某型航空发动机中央传动系统失效机理分析.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n质量与检修某型航空发动机中央传动系统失效机理分析谭巍,赵凯,赵云峰(海军航空大学,山东 烟台 ,中国人民解放军 部队,海南 三亚 )摘要:针对某型直升机发动机空中停车的特情,通过分析故障发动机基本情况,对发动机开展现场检查和返厂检查,排除其它因素后,确定故障部件为中央传动系统.基于中央传动系统的结构特点,对各故障部件开展外观观察、体视镜观察和微观观察,结合关键零部件的材质检查结果,分别从电机轴、从动锥齿轮、主动锥齿轮、轴流压气机转子锁片、轴流压气机前轴承等多个部件来确定失效的过程,分析部件失效机理,对同类型发动机特情排故具有一定的参考意义.关键词:传动系统;疲劳断裂;失效分析中图分类号:TH ;V 文献标识码:A文章编号:X()F a i l u r eA n a l y s i so fC e n t r a lT r a n s m i s s i o nS y s t e mf o ra nA e r o e n g i n eT a nW e i,Z h a oK a i,Z h a oY u n f e n g(N a v a lA e r o n a u t i c a lU n i v e r s i t y,Y a n t a i ,C h i n a;T h eN o t hT r o o p so fP L A,S a n y a ,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h es p e c i a l s i t u a t i o no f ac e r t a i nt y p eo f t h ee n g i n eo fh e l i c o p t e rp a r k i n gi nt h ea i r,t h eo n s i t e i n s p e c t i o na n dr e t u r n i n s p e c t i o na r ec a r r i e do u t T h e f a u l tp a r t i sd e t e r m i n e dt ob et h ec e n t r a l t r a n s m i s s i o ns y s t e ma f t e ra n a l y z i n gt h eb a s i cs i t u a t i o no f t h e f a u l t ye n g i n e B a s e do nt h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so f t h ec e n t r a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m,t h e a p p e a r a n c eo b s e r v a t i o n,s t e r e o s c o p i c o b s e r v a t i o na n dm i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o no ft h e f a u l t yc o m p o n e n t sa r ec a r r i e do u t C o m b i n e dw i t ht h em a t e r i a l i n s p e c t i o nr e s u l t so f f a u l tp a r t s,t h ef a i l u r ep r o c e s s i sd e t e r m i n e df r o m m u l t i p l ec o m p o n e n t ss u c ha s t h em o t o rs h a f t,d r i v e nb e v e l g e a r,d r i v i n gb e v e lg e a r,a x i a l f l o wc o m p r e s s o r r o t o r l o c kp i e c e,a n da x i a l f l o wc o m p r e s s o rf r o n tb e a r i n g,t h ef a i l u r em e c h a n i s mi sa n a l y z e d,w h i c hh a sac e r