某型減速器齒輪齒面擦傷故障分析與改進(jìn)研究

陳浩宇，李黎，覃秋霞

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

某型減速器，在進(jìn)行地面初步飛行核準(zhǔn)試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)金屬屑末報(bào)警現(xiàn)象。試驗(yàn)停車后，通過(guò)孔探檢查發(fā)現(xiàn)減速器齒面出現(xiàn)擦傷，并對(duì)報(bào)警后磁性屑末報(bào)警器上的金屬屑進(jìn)行了收集并經(jīng)能譜分析：金屬屑成分為齒輪鋼。本文針對(duì)減速器齒面擦傷問(wèn)題的原因、機(jī)理進(jìn)行分析和探討，并提出了改進(jìn)措施。

1 減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

減速器由輸入齒輪組件、輸出齒輪組件、主機(jī)匣組件組成，采用飛濺潤(rùn)滑，通過(guò)一級(jí)螺旋錐齒輪換向并減速，軸交角為120°，齒數(shù)比1.24，輸入、輸出錐齒輪軸均支撐形式為懸臂支承，由2個(gè)圓錐滾子軸承背靠背安裝；輸入、輸出齒輪組件與主機(jī)匣組件、主機(jī)匣安裝腿與車臺(tái)（或直升機(jī)機(jī)身平臺(tái)）通過(guò)螺紋連接相連。

2 故障現(xiàn)象

故障情況如下：輸入齒輪所有輪齒工作面（凹面）靠近齒根圓角的齒面擦傷：長(zhǎng)約22mm，寬約2.5mm，擦傷區(qū)氧化層已被磨損掉露出基體色，磨損量（深度）2.4～12.7um，見(jiàn)圖1。

圖1 齒面擦傷情況

輸出齒輪所有輪齒工作面（凸面）靠近齒頂圓角的齒面擦傷：長(zhǎng)約22mm，寬2～3mm，擦傷區(qū)氧化層已被磨損掉露出基體色，磨損量（深度）4.2～9.8um。

結(jié)果表明：

（1）輸入齒輪靠近齒根的下齒面部分出現(xiàn)擦傷；

（2）輸出齒輪靠近齒頂?shù)纳淆X面部分出現(xiàn)擦傷；

（3）分解時(shí)收集的金屬屑為齒輪鋼。

根據(jù)金屬屑末能譜分析結(jié)果、孔探檢查及分解檢查情況，可以確定引起磁性屑末報(bào)警的金屬屑末來(lái)源于螺旋錐齒輪副齒面擦傷。

3 故障分析及定位

經(jīng)詳細(xì)分析故障現(xiàn)象并結(jié)合分解檢查結(jié)果，從設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)情況等多方面開展了分析與排查，最終確定螺旋錐齒輪副齒面擦傷由輸出齒輪齒頂圓角過(guò)小所致。

3.1 故障機(jī)理分析

經(jīng)復(fù)查，發(fā)現(xiàn)輸出齒輪齒頂圓角?。ㄒ?jiàn)表1），磨損區(qū)的齒頂圓角實(shí)測(cè)僅為R0.095mm～R0.111mm（類似于尖邊），遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值R0.15mm～R0.25mm。

表1 輸出齒輪凸面齒頂?shù)箞A檢查結(jié)果

最大功率下，理論齒面接觸應(yīng)力已達(dá)到1692MPa；齒面最大相對(duì)滑動(dòng)速度和齒面溫升分別達(dá)到6.90m/s和122℃，且齒面接觸分析顯示理論正確位置下的加載印痕已接近甚至輕微超出齒頂，見(jiàn)圖2。

圖2 最大功率下理論齒面最大接觸應(yīng)力

盡管理論齒面設(shè)計(jì)可以滿足使用要求，但考慮加工、裝配誤差及加載變形，理論齒面的加載印痕會(huì)出現(xiàn)整體性前（或后）、上（或下）移動(dòng)，加載印痕存在大范圍超出齒頂?shù)目赡堋．?dāng)齒面接觸印痕超出齒頂和影響齒輪副嚙合的加載變形較大時(shí)，齒面嚙合狀況可能急劇惡化產(chǎn)生邊緣接觸（接觸應(yīng)力急劇增大）甚至出現(xiàn)擦傷的不正常嚙合。如果齒頂圓角偏小或者不規(guī)則，將進(jìn)一步增加齒面嚙合異常的風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：承載條件下,實(shí)際齒面嚙合時(shí)存在一定的嚙合變形，大功率下加載印痕已大范圍超出齒頂，此時(shí)，將加大齒面產(chǎn)生擦傷的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際齒面嚙合時(shí)，承載條件下齒輪副存在嚙合變形，且輸出齒輪齒頂圓角過(guò)?。ㄗⅲ涸搮^(qū)域齒面為初始嚙合部位，見(jiàn)表1），致使輸出齒輪齒頂圓角與輸入齒輪下齒面產(chǎn)生邊緣接觸，導(dǎo)致嚙合齒面產(chǎn)生應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力過(guò)高，且加載變形過(guò)大導(dǎo)致嚙合齒面擦傷等。

