附件傳動機構(gòu)磨損現(xiàn)象分析與改進(jìn)

李彥增， 楊昊

（1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，哈爾濱150000；2.陸航駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室，哈爾濱150000）

1 磨損現(xiàn)象

某發(fā)動機附件機匣傳動機匣自2010年3月發(fā)動機批量交付使用以來，外場使用中發(fā)生發(fā)動機滑油光譜鐵含量超標(biāo)問題。從附件機匣返廠檢查情況看，主要是齒輪齒面擦傷、花鍵磨損。

1.1 齒輪齒面磨損

圖1為故障機匣已擦傷齒輪，從齒輪齒面的磨損現(xiàn)象來看，屬于較為明顯的齒面膠合現(xiàn)象，膠合是相嚙合齒面間的一種黏著磨損，產(chǎn)生的條件是兩個相互嚙合的齒面間油膜破壞，而產(chǎn)生直接的金屬對金屬的接觸[1]。同時，由于兩齒面的相互滑動產(chǎn)生的摩擦熱使表面溫度升高，在壓力的作用下使表面產(chǎn)生黏著現(xiàn)象，又由于兩齒面的相對運動,使黏著的金屬被撕傷。

1.2 花鍵磨損

圖2（a）為故障機匣主動錐齒輪傳動軸與發(fā)動機相連接的傳動桿花鍵磨損，與之相配的錐齒輪花鍵也出現(xiàn)磨損，見圖2（b）。

圖1 齒面擦傷

2 磨損分析

2.1 機匣傳動結(jié)構(gòu)分析

該發(fā)動機附件傳動機匣由前殼體、中殼體和后殼體組成封閉腔體，整體呈腰型，見圖3。附件機匣總裝時安裝在發(fā)動機的上部，通過左右兩端的兩個吊耳固定在中介機匣安裝邊上，為加強機匣的裝配穩(wěn)定性，在機匣中部增加了輔助支板?？傃b時將主動主齒輪安裝座處止口裝入中介機匣止口內(nèi)，為小間隙配合。

圖2 花鍵磨損

殼體內(nèi)部裝配1對螺旋錐齒輪及多件直齒輪軸。磨損故障出現(xiàn)在較粗一側(cè)，該側(cè)傳動鏈所傳遞的功率占其總功率的72%（約500 kW），其齒輪排列非常緊湊，呈“Z”型，見圖4。齒輪軸兩端殼體采用鎂合金鑄造件分別加工，兩件機匣殼體裝配時采用兩處φ6定位銷進(jìn)行定位。

圖3 傳動機匣平面圖

圖4 齒輪平面分布圖

2.2 齒輪齒面磨損分析

對于齒輪齒面擦傷故障，對齒輪的強度[2]、裝配結(jié)構(gòu)、材料、潤滑形式等方面進(jìn)行具體分析。

1）磨損齒輪變形計算。計算工作狀態(tài)時磨損齒輪軸的變形，因齒輪軸的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量較小，對齒輪軸的變形影響較小，如圖5所示。齒輪軸的變形主要由傳遞功率產(chǎn)生的周向力引起。計算結(jié)果如表1、表2所示。

圖5 特征點位置

表1 齒輪3特征點變形值

表2 齒輪4特征點變形值

2）磨損齒輪強度計算。齒面發(fā)生擦傷現(xiàn)象的齒輪在整個傳動鏈中屬于高速、重載齒輪，對其進(jìn)行300 h工作壽命全負(fù)載狀態(tài)強度校核計算。計算結(jié)果表3，強度校核準(zhǔn)則見表4。在設(shè)計載荷工作條件下，各齒輪強度滿足要求，但也有個別齒輪抗膠合安全系數(shù)偏小。

3）齒輪材料分析。該傳動機匣內(nèi)部直齒輪材料選用12Cr2Ni4A，該材料是一種優(yōu)良的滲碳鋼。具有較高的淬透性，經(jīng)過滲碳并淬火加低溫回火后，可以獲得較高的表面硬度。但該材料的回火溫度不高，180℃就能造成材料回火，使齒輪硬度降低[5]。由于該機匣實際使用時溫度經(jīng)?？蛇_(dá)200℃以上，因此，齒輪在使用中存在發(fā)生回火、硬度降低的可能性。

