1、发动机齿轮裂纹故障与模态测试研究 王国鹏 赵宇 沈阳黎明航空发动机有限责任公司 摘 要： 发动机手动齿轮的动态特性对研究发动机整机振动有着十分重要的意义。结合齿轮端口分析采用多点激振单点拾振的试验模态测试方法, 对发动机俄制和国产手动齿轮进行了对比试验, 得出齿轮的前五阶振动模态数据, 据此分析出造成国产手动齿轮产生裂纹故障的重要因素, 为齿轮振动故障分析和后期的结构优化提供依据。关键词： 固有频率; 模态分析; 模态振动试验; 引言发动机齿轮是机器中传递功率和运动的重要部件, 与皮带、链及摩擦轮运动相比, 其具有传动比准确、传动平稳、工作稳定性高等优点, 然而由于齿轮一般无过载保护作用, 对
2、于传递大功率的金属齿轮, 则要求有很高的加工精度和良好的安全组合, 否则传动时会出现较大的噪声、振动及冲击, 导致动载损伤失效。1 故障情况本文通过研究发动机手动传动齿轮的裂纹特征和断口分析, 结合对裂纹起始、扩展直至断裂的过程分析, 确定齿轮的断裂类型。通过齿轮固持状态下的模态测试和特征识别, 确定齿轮的断裂原因。通过齿轮在磨齿阶段的现场分析, 提出防止齿轮断裂的措施。2 断口分析2.1 断口检查切取 A 面一处有裂纹的试样放大观察, 裂纹向齿槽底部延伸形貌见图 1。把裂纹打开成断口观察, 断口显示裂纹在辐板方向长度约为 2mm, 在齿槽底部方向长度约为 5mm。断口呈灰黑色, 断口上放射线
3、清晰, 放射线起始于齿槽底部向辐板过渡的倒角处。裂纹断口扩展后期可见清晰的弧线形貌。裂纹断口与人为打开的瞬断区断口界线分明, 有两条弧线, 人为打开断口区为韧窝形貌, 裂纹断口放大后可见擦伤痕迹。裂纹断口扩展区组织为脆性断口形貌。图 1 手动齿轮裂纹故障位置 下载原图2.2 金相检查切取两相邻齿底均有裂纹试样, 垂直于齿槽方向磨制金相试样观察, 裂纹长度分别为 1.255mm 和 1.013mm。2.3 硬度检查对齿轮齿端面进行硬度检查, 共在三个齿打三点硬度, 结果分别为 82.3HRA (62.2HRC) 、82.5HRA (62.5HRC) 、82.5HRA (62.5HRC) , 均符
4、合工艺要求:HRA80.5 的规定。齿轮辐板面硬度 (心部硬度) 分别为41.0HRC、41.5HRC、40.7HRC, 均符合工艺要求:31.2541.75HRC 的规定。2.4 断口分析结论(1) 送检齿轮化学成分、渗层深度、渗层碳化物级别、齿端面及辐板面渗层表面硬度值均符合工艺规定。 (2) 裂纹断口面无异常元素, 说明产生裂纹后未接触污染环境, 结合齿轮生产工艺, 裂纹应产生于氧化磷化处理之后。 (3) 裂纹断口与人为打开断口形貌对比, 均有起始于齿槽底部倒角处的放射线, 扩展区也均有放射线。但两个断口放大后有差异, 裂纹断口组织放大后为脆性相形貌, 而人为打开的断口其组织放大后既有脆
5、性相形貌又有韧窝形貌;裂纹断口扩展区及后期有弧线, 而人为断口未见弧线。从裂纹宏观分布看与 2 节径振动疲劳相似, 断口又可见弧线, 齿轮裂纹可能是振动引起的。3 特性分析3.1 模态分析的基本原理模态分析的基本原理就是将被测系统的振动特性的矩阵方程解耦, 即将线性定常系数振动微分方程中的物理坐标变换为模态坐标。从而使多自由度复杂系统可用单自由度系统来表示, 成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程, 以便求得被测系统的模态参数。求得被测系统模态参数的关键是要获取准确的频响函数, 只有在此基础上才能准确的识别出系统模态参数。其系统运动微分方程为:两边进行拉氏变换并整理得 (设初始条件为零)
