組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)齒輪失效故障分析

肖海波

摘 要某型飛機(jī)電源系統(tǒng)組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)齒輪損壞導(dǎo)致發(fā)電機(jī)空中發(fā)電功能失效故障，依據(jù)該型組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工裝原理進(jìn)行故障分析，確定為組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)恒速傳動(dòng)裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪安裝偏斜，傳動(dòng)齒輪損壞，導(dǎo)致組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)空中失效。

關(guān)鍵詞組合發(fā)電機(jī);失效;齒輪;損壞;故障分析

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)空中報(bào)組合發(fā)電機(jī)故障，落地后在檢查分析過(guò)程中座艙顯示盤再次出現(xiàn)斷開(kāi)右交流發(fā)電機(jī)信號(hào)，確認(rèn)為發(fā)電機(jī)故障。此類故障連續(xù)發(fā)生兩起。

2 組合發(fā)電機(jī)工作原理（見(jiàn)圖1）

該型號(hào)組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)由恒速傳動(dòng)裝置恒裝HSCD-020和交流電機(jī)JF-30兩部分組成。

交流電機(jī)JF-30由定子和轉(zhuǎn)子組成，在恒速傳動(dòng)裝置傳動(dòng)下發(fā)出頻率恒定的交流電。

恒速傳動(dòng)裝置HSCD-020由差動(dòng)機(jī)構(gòu)、離心調(diào)節(jié)器、泵馬達(dá)、帶壓力信號(hào)器的注油濾、組合泵、速度傳感器、溫度傳感器、傳動(dòng)齒輪等組成，其作用是向交流發(fā)電機(jī)JF-30輸出恒定的轉(zhuǎn)速，保證JF-30發(fā)出頻率恒定的三相交流電源，其中差動(dòng)機(jī)構(gòu)、離心調(diào)節(jié)器、泵馬達(dá)組成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證向交流發(fā)電機(jī)輸出恒定的轉(zhuǎn)速，用于交流發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率穩(wěn)定的;恒速傳動(dòng)裝置由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)速直接傳遞給恒速傳動(dòng)裝置中的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)惰性齒輪230將恒裝輸出端的轉(zhuǎn)速傳遞給離心調(diào)節(jié)器和組合泵傳動(dòng)齒輪504，帶動(dòng)離心調(diào)節(jié)器工作，離心調(diào)節(jié)器用于感受恒速傳動(dòng)裝置輸出端的轉(zhuǎn)速，向調(diào)速系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，以調(diào)節(jié)恒速傳動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)速，由傳動(dòng)齒輪504將恒裝輸出的轉(zhuǎn)速傳遞給組合泵，用于向組合組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，保證轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常工作和傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻;泵馬達(dá)部件根據(jù)離心調(diào)節(jié)器傳遞液壓（轉(zhuǎn)速）信息，形成輸出轉(zhuǎn)速補(bǔ)償，差動(dòng)機(jī)構(gòu)將補(bǔ)償轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行矢量疊加后，向交流發(fā)電機(jī)輸出恒定的轉(zhuǎn)速，保證發(fā)電機(jī)正常工作。壓力信號(hào)器用于感受滑油系統(tǒng)的壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于0.9+0.28-0.065MPa時(shí)，向飛機(jī)發(fā)出滑油壓力低的信號(hào)，提醒飛行員恒裝有故障，需斷開(kāi)恒裝;速度傳感器用于當(dāng)恒裝故障，輸給交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，向飛機(jī)電源系統(tǒng)控制保護(hù)器提供故障信號(hào)，控制保護(hù)器向組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出斷開(kāi)恒速傳動(dòng)裝置電信號(hào)，斷開(kāi)恒速傳動(dòng)裝置，停止發(fā)電機(jī)的工作，防止組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)一步損壞。溫度傳感器用于在系統(tǒng)故障，滑油溫度高于規(guī)定時(shí)，接通恒速傳動(dòng)裝置脫開(kāi)機(jī)構(gòu)工作電源，斷開(kāi)恒速傳動(dòng)裝置，發(fā)電機(jī)停止工作。

3 組合發(fā)電機(jī)檢查

3.1 對(duì)故障組合發(fā)電機(jī)外觀檢查

保險(xiǎn)完好，殼體無(wú)明顯碰傷，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。出口過(guò)濾器表面有金屬屑（見(jiàn)圖2）。檢查輸入軸，恒速傳動(dòng)裝置處于嚙合狀態(tài)，用專用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸，恒速傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)正常。檢查外部電纜正常、接線柱無(wú)松動(dòng)。檢查線圈電阻合格，溫度傳感器未接通，處于正常斷開(kāi)狀態(tài)。分解檢查進(jìn)口過(guò)濾器濾芯表面清潔無(wú)污染。

