CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)行星齒輪軸的失效分析與預(yù)防

■ 馮志偉/武漢航達(dá)航空科技發(fā)展有限公司

0 引言

3505945 系列起動(dòng)機(jī)裝載于CFM56-7B型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，該系列起動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)直接與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油系統(tǒng)相連。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析3505945系列起動(dòng)機(jī)的修理記錄，該系列起動(dòng)機(jī)一旦發(fā)生齒輪軸（件號(hào)3507167-2）斷裂故障，斷裂碎片很容易被帶入起動(dòng)機(jī)的齒輪減速機(jī)構(gòu)，從而造成太陽(yáng)齒輪、行星齒輪、環(huán)形齒輪等的損壞，有時(shí)甚至引起渦輪葉輪端軸承損壞，使渦輪葉輪徑向偏移并與排氣殼體刮蹭，導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)油封破損，使起動(dòng)機(jī)漏油，并引起與之相連的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油的泄漏，嚴(yán)重時(shí)甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)空停，影響飛行安全。

1 齒輪軸工作原理

圖1 齒輪軸工作示意圖

3505945 系列起動(dòng)機(jī)中用于支撐行星齒輪的滾針軸承依靠齒輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)油池中的滑油飛濺，然后由齒輪軸上的集油槽收集飛濺的滑油，再通過(guò)齒輪軸內(nèi)部通道將滑油輸送到滾針軸承進(jìn)行潤(rùn)滑（見(jiàn)圖1）。件號(hào)為3507167-2的齒輪軸，其集油槽端為懸臂結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）且較薄弱，加上齒輪減速機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)其施加周期載荷，因此，任何缺陷都很容易使齒輪軸發(fā)生斷裂故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，這些斷裂的齒輪軸在使用前均依據(jù)部件維修手冊(cè)CMM80-11-79進(jìn)行過(guò)無(wú)損探傷檢查，并且均為探傷檢查合格件，初步分析認(rèn)為有其他因素導(dǎo)致該件號(hào)齒輪軸提前發(fā)生斷裂故障，為此對(duì)該件號(hào)齒輪軸進(jìn)行相關(guān)分析。

2 齒輪軸的斷裂故障說(shuō)明

圖2 齒輪軸安裝位置示意圖

查看3505945系列起動(dòng)機(jī)的相關(guān)維修記錄發(fā)現(xiàn)，齒輪軸3507167-2的斷裂位置集中在集油槽處（見(jiàn)圖3），且斷裂點(diǎn)比較固定，均位于靠近集油槽端的臺(tái)階處（見(jiàn)圖4）。齒輪軸3507167-2的集油槽邊沿存在三種狀態(tài)：尖邊、倒角、圓角（其斷面示意見(jiàn)圖5）。而發(fā)生斷裂故障的齒輪軸多為集油槽邊沿為尖邊或倒角的齒輪軸，推斷有可能是尖邊或倒角的邊沿存在某些微小缺陷，在周期載荷作用下這些微小缺陷容易形成裂紋源并不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致該齒輪軸提前發(fā)生斷裂故障。

3 對(duì)齒輪軸進(jìn)行失效分析

為了驗(yàn)證上述推斷，用UG NX8.0建模，再用ANSYS Workbench 15.0有限元分析軟件模擬齒輪軸的邊沿為尖邊、倒角、圓角的三種狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。首先用同種網(wǎng)格劃分法劃分三種狀態(tài)下的齒輪軸（見(jiàn)圖6），然后用同樣的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行模擬分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力分布情況（見(jiàn)圖7），對(duì)比三種狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖，發(fā)現(xiàn)正常情況下在同樣載荷作用下三種狀態(tài)的最大應(yīng)力相差不明顯。

圖3 斷裂的齒輪軸

圖4 齒輪軸經(jīng)常發(fā)生斷裂的地方

圖5 齒輪軸集油槽邊沿?cái)嗝媸疽鈭D

圖6 齒輪軸的網(wǎng)格劃分圖

圖7 齒輪軸在三種狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖

圖8 齒輪軸在有微小缺陷狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖

但是，由于該齒輪軸3507167-2所使用的材料硬度較高，同時(shí)集油槽邊沿比較薄，在加工或后期使用中以及運(yùn)輸時(shí)容易在其邊沿的尖邊處形成微小崩邊等缺陷，為此再次使用ANSYS Workbench 15.0有限元分析軟件對(duì)該齒輪軸進(jìn)行斷裂分析，并在其集油槽易產(chǎn)生微小崩邊等缺陷處施加裂紋源，以同樣參數(shù)和載荷分析得到應(yīng)力分布圖（見(jiàn)圖8）。對(duì)比圖8與圖7的最大應(yīng)力值發(fā)現(xiàn)，齒輪軸在集油槽邊沿有微小缺陷的情況下的最大應(yīng)力值是原有應(yīng)力值的4倍左右。由此分析認(rèn)為，該齒輪軸上集油槽邊沿的微小缺陷對(duì)其斷裂有較大影響。

4 預(yù)防措施

查詢(xún)3505945系列起動(dòng)機(jī)有關(guān)的SB，發(fā)現(xiàn)其生產(chǎn)廠(chǎng)家在2000年曾針對(duì)齒輪軸3507167-1短時(shí)間內(nèi)因周期載荷發(fā)生疲勞斷裂的情況發(fā)布了服務(wù)通告SB：CFM56-7B SB80-004，建議改用新型號(hào)齒輪軸3507167-2。新型號(hào)齒輪軸采用“GUN DRILL”加工方法，表面光潔度達(dá)到了0.8μm，但實(shí)踐驗(yàn)證表明齒輪軸3507167-2的集油槽邊沿的尖邊或倒角處仍存在微小缺陷。

綜上分析，對(duì)于齒輪軸3507167-2，建議在使用前依據(jù)波音公司SOPM20-10-02，對(duì)集油槽邊沿用銼刀去除微小缺陷并保證材料的去除量最小，同時(shí)修整成圓角，然后用砂紙對(duì)修銼的地方沿軸向進(jìn)行拋光打磨，處理后在放大鏡下觀(guān)察集油槽處不得有明顯的徑向加工紋路，表面光潔度至少達(dá)到0.8μm（見(jiàn)圖9），并依據(jù)部件維修手冊(cè)CMM80-11-79進(jìn)行探傷檢查，不得有裂紋等缺陷。

圖9 處理前與處理后的齒輪軸

5 結(jié)束語(yǔ)

按照以上方法對(duì)齒輪軸3507167-2進(jìn)行后期處理，并對(duì)經(jīng)處理齒輪軸的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間跟蹤調(diào)查，實(shí)踐表明，這種后期處理方法對(duì)提升產(chǎn)品的可靠性有很大幫助。未來(lái)將繼續(xù)跟蹤調(diào)查該系列起動(dòng)機(jī)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便找到更優(yōu)化的方法來(lái)避免齒輪軸3507167-2斷裂情況的發(fā)生，共同提高該系列起動(dòng)機(jī)的持續(xù)適航性。