航空發(fā)動機主滑油泵齒輪軸斷裂分析

屈 鵬

(海軍裝備部，西安710021)

0 引言

在航空發(fā)動機滑油泵的使用過程中，不合格滑油泵通常分為以下幾類［1］:1)流量不合格。流量不合格包括在某轉速下流量不合格和在各轉速下流量均不合格。2)間隙(凸臺間隙、徑向間隙、端面間隙)不合格。間隙過大，滑油泵的流量值將降低;間隙過小，滑油泵在工作過程中將會磨損殼體，導致鋁含量超標，影響滑油系統(tǒng)清潔度。3)齒輪刮削殼體腔槽壁。而航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)因外來物使得從動軸與襯套磨損咬死卡滯，并導致主動軸斷裂是較為少見的故障。

磨損、腐蝕和斷裂是材料失效的3種主要形式，據(jù)統(tǒng)計磨損失效約占70% ～80%［6］。英美等國對各國摩擦學統(tǒng)計調查結果表明:由于磨損失效造成的損失約1 000億美元，約占到國民生產(chǎn)總值的2%，而且可以直接導致災難性后果，如機毀人亡［5-10］。開展磨損失效機理、失效分析和預防技術研究，不僅可豐富摩擦學理論，且有重大經(jīng)濟價值［6-8］。

某航空發(fā)動機主滑油泵在外場使用中發(fā)生多起主滑油泵主動齒輪軸斷裂故障，使用時間77～500 h不等。其中主滑油泵的主動、從動齒輪軸材料牌號為16CrNi4MoA，襯套材料牌號為ZQSn10－1。從動軸與襯套設計間隙為0.2 mm。

通過從動軸與襯套表面摩擦痕跡分析、能譜成分分析、主動齒輪軸斷口分析，確定主動齒輪軸的斷裂模式及從動軸與襯套的磨損性質，分析從動軸與襯套磨損咬死并導致主動軸斷裂的原因。在此基礎上，提出改進措施，以有效預防主滑油泵齒輪軸斷裂故障的再次發(fā)生。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

分解檢查發(fā)現(xiàn)，主滑油泵從動齒輪軸和襯套咬死，主動齒輪軸斷裂。主動齒輪軸從花鍵部位斷裂，斷口新鮮、平齊，有較重摩擦痕跡，花鍵局部扭轉了45°。

從動齒輪軸與襯套咬死(圖1)，剖開襯套后觀察:從動齒輪軸外表面可見周向不均勻摩擦痕跡，從動軸咬死部位表面摩擦較重，有2條寬約10 mm的周向摩擦帶，顏色略深，呈灰黑色。相對應的襯套內表面亦可見較重摩擦痕跡，尤其是中段有寬約8 mm的深黑色摩擦帶，同時2個油孔對應部位可見兩處與孔徑相當?shù)膱A形斑點，略帶凸起，斑點1凸起明顯，呈黑色，斑點2不明顯，有很小附著物。

圖1 從動齒輪軸及襯套表面摩擦痕跡Fig.1 Surface friction trace of the driven gear shaft and bushing

1.2 主動齒輪軸斷口分析

利用FEI公司Quanta400掃描電鏡對主動齒輪軸斷口形貌進行微觀觀察。整個斷口平齊，摩擦較重，大部分區(qū)域為摩擦痕跡形貌，局部為剪切韌窩，見圖2和圖3，斷口未見夾雜等材質缺陷，屬扭轉過載斷裂。

1.3 襯套內表面磨損形貌觀察

圖4為襯套內表面的磨損形貌，內壁摩擦嚴重的黑色條帶內溝痕遍布，伴有金屬轉移，主要表現(xiàn)為周向摩擦切削溝痕，金屬堆擠、碾壓、抹平、剝落特征，局部區(qū)域顯示熔化特征，這表明在故障發(fā)生過程中銅套表面經(jīng)歷了高溫(圖5～圖8)。摩擦黑色條帶內能譜分析結果見表1，結果表明，該區(qū)域局部存在Fe元素，這是襯套與從動軸摩擦導致金屬轉移的結果。

