组合传动发电机齿轮失效故障分析
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摘 要某型飞机电源系统组合传动发电机齿轮损坏导致发电机空中发电功能失效故障，依据该型组合传动发电机的结构和工装原理进行故障分析，确定为组合传动发电机恒速传动装置内部转动齿轮安装偏斜，传动齿轮损坏，导致组合传动发电机空中失效。
关键词组合发电机;失效;齿轮;损坏;故障分析
1 故障现象
某型飞机空中报组合发电机故障，落地后在检查分析过程中座舱显示盘再次出现断开右交流发电机信号，确认为发电机故障。此类故障连续发生两起。
2 组合发电机工作原理（见图1）
该型号组合传动发电机由恒速传动装置恒装HSCD-020和交流电机JF-30两部分组成。
交流电机JF-30由定子和转子组成，在恒速传动装置传动下发出频率恒定的交流电。
恒速传动装置HSCD-020由差动机构、离心调节器、泵马达、带压力信号器的注油滤、组合泵、速度传感器、温度传感器、传动齿轮等组成，其作用是向交流发电机JF-30输出恒定的转速，保证JF-30发出频率恒定的三相交流电源，其中差动机构、离心调节器、泵马达组成转速调节系统，保证向交流发电机输出恒定的转速，用于交流发电机发出频率稳定的;恒速传动装置由飞机发动机带动，飞机发动机将转速直接传递给恒速传动装置中的差动机构，通过惰性齿轮230将恒装输出端的转速传递给离心调节器和组合泵传动齿轮504，带动离心调节器工作，离心调节器用于感受恒速传动装置输出端的转速，向调速系统提供转速负反馈，以调节恒速传动装置输出的转速，由传动齿轮504将恒装输出的转速传递给组合泵，用于向组合组合传动发电机系统提供液压动力，保证转速调节系统的正常工作和传动系统的进行润滑、冷却;泵马达部件根据离心调节器传递液压（转速）信息，形成输出转速补偿，差动机构将补偿转速与输入转速进行矢量叠加后，向交流发电机输出恒定的转速，保证发电机正常工作。压力信号器用于感受滑油系统的压力，当系统压力低于0.9+0.28-0.065MPa时，向飞机发出滑油压力低的信号，提醒飞行员恒装有故障，需断开恒装;速度传感器用于当恒装故障，输给交流发电机的转速超过规定范围时，向飞机电源系统控制保护器提供故障信号，控制保护器向组合传动发电机发出断开恒速传动装置电信号，断开恒速传动装置，停止发电机的工作，防止组合传动发电机进一步损坏。温度传感器用于在系统故障，滑油温度高于规定时，接通恒速传动装置脱开机构工作电源，断开恒速传动装置，发电机停止工作。
3 組合发电机检查
3.1 对故障组合发电机外观检查
保险完好，壳体无明显碰伤，无过热现象。出口过滤器表面有金属屑（见图2）。检查输入轴，恒速传动装置处于啮合状态，用专用扳手转动输入轴，恒速传动装置转动正常。检查外部电缆正常、接线柱无松动。检查线圈电阻合格，温度传感器未接通，处于正常断开状态。分解检查进口过滤器滤芯表面清洁无污染。
外观检查结论：组合发电机出口过滤器滤芯表面有金属屑，说明恒速传动装置内部有磨损。
3.2 分解检查内部情况
检查回油滤安装孔内有大量金属屑（图3），取下交流发电机，恒速传动装置端面有少量的金属屑（图4），打开恒速传动装置壳体，恒速传动装置内部有大量金属屑（图5），转动差动齿轮系，组合泵不能被传动，分解检查发现：壳体回油泵外转子齿顶被一状金属块卡住（图6）无法转动，230惰性齿轮被啃噬一圈而损坏（图7），啃噬部分齿宽与504齿轮齿宽相同，409齿轮（图8）和504齿轮（图9）各有一断齿。其余零件均完好。
4 齿轮损坏原因分析
4.1 齿轮失效分析
经检查发现齿轮损坏是导致发电机失效的原因，其中主要故障现象为230齿轮发生啃齿，504齿轮发生断齿。经对失损坏齿轮进行失效分析，发电机总工作时间为2250h25min，大修时更换了230齿轮和504齿轮，大修后工作96h44min，230齿轮和504齿轮材料均为30Cr3WA，齿表面渗氮，深（0.15～0.38）mm，渗氮层硬度≥700HV，其余硬度为（28～37）HRC;离心调节轴材料为9Cr13Ni6Co5Be，硬度≥64HRC。
为进一步确认故障原因，将故障齿轮送中航工业621所进行失效分析。结果表明：（1）故障件504齿轮断齿性质为疲劳断裂;（2）故障件230齿轮齿损伤面损伤严重，以过载断裂为主;（3）齿轮失效过程可能为504齿轮先发生疲劳破坏，造成230齿轮与504齿轮间配合异常，接触应力和冲击载荷急剧增大，进一步引起230齿轮发生“啃齿”现象;（4）504齿轮发生疲劳断裂可能齿轮材料状态不良和齿面不均匀受力有关。
