黃春云，湯浩，劉依依，陳珊，李巍

中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司 貴州貴陽(yáng) 550014

1 序言

某機(jī)飛行中N2轉(zhuǎn)速指示為零，造成單發(fā)空停，飛機(jī)落地后隨即對(duì)該機(jī)滑油附件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)滑油附件和金屬屑沫信號(hào)器的油濾內(nèi)存在較多細(xì)小金屬屑，經(jīng)對(duì)金屬屑進(jìn)行能譜分析，確認(rèn)金屬屑屬低合金鋼，且有碳氮共滲層組織，因此懷疑有齒輪發(fā)生磨損。主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪[1]的材料牌號(hào)為12Cr2Ni4A鋼[2-4]，表面經(jīng)碳氮共滲處理[5]?，F(xiàn)場(chǎng)分解滑油附件N2轉(zhuǎn)速傳感器安裝座，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪存在嚴(yán)重磨損和部分輪齒斷裂故障。為了確定N2傳感器主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪失效性質(zhì)與原因，對(duì)其進(jìn)行了分析討論。

2 分析過程

2.1 外觀檢查

故障齒輪外觀形貌如圖1所示。從圖1可看出，主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪輪齒均存在大面積磨損，且從動(dòng)齒輪側(cè)壁可見周向磨痕。從動(dòng)齒輪38個(gè)齒中，有33個(gè)齒的齒頂發(fā)生了掉塊，大部分掉塊的斷口起伏較大且磨損嚴(yán)重，殘留的原始斷口上未見疲勞特征；少部分掉塊斷口平坦，斷面可見明顯的放射棱線和疲勞弧線，如圖2所示。齒頂未發(fā)生掉塊的5個(gè)齒磨損痕跡較為輕微。此外，在從動(dòng)齒輪的齒底，存在從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪嚙合的接觸痕跡。圖2中箭頭所指輪齒為疲勞斷齒，沿逆時(shí)針方向由靠近齒頂?shù)凝X面起源向齒根擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞弧線特征，且疲勞擴(kuò)展區(qū)所占面積較大，故判斷此輪齒為首斷齒。主動(dòng)齒輪上的24個(gè)齒輪齒頂磨損痕跡較為均勻，磨損深度約為0.5mm，齒底位置存在接觸嚙合痕跡。此外，主動(dòng)齒輪有5個(gè)齒根部發(fā)生斷裂，斷口凹凸不平且磨損嚴(yán)重，無法觀測(cè)斷口微觀形貌，如圖3所示。經(jīng)對(duì)從動(dòng)齒輪的軸端剖口進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)方形孔內(nèi)與銷軸配合面存在軸向擠壓磨損痕跡，如圖4所示。

圖1 故障齒輪宏觀形貌

圖2 從動(dòng)齒輪掉塊及磨損痕跡

圖3 主動(dòng)齒輪掉塊及磨損痕跡

圖4 方形孔內(nèi)部磨損痕跡

2.2 SEM分析

通過對(duì)比觀測(cè)，從動(dòng)齒輪首斷齒微觀形貌如圖5所示。從圖5可看出，在斷口上存在明顯的斷裂源區(qū)，擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)。由放射棱線及疲勞弧線收斂趨勢(shì)判斷，斷裂源區(qū)為短線源，位于齒輪表面，短線源說明疲勞起始應(yīng)力較大，微觀形貌如圖6所示；疲勞擴(kuò)展區(qū)磨損嚴(yán)重，局部可見疲勞弧線及細(xì)密的疲勞擴(kuò)展區(qū)磨損嚴(yán)重，局部可見疲勞弧線及細(xì)密的疲勞條帶，微觀形貌如圖7所示；瞬斷區(qū)面積占比較小，說明疲勞擴(kuò)展十分充分，擴(kuò)展應(yīng)力較小，該區(qū)位于滲層區(qū)域，斷口微觀形貌為沿晶斷裂，如圖8所示。從動(dòng)齒輪齒頂磨損痕跡及掉塊微觀形貌如圖9所示，在齒底可見與主動(dòng)齒輪的嚙合痕跡，如圖10、圖11所示。對(duì)源區(qū)進(jìn)行能譜分析，主要成分為基體元素，未見異常元素，見表1。

表1 從動(dòng)齒輪首斷齒疲勞源區(qū)能譜成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖5 從動(dòng)齒輪首斷齒斷口形貌特征

圖6 源區(qū)微觀形貌（135×）

圖7 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌（1000×）

圖8 瞬斷區(qū)微觀形貌（586×）

圖9 從動(dòng)齒輪磨損及掉塊微觀形貌（25×）

圖10 從動(dòng)齒輪齒底嚙合痕跡Ⅰ（102×）

圖11 從動(dòng)齒輪齒底嚙合痕跡Ⅱ(1000×)

主動(dòng)齒輪過載斷齒斷口的1/2區(qū)域?yàn)閲?yán)重?cái)D壓磨損痕跡，其余1/2區(qū)域?yàn)檫^載斷齒面，如圖12所示；過載斷齒面擴(kuò)展區(qū)微觀形貌為準(zhǔn)解理形貌，如圖13所示；其余輪齒均有擠壓磨損、過載崩落的類似形貌，較從動(dòng)齒輪損傷嚴(yán)重，如圖14所示；主動(dòng)齒輪輪齒底面可見與從動(dòng)齒輪輪齒頂面接觸磨平形貌，說明主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪在工作中配合不佳，如圖15所示。