摩擦較輕部位可見較深的切削溝痕及較多嵌入襯套內壁的異質顆粒，尺寸約20 μm，有破碎(圖9)，這些顆粒沿著襯套內壁切削形成溝痕，嵌入較軟的襯套表面，被涂抹的金屬局部覆蓋。

圖2 主動齒輪軸斷口低倍形貌Fig.2 Fracture of the driving gear shaft

圖3 斷口的摩擦痕跡及剪切韌窩Fig.3 Friction trace and shearing dimples at the fracture

圖4 襯套內壁摩擦形貌Fig.4 Friction trace at the inner wall of bushing

圖5 襯套內壁摩擦溝痕Fig.5 Friction groove at the inner wall of bushing

圖6 襯套內壁金屬轉移和涂抹Fig.6 Transferring and coating of metal of bushing

圖7 襯套內壁局部熔化特征Fig.7 Local melting on the inner wall of bushing

圖9為油孔對應部位的斑點1形貌。放大觀察，斑點1表面有黑色附著物，附著物為液態(tài)凝固特征，特別是中部散落的眾多小塊附著物外觀特征更能證明這一點。還可看出在斑點1內未被附著物覆蓋的表面，同樣存在磨溝、擠壓痕跡(圖10)。由此可以推斷，在附著物產(chǎn)生之前，軸和襯套內孔就發(fā)生了較為嚴重的摩擦，附著物是在軸和襯套已經(jīng)無相對轉動后才產(chǎn)生的。斑點2也有黑色附著物，其表面形貌與斑點1相同，進一步驗證了上述推斷。

圖8 襯套內壁嵌入異質顆粒Fig.8 Heterogeneous particles in the inner wall

圖9 斑點1形貌Fig.9 Macro-appearance of spot 1

圖10 斑點1附著物與襯套界面Fig.10 Interface of attachments and bushing

1.4 金相檢驗

從斑點1中間剖開，制取金相試樣，磨拋后在電子顯微鏡下觀察，附著物和襯套表面存在明顯的界面，附著物為等軸晶組織，并且在晶界和晶粒內部存在較多分散的析出物，襯套組織正常，屬于α基體+沿晶界或枝晶界分布的(α+δ)共析體，見圖11。

圖11 斑點1附著物顯微組織Fig.11 Microstructure of attachments at spot 1

1.5 能譜分析

對襯套內表面摩擦嚴重部位、斑點1、2和金相組織中析出物，以及襯套內壁大量嵌入異質顆粒用EDAX能譜進行微區(qū)成分分析，結果見表1。

由表1可知，斑點1、2組成成分基本相同，主要元素為Cu、Sn、O、P，其成分與襯套基體成分相近，其中O、P含量偏高與斑點處附著物在高溫下摩擦升溫氧化有關;附著物內的析出物成分也與襯套成分基本一致，表明附著物基本由襯套材料構成。

在襯套嚴重摩擦帶處除含有較高含量的Cu、Sn元素外，還有較高含量的Fe元素，這是襯套與從動軸摩擦導致金屬轉移的結果，即從動軸的微小Fe質磨屑轉移至襯套表面。

另外，在襯套內壁摩擦較輕部位可見較多的嵌入襯套內壁的異質顆粒，表1能譜分析結果表明，這些異質顆粒主要為SiC或Al2O3砂粒，未見其他異質顆粒。

表1 襯套內表面各區(qū)域能譜分析結果(質量分數(shù) /%)Table 1 Energy spectrum analysis results of the inner wall of bushing(mass fraction/%)

2 分析與討論

從以上分析結果可以看出，主滑油泵從動齒輪軸與襯套咬死卡滯導致了主動齒輪軸扭轉過載斷裂。由從動齒輪軸和襯套表面摩擦痕跡及襯套內壁的摩擦形貌判斷，從動齒輪軸和襯套的磨損是其咬死卡滯的主要原因。