外觀檢查結(jié)論：組合發(fā)電機(jī)出口過(guò)濾器濾芯表面有金屬屑，說(shuō)明恒速傳動(dòng)裝置內(nèi)部有磨損。

3.2 分解檢查內(nèi)部情況

檢查回油濾安裝孔內(nèi)有大量金屬屑（圖3），取下交流發(fā)電機(jī)，恒速傳動(dòng)裝置端面有少量的金屬屑（圖4），打開(kāi)恒速傳動(dòng)裝置殼體，恒速傳動(dòng)裝置內(nèi)部有大量金屬屑（圖5），轉(zhuǎn)動(dòng)差動(dòng)齒輪系，組合泵不能被傳動(dòng)，分解檢查發(fā)現(xiàn)：殼體回油泵外轉(zhuǎn)子齒頂被一狀金屬塊卡?。▓D6）無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，230惰性齒輪被啃噬一圈而損壞（圖7），啃噬部分齒寬與504齒輪齒寬相同，409齒輪（圖8）和504齒輪（圖9）各有一斷齒。其余零件均完好。

4 齒輪損壞原因分析

4.1 齒輪失效分析

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)齒輪損壞是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失效的原因，其中主要故障現(xiàn)象為230齒輪發(fā)生啃齒，504齒輪發(fā)生斷齒。經(jīng)對(duì)失損壞齒輪進(jìn)行失效分析，發(fā)電機(jī)總工作時(shí)間為2250h25min，大修時(shí)更換了230齒輪和504齒輪，大修后工作96h44min，230齒輪和504齒輪材料均為30Cr3WA，齒表面滲氮，深（0.15～0.38）mm，滲氮層硬度≥700HV，其余硬度為（28～37）HRC;離心調(diào)節(jié)軸材料為9Cr13Ni6Co5Be，硬度≥64HRC。

為進(jìn)一步確認(rèn)故障原因，將故障齒輪送中航工業(yè)621所進(jìn)行失效分析。結(jié)果表明：（1）故障件504齒輪斷齒性質(zhì)為疲勞斷裂;（2）故障件230齒輪齒損傷面損傷嚴(yán)重，以過(guò)載斷裂為主;（3）齒輪失效過(guò)程可能為504齒輪先發(fā)生疲勞破壞，造成230齒輪與504齒輪間配合異常，接觸應(yīng)力和沖擊載荷急劇增大，進(jìn)一步引起230齒輪發(fā)生“啃齒”現(xiàn)象;（4）504齒輪發(fā)生疲勞斷裂可能齒輪材料狀態(tài)不良和齒面不均勻受力有關(guān)。

4.2 齒輪疲勞斷裂可能原因分析

4.2.1 多余物進(jìn)入恒裝導(dǎo)致故障

分解恒裝檢查發(fā)現(xiàn)，除組合泵被金屬塊卡住，其余部件均能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，組合泵被金屬塊卡住的可能原因：發(fā)電機(jī)恒裝內(nèi)部進(jìn)入多余物，在發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中，組合泵將多余物吸入，當(dāng)多余物通過(guò)組合泵內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂時(shí)，由于多余物顆粒較大卡住組合泵（見(jiàn)圖6），504齒輪隨組合泵被卡住而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，高速傳動(dòng)的齒輪230在傳動(dòng)504時(shí)，致使230小齒輪齒被啃噬，形成大量金屬屑。將恒裝內(nèi)金屬屑、斷齒和卡在組合泵中的金屬塊分別進(jìn)行材料成分化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三者的材料均為30Cr3WA（表1），與三個(gè)齒輪材料相同，可以排除有外來(lái)多余物進(jìn)入發(fā)電機(jī)導(dǎo)致齒輪損壞的可能性。

分析發(fā)電機(jī)中所有使用30Cr3WA材料制造的零件，除三個(gè)齒輪外還有：484螺釘、503螺釘、872齒輪、533齒輪、534齒輪、534-2齒輪、533-2齒輪和花鍵軸415，經(jīng)過(guò)目視檢查，各零件表面均完好無(wú)損傷，排除了由恒裝內(nèi)同材料零件損壞形成多余物卡住組合泵而引起故障的可能性?？ㄗ〗M合泵的金屬塊應(yīng)是來(lái)自齒輪損壞后形成的多余物。