t a i nr e f e r e n c es i g n i f i c a n c e f o r t h e t r o u b l e s h o o t i n go f t h es a m e t y p eo f s p e c i a l s i t u a t i o n K e yw o r d s:T r a n s m i s s i o ns y s t e m;F a t i g u e f r a c t u r e;F a i l u r ea n a l y s i s作者简介:谭巍(),男,湖北天门人,海军航空大学航空动力装置教研室讲师,从事航空发动机教学与研究.在航空发动机中,传动系统带动发动机附件和飞机附件工作,是航空发动机的关键系统,其工作情况直接决定整机的运行状态和可靠性 .作为一种齿轮耦合转子系统,传动系统结构复杂,工作环境恶劣,工作中极易出现失效故障.某型直升机在执行飞行着科目时,飞行员听到吱吱声,返场途中一台发动机发生转速跳变,随后空中停车.故障现象返厂后对发动机进行分解检查,发现主要故障件集中在发动机前部的中央传动机构,具体的故障件清单如表所示.表发动机故障件清单序号名称损伤情况组合轴细颈处断裂主动零度螺旋伞齿轮不同程度断齿上传主动锥齿轮局部变色从动零度螺旋锥齿轮轴颈靠轮盘根部处断裂下传主动锥齿轮齿面有磨痕半圆连环锁片爪断裂脱落轴流压气机前轴承滚珠及内外跑道磨损,保持架断裂轴承座凸爪磨损轴流压气机转子叶片与进气机匣有刮磨痕迹,锁片损伤分别取滑油箱、磁性螺堵、滑油散热器和下传放油堵四处滑油进行光谱分析,结果均在正常范围内.整机分解未发现异物进入,各处收集的金属屑等材料成分经理化分析,与发动机内部故障零部件材料相吻合.中央传动系统结构特点本发动机为自由涡轮轴发动机,燃气发生器轴与自由涡轮轴是完全分开.前传动结构安装在发动机前部,整个图前传动结构传动关系示意图前传动系统包括上传动机构、中央传动机构、下传附件传动机构以及进气机匣、下传壳体等,它们组合在一起为发动机提供前安装支点,为滑油箱、防冰整流罩、起动发动机、燃调、滑油泵、转速表以及外部管路等提供安装接口.压气机为一级轴流压气机和一级离心压气机.发动机存在故障的中央传动机构,是发动机前传动结构的一部分.前传动结构传动关系如图所示.发动机起动时,起动发电机通过起动传动链带动发动机燃气发生器转动以及下传附件工作.发动机正常工作时,燃气发生器转子通过压气机轴前端的主动伞齿轮带动中央传动机构工作,带动上传机构驱动起动发动机发电,年第 期同时带动下传机构带动附件正常工作.失效机理分析对故障件集中的中央传动机构等零件进行外观观察、体视镜观察和微观观察,结合关键零件的材质检查结果和系统工作原理,分析中央传动失效过程和机理.电机轴电机轴从工作段小径位置发生断裂,断面较粗糙,宏观上大部分区域磨损较严重,局部可观察到较宽的疲劳条带特征,断裂区略偏离中心,微观为等轴韧窝.疲劳条带特征形貌如图所示,传动轴断口等轴韧窝图所示.图传动轴断口疲劳形貌图传动轴断口瞬断区韧窝 从动锥齿轮从动锥齿轮分上、下两个.下从动锥齿轮从轴颈轮盘根部断裂(见图).经分析源区可见多个平坦区和粗大疲劳台阶,往内腔方向扩展,宏观可见从上下两侧往心部扩展的弧线特征,断面磨损较重,在扩展区后期微观可见对应方向的疲劳条带,当裂纹穿透壁厚后沿周向往两拆卸孔附近交汇,拆卸孔附近断面粗糙,微观为韧窝特征.经分析判断,下从动零度螺旋锥齿轮轮盘根部断裂性质为大应力弯扭疲劳断裂.在轮盘轴颈侧两拆卸孔边各存在条周向裂纹,裂纹长度见表,所有裂纹均位于靠近腹板凸台与腹板间的R转角并沿周向扩展,在拆卸孔内裂纹方向与腹板表面呈约 左右偏向轴颈侧扩展.表下从动零度螺旋锥齿轮拆卸孔处裂纹尺寸裂纹位置表面裂纹长度(mm)表面裂纹方向孔内裂纹方向裂纹 裂纹 裂纹 裂纹 均位于靠近腹 板凸台与腹板间的R转角并沿周向扩展与 腹 板 表 面 呈 约 左右偏向轴颈侧扩展将下从动零度螺旋锥齿轮拆卸孔 和 裂纹打开,并对裂纹断口进行宏微观观察,个断口宏微观形貌类似(如图所示).拆卸孔裂纹均从轴颈侧转角处呈小线源起源,裂纹往周向和孔内偏向轴颈方向扩展,断面平坦,宏观可见疲劳弧线,微观断面磨损较重,在裂纹扩展后期可见细密疲劳条带特征.从断口宏微观特征判断,下从动零度螺旋锥齿轮拆卸孔裂纹性质相同,均为高周疲劳开裂.下从动零度螺旋锥齿轮齿顶和小端面周向磨损程度基本一致,小端面磨损与圆螺母和锁圈磨损存在对应性.下从动零度螺旋锥齿轮内花键接触较均匀,未见明显损伤;与从动零度螺旋锥齿轮配合的轴承运转灵活.上从动锥齿轮与下从动齿轮断裂位置、起源方式、扩展方式、瞬断区位置等宏微观特征相同.