表3 齒輪膠合強度計算結(jié)果

表4 強度校核準(zhǔn)則

2.3 花鍵磨損分析

經(jīng)過對磨損花鍵軸材料性能、硬度、表面粗糙度、摩擦力、潤滑等方面檢查后，并沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。由于花鍵傳動相比齒輪傳動的精度要低，磨損基本為裝配不當(dāng)所致，因此，重點對裝配過程進(jìn)行了分析。

1）裝配過程分析。通過現(xiàn)場了解附件機匣裝配過程，跟蹤發(fā)動機附件機匣的裝配程序，發(fā)現(xiàn)附件機匣集件狀態(tài)，前支板已經(jīng)安裝在附件機匣上，螺母擰緊，鎖片未鎖緊，該狀態(tài)為機匣單獨交付來件狀態(tài)，調(diào)整墊1未安裝。附件機匣落到發(fā)動機上后，首先安裝兩邊定位銷軸和擋圈，然后檢查前支板與風(fēng)扇機匣安裝邊的配合情況，裝配工人認(rèn)為只要前支板能夠落下，與風(fēng)扇機匣安裝邊沒有明顯干涉，則不影響附件機匣裝配；若前支板搭在風(fēng)扇機匣安裝邊上無法落下，則應(yīng)增加調(diào)整墊調(diào)整前支板位置，調(diào)整墊厚度以目視檢查結(jié)果進(jìn)行預(yù)估。實際裝配中，前支板落下后與風(fēng)扇機匣安裝邊未貼合，前支板已經(jīng)變形；松開前支板與附件機匣固定的螺母，讓前支板與風(fēng)扇機匣安裝邊貼合后，前支板與附件機匣前殼體之間出現(xiàn)間隙，測量在0.8 mm左右，可以看出在以往的裝配中，間隙檢查和調(diào)整的方法不正確，導(dǎo)致前支板變形安裝，附件機匣安裝狀態(tài)受到影響。前支板與附件機匣前殼體安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 前支板與附件機匣前殼體安裝結(jié)構(gòu)圖

2）裝配尺寸鏈計算。對附件機匣安裝前支板調(diào)整墊厚度進(jìn)行計算，調(diào)整墊厚度應(yīng)在0.26～1.30 mm之間，調(diào)整墊厚度組別為0.1、0.2、0.5、1.0 mm，應(yīng)選擇裝配1～3件。

3）前支板變形裝配的影響分析。假設(shè)前支板與附件機匣前殼體之間有0.82 mm的間隙，而未裝配調(diào)整墊；同時假設(shè)前支板未變形，附件機匣兩個后支點位置固定，則附件機匣以兩個后支點的連線為軸線擺動，補償0.82 mm間隙，附件機匣擺動0.34°，這時，中介機匣止口變形，且中介機匣止口與附件機匣止口偏斜，結(jié)構(gòu)示意見圖7。但是前支板并非完全剛性，前支板、中介機匣止口、附件機匣止口都會產(chǎn)生變形。

4）有限元分析。由于擋板在安裝過程中與機匣之間存在的間隙，該間隙需要通過裝配消耗掉，使得擋板和機匣之間存在拉力。按擋板在安裝過程中與機匣之間間隙0.8 mm進(jìn)行計算（見圖8～圖9）。分析擋板在拉動機匣過程中，會對機匣產(chǎn)生多大的位移。

圖7 止口偏斜示意圖

通過有限元分析，最大位移在擋板上，機匣的最大位移為0.04 mm。

圖8 機匣裝配圖

圖9 擋板的安裝示意圖

5）其他情況。經(jīng)咨詢得知，近兩年來附件機匣安裝時，從未進(jìn)行過前支板的調(diào)整，僅在早期出現(xiàn)過前支板與風(fēng)扇機匣安裝邊干涉的情況，安裝過調(diào)整墊。