經(jīng)整機(jī)建模分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出齒輪齒頂圓角過(guò)小時(shí)，初始嚙合的輸出齒輪齒頂圓角與輸入齒輪下齒面接觸會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力水平較理論分析結(jié)果（1692MPa）提高1.5倍左右，見(jiàn)圖3。

圖3 齒面接觸應(yīng)力仿真分析

因此，在傳遞大功率狀態(tài)時(shí)，齒面印痕向輸出齒輪大端齒頂擴(kuò)展，致使輸出齒輪齒頂棱線參與嚙合。而輸出齒輪實(shí)際齒頂圓角偏小，齒輪副在大功率狀態(tài)下嚙合時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊緣接觸，造成原本嚙合狀況不良的齒面接觸情況進(jìn)一步惡化：局部接觸應(yīng)力集中，產(chǎn)生過(guò)高的齒面接觸應(yīng)力（2538 MPa），破壞了齒面潤(rùn)滑油膜，進(jìn)而導(dǎo)致齒面擦傷。

3.2 故障定位

根據(jù)排查及分析結(jié)果，本次故障原因定位為：輸出齒輪齒頂圓角小，在大功率狀態(tài)下，齒面嚙合出現(xiàn)邊緣接觸，齒面局部接觸應(yīng)力過(guò)大造成局部潤(rùn)滑不良，最終產(chǎn)生了齒面擦傷。

4 故障復(fù)現(xiàn)

根據(jù)故障定位及機(jī)理分析結(jié)果，安排并完成了故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)：故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)用輸出齒輪齒頂圓角R0.073～R0.25mm，齒頂圓角最小值（R0.073mm）與故障輸出齒輪的齒頂圓角值（R0.095mm）相當(dāng)，齒輪副的齒面狀態(tài)與故障件一致，其余零件原樣復(fù)裝。故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)程序參照地面試驗(yàn)程序編制。試驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)，齒輪副出現(xiàn)了與故障齒輪齒面擦傷情況基本一致的擦傷現(xiàn)象，其余未見(jiàn)異常，故障得以復(fù)現(xiàn)，見(jiàn)圖4。

圖4 齒輪齒面擦傷情況（故障復(fù)現(xiàn)件）

5 改進(jìn)措施

根據(jù)齒面擦傷故障原因分析及定位，后續(xù)擬通過(guò)如下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

5.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)齒面擦傷區(qū)域的大小、齒面接觸分析結(jié)果及以往型號(hào)齒頂圓角經(jīng)驗(yàn)值，將輸出齒輪齒頂圓角設(shè)計(jì)值由R0.15～R0.25mm增大至R0.30～R0.50mm，改制后的齒輪副經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證未出現(xiàn)齒面擦傷。

5.2 工藝改進(jìn)

工藝方面，規(guī)范齒輪齒頂圓角操作，加嚴(yán)檢測(cè)要求，提出具體的齒頂圓角檢測(cè)要求：每個(gè)輪齒的工作面齒頂圓角分別在小端、中部及大端進(jìn)行齒頂圓角輪廓儀跟蹤檢測(cè)。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

貫徹糾正措施后齒輪副，輸出齒輪齒頂圓角實(shí)測(cè)為R0.3 ～R0.50mm，開展了地面試驗(yàn)，除齒輪副外的其余零件均原樣復(fù)裝，試驗(yàn)后分解檢查（含無(wú)損檢測(cè)、微分測(cè)量）無(wú)異常，通過(guò)了試驗(yàn)考核。后續(xù)裝機(jī)的4臺(tái)套減速器在后續(xù)使用及試驗(yàn)（包括試驗(yàn)功率為最大功率的整機(jī)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間：20.5h）過(guò)程中均未出現(xiàn)齒面擦傷的異常現(xiàn)象，說(shuō)明故障定位準(zhǔn)確，糾正措施有效。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型減速器金屬屑末報(bào)警問(wèn)題的原因分析，確定輸出齒輪齒頂圓角過(guò)小是本次故障螺旋錐齒輪副齒面擦傷造成，進(jìn)而對(duì)齒面擦傷進(jìn)行了分析和排查，找出了故障原因，并采取了改進(jìn)措施且驗(yàn)證有效。本次故障為航空減速器螺旋錐齒輪齒面擦傷故障排查提供了參考，同時(shí)，也警示設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。