6、:令 s=j, 得多自由度约束系统的频响函数:3.2 模态测试试验(1) 测试系统组成及被测系统支承条件。模态分析试验测试系统由激振部分、数据采集部分和信号分析部分组成, 本试验激励部分主要指力锤, 数据采集部分主要是指传感器及 YE6261B 数据采集系统, 分析部分主要是指计算机、数据采集及模态分析软件。被测系统的支承条件根据被测系统的结构条件而定, 一般对于大型的结构系统以实际联接状态为支承条件;一般体型较小的可在试验室进行的结构系统的支承条件尽量与实际情况相一致;同样, 本试验模拟发动机齿轮的实际工况, 采用两段固持状态装夹在试验平台上 (如图 2) 。 (2) 网格划分。将试验件按照
7、模态试验的要求进行网格划分, 确定激励输入点和激励响应点的位置并作以标记, 并通过模态软件建模。该零件为齿轮组合件, 结构较复杂, 但两齿轮端面没有干涉, 考虑主要研究大齿轮振动形态, 对模型结构进行简化为单一环面, 沿齿轮径向分为 3 段、沿周向等分为 8 段, 共 32 个节点。 (3) 传感器布置及频率分析范围的选择。测振传感器的布置通常根据经验先大体上判断一下节线的位置, 使传感器尽量避免安装在节线上, 因为在节线上测不出振动信号, 本试验采用单点激振多点拾振的方法, 采用锤击法激励试验件试验时将固定于工装上, 使之处于约束状态, 拾振点固定在 2 号点节处, 其余各节点为响应点。利用
8、压电式加速度传感器和力传感器进行激振和拾振信号的测量。根据该齿轮的工作特性, 设定模态分析试验分析频率为 f=10k Hz, 分析频率包含了发动机最高转速下的所有频率范围。 (4) 频响函数模态试验方法及模态参数识别方法。频响函数模态试验方法和模态参数识别方法有着相互对应的关系, 模态参数识别方法的选择由频响函数模态试验方法来决定, 而频响函数模态试验方法的选择则由被测系统的结构特点来决定, 一般对于结构简单、体型较小的结构系统采用单点激励、单点测量的方法, 对于结构复杂、体型较大的结构系统多采用多点激励、多点测量的方法。模态分析试验中的频响函数测试是试验模态分析的核心部分4, 试验模态分析的
9、另一个核心部分是模态参数识别, 一般分为单模态分析和多模态分析两种。而多模态分析又分为单个频响曲线拟合和多个频响曲线拟合, 单个频响曲线拟合存在一定误差, 需要多次拟合取平均值5。多个频响函数曲线拟合同时对多个测点的频响函数进行拟合 (本试验为 3 个测点) , 一次得出全部模态参数, 可靠性较好。单点激励、单点测量的模态试验方法只能采用单个频响曲线的拟合方法, 只有多点激励、多点测量才能采用多个频响曲线的拟合方法, 而对于那些结构复杂的构件也必须采用多输入、多输出的频响函数测试方式。本试验采用的一点激励单点测量的模态试验方法完全满足试验需求。有效模态识别要从多方面考虑, 比如通过模态相位曲线
10、图, 实频图与虚频图来判定被测系统固有频率, 利用相干系数曲线来判断输入信号与输出信号相关性。模态阻尼值范围也是判定真假模态的一个重要指标, 被测系统由于结构的不同导致阻尼值不同, 相似结构体由于联接方式 (焊接、铆焊、螺栓等) 不同阻尼值也不尽相同, 本次模态试验选择阻尼值在0.1%1%范围内的模态振型。另一方面, 在模态参数识别过程中, 模态振型是否存在均匀分布的驻点是判别模态真伪的重要指标, 一般真实模态具有规则的模态振型, 规则模态振型存在均匀分布的驻点。图 2 模态测试系统示意图网格和节点的划分 下载原图4 试验结果与结论本次试验完成了俄制和国产手动齿轮的模态试验对比。(1) 国产手动齿轮在一节圆和二节圆振型处的固有频率与俄制手动齿轮基本一致, 在节径振型处的固有频率比饿制手动齿轮偏低。 (2) 从结构测量发现, 造成国产和俄制齿轮固有频率不一致的原因是齿轮幅板厚度差异。 (3) 从齿轮生产现场的排故结果发现, 故障齿轮在实际加工过程中出现了沿齿向的波浪线加工痕迹, 结合以上结论初步判断齿轮故障裂纹是由于在加工过程磨刀激起手动齿轮 2 节径固有振动而在齿根部产生微裂纹致使齿轮存在初始损伤。参考文献1李舜酩.振动模态分析M.南京:南京航空航天大学出版社, 2004, 5. 2日大久保信行.机械模态分析M.上海:上海交通大学出版社, 1984, 2.
