn)行期間的穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)存在危險(xiǎn)的齒輪進(jìn)行準(zhǔn)確的確定與排除，從而提升傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

1 常見(jiàn)的故障現(xiàn)象

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)期間，先后發(fā)生三次輪齒斷裂故障：

第一次故障產(chǎn)生時(shí)，是在起飛狀態(tài)發(fā)電機(jī)加載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)“停車(chē)”的情況。進(jìn)而工作人員對(duì)其進(jìn)行了分解檢查，得知：在中心主動(dòng)錐齒輪的位置共計(jì)出現(xiàn)5 處齒掉塊的故障，在此過(guò)程中，在安裝的位置，發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣殼體出現(xiàn)打穿的故障，直流電機(jī)傳動(dòng)桿也被打斷。第二次產(chǎn)生故障時(shí)，是在慢車(chē)液壓加載狀態(tài)，在此過(guò)程中，傳出發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)的信號(hào)，試車(chē)人員緊急切斷供油。在工作人員的分解檢查下得知：中心主動(dòng)位置也存在5齒掉塊。中央傳動(dòng)桿也同樣被打斷。第三次產(chǎn)生故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了報(bào)警，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降到0，在下降過(guò)程中存在異響。經(jīng)分解檢查得出：中心主動(dòng)錐有6 齒掉塊，同時(shí)，伴有嚴(yán)重?fù)p傷的齒牙，1 個(gè)螺釘脫落，中心從動(dòng)位置伴有多個(gè)齒輪損傷，并出現(xiàn)多個(gè)齒牙脫落的故障。

2 故障機(jī)理分析

2.1 斷口檢查

在第一次出現(xiàn)故障時(shí)，包括5 齒掉塊，在距離輻板掉塊180°的位置還有2 齒的根部位置出現(xiàn)斷裂，1 個(gè)齒的根部位置在沿齒輪徑的方向存在裂紋，其他的齒輪根部上方的斷裂位置大約位于其3 mm 的位置。在扇形掉塊的斷口位置存在較為顯著的斷裂跡象。產(chǎn)生疲勞斷裂故障的主要位置即在凸面齒根部的倒棱位置處，在沿徑向?qū)X輪的輻板進(jìn)行擴(kuò)展大約15 mm 的位置后，再沿輻板橫向進(jìn)行多次轉(zhuǎn)向斷裂，使得位于疲勞擴(kuò)展區(qū)的疲勞弧線呈現(xiàn)密集、清楚的狀態(tài)。在齒根部位置的斷裂口有2 個(gè)，全部呈現(xiàn)出雙向疲勞的情況，這種疲勞主要是來(lái)自于齒根部位置。第二次與第三次出現(xiàn)的掉塊特征同第一次相比，是相同的失效模式。

2.2 材質(zhì)分析

在進(jìn)行取樣故障件的過(guò)程中，全面分析了材料的化學(xué)成分，進(jìn)而保證分析結(jié)果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。在開(kāi)展齒面基體硬度檢查工作時(shí)，需要保證其結(jié)果滿足設(shè)計(jì)圖紙中的各項(xiàng)要求。在檢查齒面滲碳層時(shí)，需要其結(jié)果滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

2.3 強(qiáng)度分析

在航標(biāo)的方法支持下，對(duì)中心傳動(dòng)錐齒輪的疲勞程度與其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方法能夠在最大限度上接觸到齒面的應(yīng)力，并將其當(dāng)做判斷齒面抗點(diǎn)的重要依據(jù)。在此過(guò)程中，需要保證強(qiáng)度條件在合理的范圍內(nèi)，即疲勞程度的安全系數(shù)控制在接觸強(qiáng)度安全系數(shù)的最小范圍內(nèi)。彎曲疲勞強(qiáng)度借助其荷載的能力將其作為齒根應(yīng)力，再借助相應(yīng)系數(shù)的修定下得出齒根的應(yīng)力。在考慮綜合因素的情況下，將齒輪彎曲的疲勞極限修正后當(dāng)做齒根的應(yīng)力，例如應(yīng)用條件、要求以及尺寸等。

3 基于共振分析的傳動(dòng)系統(tǒng)危險(xiǎn)齒輪確定

該發(fā)動(dòng)機(jī)的附件傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪主要是有編號(hào)1001～1010號(hào)構(gòu)成，齒輪系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。該系統(tǒng)是在1006 號(hào)位置輸入，并將其分為上分支與下分支兩部分。

表1 齒輪系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)