4.2 齿轮疲劳断裂可能原因分析
4.2.1 多余物进入恒装导致故障
分解恒装检查发现，除组合泵被金属块卡住，其余部件均能自由转动，组合泵被金属块卡住的可能原因：发电机恒装内部进入多余物，在发电机工作过程中，组合泵将多余物吸入，当多余物通过组合泵内转子齿顶时，由于多余物颗粒较大卡住组合泵（见图6），504齿轮随组合泵被卡住而无法转动，高速传动的齿轮230在传动504时，致使230小齿轮齿被啃噬，形成大量金属屑。将恒装内金属屑、断齿和卡在组合泵中的金属块分别进行材料成分化验发现，三者的材料均为30Cr3WA（表1），与三个齿轮材料相同，可以排除有外来多余物进入发电机导致齿轮损坏的可能性。
分析发电机中所有使用30Cr3WA材料制造的零件，除三个齿轮外还有：484螺钉、503螺钉、872齿轮、533齿轮、534齿轮、534-2齿轮、533-2齿轮和花键轴415，经过目视检查，各零件表面均完好无损伤，排除了由恒装内同材料零件损坏形成多余物卡住组合泵而引起故障的可能性。卡住组合泵的金属块应是来自齿轮损坏后形成的多余物。 结论：可以排除有外来多余物和内生多余物导致故障的可能性。
4.2.2 齿轮本身缺陷导致齿轮断裂
a齿轮是否存在陈旧性裂纹：三个齿轮中230和504是新件，HSCD-409是固定探伤项。探伤结果显示齿轮HSCD-409无裂纹，显微和宏观检查，排除了三个齿轮存在陈旧性裂纹的可能性。
b齿轮内部组织是否有缺陷：经过金相组织分析，齿轮内部组织无缺陷，可以排除齿轮内部组织存在缺陷的可能性。
c齿轮表面是否存在损伤：经宏观和显微检查，齿轮表面无明显加工刀痕和其他损伤，排除了齿轮表面存在缺陷的可能性。
结论：可以排除齿轮本身缺陷导致故障的可能。
4.2.3 装配质量导致齿轮断裂
图纸要求（见图10）齿轮230与套筒481、齿轮504与套筒505配合间隙为：（0.021～0.058）mm;实测故障件齿轮230与套筒481配合间隙为（0.052～0.085）mm。齿轮504与套筒505配合间隙为（0.075～0.105）mm，不符合要求。存在因齿轮装配间隙过大，产生偏磨导致齿轮断裂的可能。
结论：装配质量不符合技术要求。
4.2.4 齿轮疲劳导致齿轮断裂
三个齿轮相互传动关系为：230齿轮（图11中1#号）是主动轮， 409（图11中2#）和504（图11中3#）齿轮是被动轮。工作中油1#齿轮带动2#和3#齿轮转动，对三个损坏的齿轮进行断口分析如下：
4.3 外观及主要参数检查
将三个齿轮沿径向剖开，对齿轮侧面接近齿顶处打硬度，分析渗氮层硬度。根据图纸要求，齿轮渗氮层HV大于700，检测结果符合要求（见表2）。
取一个新的主动轮，与1#齿轮对比进行观察，见图12。图中可以看出，1#齿轮所有齿面均存在较大程度的啃噬，其高度同3#齿轮高度。损坏区域可明显观察到亮色磨损痕迹。1#齿轮中可观察到其中一个齿轮的断齿现象，从齿根处断裂。同时，可以看出1#齿轮下侧部分区域有磨损痕迹，见图12c。
观察2齿轮，见图13。图中可见2#齿轮处有一断齿，沿齿根处断裂，见图13b，其余齿面存在不同程度磨损，但程度较轻。该齿轮非新件，是原机件，大修前已装配使用。
观察3齿轮，见图14。图中可见3#齿轮处有一断齿，沿齿根处断裂，见图14a、14b。同时，其余齿面均有不同程度的磨损、啃噬，见图14a、14c。
4.2 失效分析
考虑到230啮合齿轮的半径较小，同样行程下转速较大，因此，230齿轮先疲劳断裂。
结论：（1）三个齿轮断裂性质均为疲劳断裂;
（2）230齿轮率先疲劳断裂：惰性齿轮230与传动齿轮504齿轮安装出现偏斜，造成230齿轮端面（图15）与504齿尖相摩擦，230小齿论与504传动齿之间啮合面偏斜，两者之间产生偏磨，230小齿受力增大，加速了小齿论的疲劳断裂。
（3）齿轮断裂使得恒速传动装置失去传动功能，导致组合传动发电机空中失效故障的发生。
5 总结
结合上述分析和对比，此次故障原因为组合传动发电机内部惰性齿轮230与传动齿轮504齿轮啮合偏斜，造成230齿轮端面与504齿尖相摩擦，两者之间产生偏磨，230小齿受力增大，在工作中发生疲劳断裂。
參考文献
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