中国航发哈尔滨东安发动机有限公司
一、绪论
航空飞行器的动力装置--航空发动机是航空飞行器性能的决定因素之一，被誉为飞机的心脏。其附件机匣齿轮传动系统是航空发动机的关键构件，作为动能转换装置，带动发动机和飞机的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件的正常运转，其性能的好坏直接影响着航空发动机的运行；其重要性已超越传统"附件"的意义，成为航空发动机技术发展的六大部分之一。
随着航空发动机性能指标的不断提高、机载附件的不断增加，附件机匣的转速和输入功率也愈来愈大；同时，航空齿轮不断追求薄壁结构的轻薄化设计，这就对附件机匣的齿轮传动系统的零件设计、加工制造、实验技术等提出了越来越高的要求。然而，长期工程实践表面，航空齿轮传动系统不仅研制难度大，故障率也相当高，由传动齿轮失效带来的故障率尤其高。齿轮失效带来的一系列问题严重影响着发动机的工作性能，一定程度上制约着我国航空发动机技术的发展。
二、附件机匣传动齿轮主要失效形式
航空发动机齿轮传动系统故障形式，随齿轮传动系统结构和工况的不同而表现各异。长期的工程实践中发现，附件机匣传动齿轮常见的故障形式主要有：轮齿折断、接触疲劳破坏、齿面胶合。这三种失效概述如下：
2.1 轮齿折断
轮齿折断是指齿轮的一个或多个齿的整体或局部的断裂。轮齿折断包括过载折断、轮齿剪断、塑性变形和疲劳折断。轮齿的折断通常发生在齿根部，这是由于轮齿受力恰似悬臂梁的受力情况，齿根部的弯曲应力最大且为变应力，同时在齿根部还存在应力集中，因而在轮齿根部易产生疲劳裂纹。直齿轮的齿根裂纹往往沿齿宽横向扩展，形成全齿宽折断；斜齿轮的轮齿由于接触线倾斜，齿根裂纹沿斜线向齿顶方向扩展而形成局部折断，如图1a）所示。
2.2 接触疲劳破坏
接触疲劳是零件的接触表面在接触应力的反复长期作用后所引起的一种表面材料去除的损坏现象，是一种兼有磨损与疲劳的力学行为，常发生在齿轮、轴承、钢轨、凸轮等零部件中，具有很大的危害性。大致可分为点蚀、剥落、表层压碎。点蚀是比较常见的接触疲劳失效形式，节线附近靠近齿根部分的表面上最容易出现点蚀。其表面形貌为出现大量的小麻点，磨痕非常浅且麻点都分布在接触磨痕的宽度之内，如图1b）所示。
2.3 齿面胶合
齿面胶合是指在高速重载的齿轮传动中，由于齿面压力大、相对滑动速度高、摩擦发热而产生局部瞬时高温，如散热条件不好，润滑油的油膜被破坏，齿面金属直接接触发生瞬时点焊（粘着）；此时，相啮合的齿面在做相对运动，引起较软齿面上的部分接触面材料沿啮合齿面相对滑动方向被撕破或起沟。胶合失效一般开始时是擦伤，擦伤是在齿面上产生划痕，不产生金属的转移。而后，齿间的油膜破裂，齿间的产生局部高温，相接触的金属瞬时熔焊在一起，部分金属迅速转移，产生胶合，如图1c）所示。
三、航空传动齿轮轴失效分析
某型号航空发动机附件机匣在外场使用过程中，频繁出现滑油光谱超标，主要为附件机匣重载侧齿轮轴异常磨损，轴承衬套磨损导致，该附件机匣传动齿轮的异常磨损问题已严重影响了附件机匣的使用性能。
从故障机匣齿轮齿面的磨损现象来看，失效齿轮齿面呈现沿滑动方向的粘附撕伤沟痕；且全工作齿面，特别是啮入、啮出冲击较大的两齿啮合区（即齿顶、齿根部分）的材料移失、转移较为严重，而相对滑动速度为零的节圆附近加工痕迹明显，则说明该齿轮失效形式为破坏性胶合失效。针对胶合失效特性及失效齿轮金相组织特征，主要从控形和改性两方面提出了主要的影响因素：
1）齿轮的设计参数
相啮合齿轮的滑动率差值对齿面胶合有很大影响，滑动率差值大，抗胶合能力就差。一对相啮合的齿轮如果滑动率相差较大，啮入和啮出时出现非渐开线干涉，其滑动率差值便成为影响胶合的主要因素。因此，需要采用变位的方法以减小相啮合齿轮滑动率差值，使啮合齿在开始接触时主动轮齿根处的滑动系数与接触终了时从动轮齿根处的滑动系数趋于相等，从而减小轮齿间的最大滑动系数；并对重合度、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、抗胶合承载能力对比分析，以验证齿轮副抗胶合承载能力的改善情况。
2）齿面强化处理方式
齿轮轴材料12Cr2Ni4A钢渗碳处理对温度较为敏感，当工作温度高于125℃时，渗碳层中组织发生改变，拉伸强度降低，故本文提出碳氮共渗热处理方式，以提高金属材料的回火抗力。碳氮共渗是将工件放在能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时渗入碳和氮原子的化学热处理工艺。碳氮共渗层较渗碳层具有较高的耐磨性、抗胶合性能。
四、齿轮轴强度计算
更换齿轮材料后，按附件机匣最大极限载荷，100%工作转速，对高速重载齿轮进行强度校核计算，结果见表1～3，各齿轮接触疲劳强度和弯曲疲劳强度均提高，满足航标失效概率要求。
若仅更换齿轮材料，齿轮参数及齿轮轴结构尺寸不变，相当于体积未改变，与振动分析相关的主要参数见下表3，可以看出，因两者均为结构钢，表中各项数据差别不大，更换齿轮材料后，齿轮轴的固有频率变化较小，附件机匣的振动影响较小。
第五章 结论
通过齿轮轴强度计算，可以看出在保证齿轮参数及齿轮轴结构尺寸不变的情况下，将齿轮轴材料由渗碳钢12Cr2Ni4A更换为高强度钢16Cr3NiWMoVNbE，齿轮轴的齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度及抗胶合能力均得到了提高，可以解决附件机匣工作过程中出现齿面磨损问题。
目前，16Cr3NiWMoVNbE已在多个型号的附件机匣和飞机附件机匣上应用，工作状态均良好。因此后续研究对某型号航空发动机附件机匣齿轮轴材料进行改进，将有效改善附件机匣外场使用过程中出现的齿轮轴齿面磨损问题，保证附件机匣使用性能要求。
参考文献
[1] 杨语.航空发动机附件机匣传动齿轮失效分析研究[D].重庆：重庆大学,2016(5).
[2] HB/Z 84.1-1984 航空渐开线圆柱齿轮承载能力一般系数计算.
论文作者:吴琼
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/13
标签：齿轮论文; 轮齿论文; 齿根论文; 附件论文; 疲劳论文; 强度论文; 磨损论文; 《中国西部科技》2019年第1期论文;