3 磨損原因確定

通過對各個環(huán)節(jié)逐一進(jìn)行排查和分析，排除了齒輪精度及硬度、滑油流量不足等方面，載荷過大、工作溫度高、附件機匣安裝不到位3個因素將會導(dǎo)致附件機匣齒輪齒面擦傷、傳動桿花鍵磨損，具體分析如下：

1）載荷大。將該附件機匣的結(jié)構(gòu)和載荷同國內(nèi)研制的渦噴6、渦噴7、渦噴13、渦噴14進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該附件機匣在同等體積條件下，傳遞功率最高；甚至比國外的同帶次的附件機匣功率要略高一些。并且其功率主要集中在加力泵傳動鏈一側(cè)，這一側(cè)齒輪及軸承承受重載，工作條件比較惡劣。

2）溫度高。該附件機匣工作溫度能達(dá)到160℃,工作溫度直接影響軸承的配合，溫度越高，軸承外圈與襯套的工作間隙越大。當(dāng)溫度達(dá)160℃時，工作間隙將達(dá)到0.0855～0.1071 mm。工作中軸承受力移動，工作間隙大，嚙合齒輪軸偏斜，齒輪偏載，齒輪產(chǎn)生嚙合沖擊，引起傳動鏈振動，對高速重載齒輪影響顯著，降低齒輪承載能力，導(dǎo)致齒面擦傷。

3）附件機匣安裝不到位。附件機匣裝配中未裝配調(diào)整墊，前支板變形安裝，中介機匣止口與附件機匣止口偏斜，導(dǎo)致錐齒輪與傳動桿不同心，嚙合時發(fā)生異常磨損，出現(xiàn)傳動桿花鍵磨損及機匣非正常變形。

4 改進(jìn)措施

通過對齒輪齒面及花鍵磨損原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，為解決齒輪磨損故障，進(jìn)行以下改進(jìn)：

1）為提高齒輪強度儲備，解決齒面擦傷、膠合問題，已將齒輪材料采用16Cr3NiWMoVNbE代替原采用的12Cr2Ni4A材料。因齒輪鋼16Cr3NiWMoVNbE的力學(xué)性能優(yōu)于12Cr2Ni4A，尤其是高溫力學(xué)性能更好于后者，能夠很好地適應(yīng)產(chǎn)品200℃的使用環(huán)境,如表5所示。

經(jīng)計算，改進(jìn)材料的齒輪齒面接觸疲勞安全系數(shù)和膠合安全系數(shù)均高于原齒輪，具有更大的強度儲備（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接觸疲勞強度最小安全系數(shù)為1.25，膠合最小安全系數(shù)為1.2），如圖10、圖11所示。

表5 齒輪鋼力性能對比

2）對齒輪齒面增加噴丸強化處理，進(jìn)一步提高齒面的抗膠合能力。

3）原機匣傳動桿外花鍵采用碳氮共滲，而齒輪內(nèi)花鍵沒有強化要求，錐齒輪內(nèi)花鍵強度相對較弱，因此建議對錐齒輪內(nèi)花鍵增加齒面滲碳要求，提高內(nèi)花鍵的抗磨損能力。

5 結(jié)語

圖10 接觸疲勞安全系數(shù)

圖11 膠合安全系數(shù)

在機械傳動系統(tǒng)中，磨損影響產(chǎn)品可靠性、使用經(jīng)濟性，預(yù)防磨損是機械傳動設(shè)計中必須要深入研究和考慮的問題，但磨損的往往是在特定的使用工況以及外部環(huán)境下，由多重因素造成,僅僅依靠提高磨損的件的材料強度是不可取的。因此總結(jié)各種傳動系統(tǒng)在各個時期出現(xiàn)的磨損現(xiàn)象，分析原因，不斷改進(jìn)傳動系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，優(yōu)化零件設(shè)計、裝配方案，配合材料抗磨能力、潤滑設(shè)計及表面涂覆技術(shù)的發(fā)展，才能使傳動系統(tǒng)的抗磨損能力不斷增強。