上从动零度螺旋伞齿轮齿顶磨损和小端面磨损形貌及齿轮断口附近轴颈表面磨损痕迹形貌也与下从动零度螺旋锥齿轮基本一致.断口扩展区微观特征如图所示.图下从动锥齿轮轮盘根部断裂宏观形貌图上从动锥齿轮轮盘根部断口扩展区微观形貌对上从动锥齿轮进行组织和硬度检查,均符合技术条件要求.主动锥齿轮主动锥齿轮小端圆周呈现明显的偏磨特征,上侧磨损最重、下侧磨损最轻,磨损较重一侧基本接近齿根.小端轮齿磨损严重处可见齿底干涉现象,且干涉起始位置距端面约 m m,干涉损伤从起始位置往大端方向逐渐减轻.齿面凸面、凹面挤压磨损均比较严重,表面存在挤压变形、凹坑等特征.在偏磨严重区域,可见个轮齿从接近齿底位置断裂,断口整体均粗糙,且磨损严重,其中一断口局部区域可见疲劳特征,其他可见区域则为韧窝特征(如图所示),另一断口可见韧窝特征.有个轮齿断裂位置略高,断口整体磨损较严重,局部可见断裂特征,断口宏观可见弧线特征,局部微观可见条带特征.在磨损较轻区域,轮齿两侧(凸面和凹面)均磨损较轻,表面可见原始加工痕迹,未见明显的挤压变形、剥落等特征,具体如图所示.图断口局部微观特征内燃机与配件w w w n r j p j c n图磨损较轻齿面形貌主动椎齿轮内花键表面接触痕迹,靠压气机侧花键表面均可见两条接触带,接触带较窄,大部分花键接触带长度约为花键长度的/;花键两侧工作面未见明显的挤压变形等异常损伤特征.轴流压气机转子锁片轴流压气机转子个锁片中个发生断裂,断口呈灰色,均从锁片弯折内侧(螺母安装侧)线性起源,往壁厚方向疲劳扩展,微观可见细密疲劳条带,扩展面积约占断口面积的 .但至锁片断口有一定差异,图断裂锁片宏观断口较平坦细腻,疲劳断口面 积 整 个 断 口 面 积 应 超 过,微观呈多个小线源;断口较粗糙,裂纹源区为大线源,断 口 上 可 见 粗 大 疲 劳 台阶,疲劳区面积在 左右;其他断口介于和之间.如图、图所示.图断裂锁片外观经分析判断,轴流压气机转子锁片断裂性质同模,均为大应力高周疲劳断裂,锁片首先开裂,分析认为锁片断裂为受到异常振动所致.轴流压气机前轴承轴流压 气 机 前 轴 承 内 环 滚 道 表 面 剥 落 面 积 大 于,滚道挡边边缘可见明显的挤压飞边变形和小尺寸掉块.在微观观察时,剥落坑可见疲劳弧线和条带特征,滚道大部分区域剥落坑均沿周向疲劳扩展.对滚道表面进行能谱分析,未见异常元素.前轴承外环外径面未见异常磨损特征,在压气机侧挡边区域可见整圈滚道挤压剥落形貌,在两侧挡边边缘均可见挤压飞边和小尺寸掉块.金相观察结果表明,外环磨损较重区域滚道挡边边缘可见挤压变形流线和飞边及开裂现象,该侧滚道表面较浅深度范围可见变形层和开裂形貌,心部组织均为淬火马氏体,碳化物分布均匀.外环滚道中部金相形貌如图 所示.粒滚珠中粒表面可见大量的疲劳剥落坑,坑内宏观可见疲劳弧线和挤压磨损特征.截取滚珠金相试样,可知滚珠表面环带位置存在剧烈摩擦产生的烧伤层和表面微裂纹,见图 所示.保持架从横梁和侧梁断裂成块,均从内径面与兜孔图 外环滚道中部金相形貌图 滚珠表面烧伤层和微裂纹相交的尖角起源,可见较多疲劳弧线,向外径面和端面疲劳扩展,裂纹扩展较稳定,扩展区面积较大;微观可见细密疲劳条带特征.此外,组合轴、上、下从动零度螺旋锥齿轮、主动零度螺旋伞齿轮、轴流压气机前轴承内圈、外圈、滚珠、保持架,锁片等材料组织、硬度均符合技术条件要求.经上述 分析可确定:组合轴失效原因为大应力扭转疲劳,并承受了一定的弯矩;两从动零度螺旋锥齿轮失效原因均为受到异常弯矩所致的大应力弯扭疲劳断裂;主动零度螺旋伞齿轮存在严重偏磨,断齿为大应力疲劳断裂;轴流压气机前轴承内环和滚珠剥落性质均为大应力疲劳剥落,其失效与受到异常大应力和轴向载荷作用有关;轴流压气机转子锁片和前轴承保持架为大应力高周疲劳断裂.结论和建议基于返厂各故障件的多种观察分析结果,结合关键零件的材质检查结果,确定了各故障件为受害件,断裂机理为疲劳失效,可综合质量、工艺、设计方面的复查结果,认定疲劳断 裂 来 源,后 续 在 发 动 机 的 使 用 中 应 加 强 振 动监测.参考文献:张栋,钟培道,陶春虎,等失效分析M北京:国防工业出版社,周志澜,马纯民航空发动机主轴轴承失效分析与预防M北京:科学出版社,陶春虎,钟培道,王仁智等航空发动机转动部件的失效与预防M北京:国防工业出版社,杨昌祺,蔚夺魁,张茂强,等航空发动机中央传动失效故障分析J航空发动机 ,():张再德航空发动机高速附件传动系统研究和设计D南京航空航天大学 ,杨荣,常春江,魏文山等某型发动机附件机匣中心传动从动 锥 齿 轮 断 裂 故 障 分 析 J航 空 发 动 机 ,():王勇防止发动机轴承失效的预防性措施J航空维修与工程 ():陈宇,郦敏洁航空发动机轴承失效分析J轴承 ():