蔣 聰，熊 欣，劉 冕

(中國航空工業(yè)集團公司 金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210006)

0 引言

某型航空發(fā)動機超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動機的減速齒輪系由兩級減速齒輪組成，其中主動齒輪和雙聯(lián)齒輪將渦輪高轉(zhuǎn)速的機械能傳遞到離合器直至帶轉(zhuǎn)輸出軸，轉(zhuǎn)化為較大扭矩的動力輸出，帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn)。該型空氣渦輪起動機在使用后的分解檢查中發(fā)現(xiàn)主動齒輪齒面局部剝落，剝落碎屑在采用獨立潤滑形式的起動機中可能引起內(nèi)部卡滯、主軸斷裂等嚴重故障。為此，本文針對該主動齒輪齒面剝落原因進行分析和研究。

1 理化檢查

齒面剝落部位位于該主動齒輪工作齒面一側(cè)齒形中上部，如圖1所示。剝落位置沿齒向方向靠近嚙合長度邊界約2.5 mm，剝落尺寸大小約2 mm×4 mm，剝落坑附近嚙合處為塑性變形形貌[1]，如圖2所示。

圖1 齒面剝落位置 圖2 切塊取樣后外觀形貌 圖3 齒面剝落位置微觀形貌

對該主動齒輪進行了磁力探傷，除剝落區(qū)域外，未見其他裂紋缺陷。通過掃描電鏡觀察，剝落處呈層片狀形貌(如圖3所示)，剝落性質(zhì)為接觸疲勞剝落。

2 故障分析

2.1 原因分析

根據(jù)空氣渦輪起動機的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合理化分析結(jié)論，從設(shè)計、使用、制造和裝配等方面開展齒面接觸疲勞剝落故障的分析工作，列出了可能導(dǎo)致該故障的故障樹，如圖4所示。

圖4 齒面剝落問題故障樹

2.2 原因定位

該主動齒輪的材料為25Cr3MoA，對材料進行復(fù)驗，結(jié)果見表1，符合材料要求。

表1 主動齒輪材料化驗結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))

此次故障的起動機涉及的4種齒輪強度校核合格，計算結(jié)果見表2。出現(xiàn)剝落問題相關(guān)的主動齒輪計算接觸強度安全系數(shù)居中，而該起動機其他齒輪均未出現(xiàn)齒面異常，因此齒輪設(shè)計選材無問題。

表2 齒輪強度校核結(jié)果

對主動齒輪解剖進行金相分析，滲層及心部組織性質(zhì)未見異常，滲層較為均勻，實測滲層深度符合圖樣要求0.15 mm～0.35 mm，因此不存在滲層和心部組織不合格的情況。

當起動機使用過程存在高于使用引氣上限的沖擊載荷時，也會造成齒輪因超負荷發(fā)生齒面損傷，進而在使用過程中擴展為齒面剝落。經(jīng)查該起動機出廠后隨發(fā)動機裝機試飛，除隨發(fā)動機出廠前試驗以及裝機使用外，無其他使用工況，使用期間未經(jīng)歷異常沖擊載荷，可以排除異常沖擊載荷的情況。

若齒輪齒面在嚙合過程中夾雜了外來異物，可能在嚙合面形成壓痕，并隨起動機繼續(xù)使用而擴展為剝落形貌。該起動機分解檢查未發(fā)現(xiàn)外來異物，且與該主動齒輪對磨的雙聯(lián)齒輪大齒輪齒面未見異常損傷情況，同時主動齒輪工作表面經(jīng)外觀檢查和測量比對，粗糙度符合Ra0.4要求，可以排除嚙合處存在外來異物和工作齒面粗糙的情況。

對內(nèi)部滑油進行了雜質(zhì)檢查以及光譜分析，結(jié)果見表3。正常工作起動機的滑油光譜分析結(jié)果Fe含量一般不超過100×10-6，可見光譜分析無異常，可以排除潤滑不良的情況。

表3 滑油光譜分析結(jié)果

進一步解剖該主動齒輪，實測該齒輪中心硬度320 HV～335 HV，符合技術(shù)要求，但齒面硬度在不同位置實測480 HV～730 HV不等，低于齒面硬度不小于800 HV的要求，且存在明顯硬度分布不均，結(jié)果表明該主動齒輪存在硬度不合格且硬度分布不均勻的情況。

對零組件進行微分計量，結(jié)果顯示主動齒輪兩端面對中心孔軸線垂直度實測分別為0.019和0.023，超出復(fù)測要求上限值的0.012，如圖5所示，因此該主動齒輪存在工作中出現(xiàn)偏載的情況。

圖5 主動齒輪端面形位公差要求

綜上分析，本次齒面剝落問題定位于該主動齒輪存在工作齒面硬度偏低[2]且不均勻性顯著，齒輪端面垂直度超差。

3 機理分析

齒面滲氮高硬度區(qū)存在硬度不合格且分布不均勻的情況，使得該齒輪相對于其配合齒輪工作表面承載和耐磨損性能不足，在帶轉(zhuǎn)發(fā)動機的起動模式工作反復(fù)嚙合，在硬度偏低的區(qū)域首先產(chǎn)生剝落損傷。經(jīng)深度排查，導(dǎo)致該硬度不合格的原因是主動齒輪氮化前采用手工操作涂料保護不當、烘箱清潔度差，對齒面產(chǎn)生了污染，導(dǎo)致氮化后齒面硬度偏低且不均勻。此外，靠磨端面加工時，零件與錐度心軸存在微動現(xiàn)象，導(dǎo)致該主動齒輪的平行度及垂直度超差，增加了齒輪齒向與工作旋轉(zhuǎn)軸線交叉程度，從而加重了齒輪工作時齒面受載不均的情況，造成個別輪齒局部位置承受載荷進一步加大[3]。與上述齒面硬度偏低的不合格情況相疊加，加劇了此次主動齒輪的齒面剝落損傷程度。

4 改進措施

齒輪在爐內(nèi)氮化時，被污染的齒面若存在污漬等附著物，會阻礙氮原子的滲入，從而導(dǎo)致氮化后滲層深度偏淺，表面硬度低。為了有效地防止該情況的發(fā)生，制定如下措施：①非滲氮表面涂抹保護涂料時避免裸手操作，防止齒面受到油料或其他污物的二次污染；②涂料烘干采用專用設(shè)備，避免100 ℃以上使用時的油煙揮發(fā)，油煙產(chǎn)生后會附著在零件表面，導(dǎo)致齒面被嚴重污染，影響后續(xù)滲氮工序。

5 結(jié)語

齒面剝落故障是空氣渦輪起動機常見故障之一，本文通過對剝落情況進行理化檢查和分析，確定其失效模式，并對可能導(dǎo)致該故障的各個因素進行了排查，得出引起該故障的深層次原因，且制定了有效的改進措施，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計和加工制造提供了依據(jù)。