結(jié)論：可以排除有外來(lái)多余物和內(nèi)生多余物導(dǎo)致故障的可能性。

4.2.2 齒輪本身缺陷導(dǎo)致齒輪斷裂

a齒輪是否存在陳舊性裂紋：三個(gè)齒輪中230和504是新件，HSCD-409是固定探傷項(xiàng)。探傷結(jié)果顯示齒輪HSCD-409無(wú)裂紋，顯微和宏觀檢查，排除了三個(gè)齒輪存在陳舊性裂紋的可能性。

b齒輪內(nèi)部組織是否有缺陷：經(jīng)過(guò)金相組織分析，齒輪內(nèi)部組織無(wú)缺陷，可以排除齒輪內(nèi)部組織存在缺陷的可能性。

c齒輪表面是否存在損傷：經(jīng)宏觀和顯微檢查，齒輪表面無(wú)明顯加工刀痕和其他損傷，排除了齒輪表面存在缺陷的可能性。

結(jié)論：可以排除齒輪本身缺陷導(dǎo)致故障的可能。

4.2.3 裝配質(zhì)量導(dǎo)致齒輪斷裂

圖紙要求（見(jiàn)圖10）齒輪230與套筒481、齒輪504與套筒505配合間隙為：（0.021～0.058）mm;實(shí)測(cè)故障件齒輪230與套筒481配合間隙為（0.052～0.085）mm。齒輪504與套筒505配合間隙為（0.075～0.105）mm，不符合要求。存在因齒輪裝配間隙過(guò)大，產(chǎn)生偏磨導(dǎo)致齒輪斷裂的可能。

結(jié)論：裝配質(zhì)量不符合技術(shù)要求。

4.2.4 齒輪疲勞導(dǎo)致齒輪斷裂

三個(gè)齒輪相互傳動(dòng)關(guān)系為：230齒輪（圖11中1#號(hào)）是主動(dòng)輪， 409（圖11中2#）和504（圖11中3#）齒輪是被動(dòng)輪。工作中油1#齒輪帶動(dòng)2#和3#齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)三個(gè)損壞的齒輪進(jìn)行斷口分析如下：

4.3 外觀及主要參數(shù)檢查

將三個(gè)齒輪沿徑向剖開(kāi)，對(duì)齒輪側(cè)面接近齒頂處打硬度，分析滲氮層硬度。根據(jù)圖紙要求，齒輪滲氮層HV大于700，檢測(cè)結(jié)果符合要求（見(jiàn)表2）。

取一個(gè)新的主動(dòng)輪，與1#齒輪對(duì)比進(jìn)行觀察，見(jiàn)圖12。圖中可以看出，1#齒輪所有齒面均存在較大程度的啃噬，其高度同3#齒輪高度。損壞區(qū)域可明顯觀察到亮色磨損痕跡。1#齒輪中可觀察到其中一個(gè)齒輪的斷齒現(xiàn)象，從齒根處斷裂。同時(shí)，可以看出1#齒輪下側(cè)部分區(qū)域有磨損痕跡，見(jiàn)圖12c。

觀察2齒輪，見(jiàn)圖13。圖中可見(jiàn)2#齒輪處有一斷齒，沿齒根處斷裂，見(jiàn)圖13b，其余齒面存在不同程度磨損，但程度較輕。該齒輪非新件，是原機(jī)件，大修前已裝配使用。

觀察3齒輪，見(jiàn)圖14。圖中可見(jiàn)3#齒輪處有一斷齒，沿齒根處斷裂，見(jiàn)圖14a、14b。同時(shí)，其余齒面均有不同程度的磨損、啃噬，見(jiàn)圖14a、14c。

4.2 失效分析

考慮到230嚙合齒輪的半徑較小，同樣行程下轉(zhuǎn)速較大，因此，230齒輪先疲勞斷裂。

結(jié)論：（1）三個(gè)齒輪斷裂性質(zhì)均為疲勞斷裂;

（2）230齒輪率先疲勞斷裂：惰性齒輪230與傳動(dòng)齒輪504齒輪安裝出現(xiàn)偏斜，造成230齒輪端面（圖15）與504齒尖相摩擦，230小齒論與504傳動(dòng)齒之間嚙合面偏斜，兩者之間產(chǎn)生偏磨，230小齒受力增大，加速了小齒論的疲勞斷裂。

（3）齒輪斷裂使得恒速傳動(dòng)裝置失去傳動(dòng)功能，導(dǎo)致組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)空中失效故障的發(fā)生。

5 總結(jié)

結(jié)合上述分析和對(duì)比，此次故障原因?yàn)榻M合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部惰性齒輪230與傳動(dòng)齒輪504齒輪嚙合偏斜，造成230齒輪端面與504齒尖相摩擦，兩者之間產(chǎn)生偏磨，230小齒受力增大，在工作中發(fā)生疲勞斷裂。

參考文獻(xiàn)

[1]沈頌華.航空航天器供電系統(tǒng)[M].北京航天航空大學(xué)出版社.2005.

[2]沈興全，吳秀玲.液壓傳動(dòng)與控制.第一版.國(guó)防工業(yè)出版社.2005.

[3]朱其順.機(jī)械故障分析及應(yīng)對(duì)措施[J].礦業(yè)工程[J]，2008-8，3（4）：46.

[4]劉亞雄，吉曉波，董乃峰.發(fā)電機(jī)故障分析方法研究[J].山西電力技術(shù)，1999-8，4：1-4.