在襯套內表面摩擦最嚴重區(qū)域，呈現(xiàn)出溝痕、抹平、堆擠，伴有金屬轉移，局部出現(xiàn)沿襯套次表層的撕裂，這表明從動齒輪軸與襯套配合面有黏著磨損特征。黏著磨損又稱為冷焊，是由于相對運動的物體接觸表面發(fā)生了固相黏著，使材料從一個表面轉移到另一表面的現(xiàn)象，其典型特征是接觸點局部高溫使摩擦副材料發(fā)生相互轉移。一般情況下，脆性材料比塑性材料的抗黏著能力高，塑性材料黏著破壞常常發(fā)生在離表面一定的深度部位，磨損下來的顆粒較大;而脆性材料的黏著磨損產(chǎn)物多數(shù)呈碎片狀金屬磨屑，破壞深度較淺［2-3］。對于從動齒輪軸與襯套，如果它們之間發(fā)生黏著磨損，當黏著部分分離時將出現(xiàn)2種可能情況:

1)若黏著點的強度低于從動齒輪軸與襯套，黏著從接觸面分開，此時基體內部變形小，摩擦面較光滑，只存在輕微的擦傷(外部黏著)。從襯套內孔表面的宏微觀觀察可以排除從動齒輪軸與襯套發(fā)生外部黏著的可能。

2)若黏著點的強度比兩邊材料(從動齒輪軸與襯套)中的一方高，這時分離面發(fā)生在較弱的金屬內部，摩擦面較為粗糙，有明顯的撕裂痕跡(內部黏著)。從材料上看，從動齒輪軸為16CrNi4MoA，襯套為 ZQSn10－1，襯套的強度遠遠小于從動齒輪軸。如果發(fā)生內部黏著，黏著面將從襯套次表面分離，而襯套內孔表面這樣的撕裂痕跡很少，只在摩擦嚴重的局部存在。

另外，從襯套整體磨損情況看，多數(shù)區(qū)域摩擦表面粗糙，沿襯套次表層撕裂特征很少，并在摩擦相對較輕的部位可見到較多嵌入襯套表面的硬質顆粒，這些部位主要呈現(xiàn)摩擦溝痕、堆擠、抹平等形貌，未見沿襯套次表層撕裂特征，也未見摩擦光滑的接觸面;因此，其磨損性質應以磨粒磨損為主［2-4］。對于摩擦嚴重的部位則是多種磨損機制并存，但從這一點可以判斷，從動齒輪軸與襯套在磨損初期應以磨粒磨損為主，并非黏著磨損，誘發(fā)磨損失效的磨粒主要是外來Al2O3或SiC類硬質顆粒。

至于襯套油孔對應部位的2處凸起斑點，其成分與襯套一致，說明斑點主要由襯套材料構成。斑點表面的熔化特征，局部殘存摩擦痕跡，表明其形成經(jīng)過高溫熔化過程，從而可以推斷，斑點產(chǎn)生之前，軸和襯套內孔發(fā)生了較為嚴重的摩擦，斑點是在軸和襯套已經(jīng)無相對轉動后才產(chǎn)生的，系高溫條件下積聚在油孔中的少量襯套磨屑與滑油等物質熔化凝固而成。同時，在摩擦高溫下，從動軸和襯套膨脹，而外邊的齒輪在較冷的滑油中，使得襯套內徑縮小，本來較小的間隙進一步變小，加劇了配合面的磨損。

綜上所述，主動齒輪軸屬于扭轉過載斷裂;從動齒輪軸和襯套從初期磨粒磨損進一步發(fā)展導致從動軸與襯套咬死卡滯是主動軸斷裂的主要原因;引起從動齒輪軸和襯套磨損的磨粒為滑油系統(tǒng)外來Al2O3或SiC類硬質顆粒。

3 改進措施

通過定期檢查、更換滑油，防止滑油系統(tǒng)污染以及在襯套內壁設置尺寸較小的儲油納污溝槽，有效地預防了主滑油泵齒輪軸斷裂的發(fā)生。

4 結論

1)主動齒輪軸屬于扭轉過載斷裂;

2)從動齒輪軸和襯套從初期磨粒磨損進一步發(fā)展導致從動軸與襯套咬死卡滯是主動軸斷裂的主要原因;

3)引起從動齒輪軸和襯套磨損的磨粒為滑油系統(tǒng)外來Al2O3或SiC類硬質顆粒;

4)通過定期檢查、更換滑油，防止滑油系統(tǒng)污染以及在襯套內壁設置尺寸較小的儲油納污溝槽，有效地預防了主滑油泵齒輪軸斷裂故障的發(fā)生。

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