3.1 等效有限元模型

根據(jù)10 個(gè)齒輪的齒數(shù)、額定轉(zhuǎn)速以及嚙合頻率來(lái)看，齒輪嚙齒直接影響著齒輪系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)的固有頻率，并伴有耦合振型，這種情況的出現(xiàn)會(huì)在很大程度上影響單齒輪的共振分析結(jié)果，導(dǎo)致其結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。為此，要構(gòu)建共振分析，得知有限元模型的分析情況，將單齒輪分析中確定危險(xiǎn)齒輪的不足進(jìn)行彌補(bǔ)。在構(gòu)建齒輪系統(tǒng)的過(guò)程中，主要是借助嚙合剛度開(kāi)展，進(jìn)而構(gòu)建等效有限元模型?；诘刃Ы７椒?，借助彈簧取替嚙合剛度，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)質(zhì)量單元來(lái)模擬齒輪的基本結(jié)構(gòu)，避免由于忽略齒輪而出現(xiàn)誤差的情況產(chǎn)生。通過(guò)計(jì)算結(jié)果得知，這種方法具有可行性，具有極強(qiáng)的通用性能，并能夠?qū)⒄`差控制在最低程度。

3.2 模態(tài)振型特性

基于ANSYS 計(jì)算齒輪系統(tǒng)中等效有限元模型，從中將模態(tài)振型得以提取。結(jié)合各個(gè)階段振型的特點(diǎn)，將齒輪系統(tǒng)分為兩部分，即上分支與下分支，其中包括節(jié)徑振動(dòng)、節(jié)圓振動(dòng)、伸展振動(dòng)、周波振動(dòng)等。在提取階次的影響下，未能列舉出全部振型。結(jié)合齒輪系統(tǒng)的激勵(lì)特性，分析以上各類(lèi)振型能夠被激起。通過(guò)1.2 節(jié)能夠得知，其上分支與下分支的嚙合激勵(lì)頻率區(qū)間具有顯著的區(qū)別，故此，在激勵(lì)不同區(qū)間與位置時(shí)，這類(lèi)振動(dòng)不會(huì)被激起。如果二者處于同一個(gè)分支的情況下，可以通過(guò)3 方面展開(kāi)探討：①如果振型為輪體軸向振動(dòng)時(shí)，齒輪不會(huì)出現(xiàn)軸向激勵(lì)力的狀態(tài)，不會(huì)被激起；②如果振型是輪體非軸向振動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)被激起；③如果振型是齒輪軸主導(dǎo)振動(dòng)時(shí)，只是在輸入或者輸出相應(yīng)的齒輪軸上，會(huì)出現(xiàn)被激起，其他情況下都不會(huì)出現(xiàn)被激起。

3.3 確認(rèn)共振模態(tài)

如果是在常用的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間存在共振時(shí)，系統(tǒng)很容易出現(xiàn)共振破壞的情況。由于齒輪具有相對(duì)密集的模態(tài)系統(tǒng)，借助共振分析具有一定的困難，但是結(jié)合表1 的具體數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況可以得知，附件機(jī)匣不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的激起模態(tài)。為此，可以通過(guò)主動(dòng)的方式來(lái)選擇運(yùn)行范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時(shí)，可能會(huì)激起模態(tài)振型，從而繪制共振轉(zhuǎn)速圖紙。在圖中主要是將1005 號(hào)齒輪作為主要的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。為能夠了解各個(gè)階段模態(tài)振動(dòng)的能量分布情況，確定工作轉(zhuǎn)速中可能存在的共振模態(tài)。

3.4 應(yīng)變能力分析法

依據(jù)齒輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速情況可以得知，小齒頻所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)位置主要是在第1 階，其階次為65。大齒的激勵(lì)線位置是在連續(xù)狀態(tài)以及巡航狀態(tài)下，主要有2 個(gè)共振點(diǎn)，其中所對(duì)應(yīng)的階次依次是150、155、175 以及178。在65 階時(shí)其應(yīng)變能力主要是在1007 號(hào)齒輪，150 與155 階的應(yīng)變能力主要是在1006 號(hào)齒輪上，在這3 階的危險(xiǎn)齒輪中的分析結(jié)果與單齒輪的分析結(jié)果具有一致性；在175與178 應(yīng)變能力在1004 號(hào)齒輪上，在借助單齒輪分析時(shí)，判斷1004 號(hào)為危險(xiǎn)齒輪，從中可以得知，在嚙齒的作用下，100 號(hào)的齒輪頻率會(huì)出現(xiàn)偏移的情況，導(dǎo)致共振破壞，并將其判定為危險(xiǎn)齒輪。

從上述分析得知，輪齒的嚙合會(huì)使齒輪出現(xiàn)耦合的情況，導(dǎo)致齒輪系統(tǒng)的特性變得更加復(fù)雜，在共振分析的支持下，能夠有效彌補(bǔ)以往單齒輪分析的不足，從而更加準(zhǔn)確地判斷出危險(xiǎn)齒輪，以此提升發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，齒輪的振動(dòng)方向在進(jìn)行判斷模態(tài)共振可能的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，并具有一定的指導(dǎo)意義。在激勵(lì)分析以及行波共振的作用下，能夠準(zhǔn)確地判斷出危險(xiǎn)齒輪。但是在耦合的作用下，如果只是單純地借助單齒輪共振分析并不能準(zhǔn)確地判斷出危險(xiǎn)齒輪，為此，借助共振分析，能夠彌補(bǔ)單齒輪共振中存在的不足，從而準(zhǔn)確地判斷出危險(xiǎn)齒輪。