圖12 主動(dòng)齒輪輪齒過載斷齒形貌（30×）

圖13 主動(dòng)齒輪擴(kuò)展區(qū)微觀形貌（2000×）

圖14 主動(dòng)齒輪輪齒擠壓磨損形貌（30×）

圖15 主動(dòng)齒輪輪齒底面微觀形貌（300×）

2.3 金相分析

分別從主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪輪齒上切取金相試樣，取樣位置如圖16所示。試樣經(jīng)磨制、拋光及腐蝕后觀察，主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪輪齒碳氮共滲層組織及厚度均勻，組織為少量殘留奧氏體＋隱針馬氏體，中心組織為回火馬氏體，組織符合企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；從動(dòng)齒輪碳氮共滲層深度為0.15～0.19mm，符合企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，主動(dòng)齒輪齒頂磨損嚴(yán)重，碳氮共滲化層不完整，無法評(píng)判原始碳氮共滲層厚度是否符合要求，故不做評(píng)定，如圖17～圖20所示。對(duì)從動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪試樣進(jìn)行中心顯微硬度（載荷2.94N）檢測(cè)，平均顯微硬度分別為436HV、417HV，見表2。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試載荷為60kg（588N）時(shí)，硬度為66～71.5HRA（319～410HV）。分析認(rèn)為，由于齒輪磨損、擠壓較為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致硬度稍許偏高。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果 （HV0.3）

圖16 金相試樣取樣

圖17 從動(dòng)齒輪輪齒碳氮共滲層組織形貌

圖18 從動(dòng)齒輪輪齒中心組織形貌

圖19 主動(dòng)齒輪輪齒碳氮共滲層組織形貌

圖20 主動(dòng)齒輪輪齒中心組織形貌

3 分析討論

以上檢測(cè)表明，N2傳感器主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪未見材質(zhì)缺陷，滲層組織及中心組織符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此可以判定，2件齒輪掉塊原因與材質(zhì)無關(guān)。N2傳感器主動(dòng)齒輪相對(duì)從動(dòng)齒輪直徑小，齒輪數(shù)量少，因此受力頻率和轉(zhuǎn)速要高于從動(dòng)齒輪。主動(dòng)齒輪的斷齒從根部斷裂，斷口凹凸不平磨損嚴(yán)重，未磨損區(qū)微觀形貌為準(zhǔn)解理特征。從動(dòng)齒輪斷口可分為兩類：一類斷口磨損較為輕微，可見明顯的疲勞源區(qū)，疲勞擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，其中疲勞源區(qū)位于齒輪表面，為線源；疲勞擴(kuò)展充分，可見明顯的疲勞弧線及細(xì)密的疲勞條帶；瞬斷區(qū)占比較小，微觀形貌為沿晶特征。另一類磨損較為嚴(yán)重，未見斷口微觀形貌。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，分析認(rèn)為該發(fā)動(dòng)機(jī)的N2傳感器齒輪失效性質(zhì)為疲勞。通過復(fù)查，裝配流程均符合操作要求。齒輪軸與軸承內(nèi)鋼套、外鋼套表面以及轉(zhuǎn)速表傳動(dòng)殼體內(nèi)側(cè)等均存在不同程度磨損痕跡，這些磨損痕跡間接說明齒輪在工作過程中出現(xiàn)異常，造成齒面不正常嚙合，產(chǎn)生接觸疲勞剝落。當(dāng)接觸疲勞產(chǎn)生后，剝落的金屬顆粒加劇了齒間的磨損，會(huì)進(jìn)一步惡化工作環(huán)境，節(jié)圓工作面的剝落坑作為齒面的受力點(diǎn)，同時(shí)也是裂紋萌生的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋萌生后，在綜合應(yīng)力（滾動(dòng)、滑動(dòng)、彎曲應(yīng)力及振動(dòng)應(yīng)力等）的作用下沿工作面垂直方向擴(kuò)展至終斷，齒輪受力及斷裂情況如圖21所示。另外，由于輪齒在載荷作用下，最大的彎曲應(yīng)力在齒根處，且在齒根部位過渡的轉(zhuǎn)接R處有較大的應(yīng)力集中，所以齒根R位置成為齒輪裂紋起源的薄弱環(huán)節(jié)；由于齒輪在嚙合時(shí)受力，脫開時(shí)不受力，故輪齒上的彎曲應(yīng)力為脈動(dòng)應(yīng)力；在較高的彎曲應(yīng)力反復(fù)作用下，齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展至整個(gè)輪齒斷裂，該故障主動(dòng)齒輪的斷裂齒均屬這種斷裂模式。對(duì)于主動(dòng)齒輪來說，齒根優(yōu)先于齒面起裂，說明其應(yīng)力集中水平相比齒面疲勞剝落坑處較大，反之從齒面剝落位置優(yōu)先起裂，如從動(dòng)齒輪的斷裂。

圖21 齒輪受力及斷裂示意

4 結(jié)束語(yǔ)

1）送檢N2傳感器主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪的材料與熱處理指標(biāo)符合技術(shù)要求。

2）主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪發(fā)生故障的原因?yàn)橐蚺浜袭惓６鴮?dǎo)致的疲勞斷裂及磨損。