润滑组件主动轴断裂原因分析及仿真复现.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.024润滑组件主动轴断裂原因分析及仿真复现谢春稳1,张文涛,陈江弥,孙胜利1（1.航空工业新乡航空工业集团民机研发中心，河南新乡4 5 3 0 1 9；2.航空工业新乡航空工业集团上海研发中心，上海2 0 0 1 2 5）摘要：根据某航空发动机滑油系统润滑组件主动轴断裂的故障，采用宏观检查、微观电镜扫描和能谱分析的方法分析和讨论了主动轴断裂的原因。由于片状金属异物进人润滑组件的内外转子啮合腔，导致内外转子出现卡滞，主动轴在负载急剧升高的情况下于安全截面发生断裂；采用ABAQUS软件对润滑组件正常运转及片状金属异物进人内外转子之间时的两种情况进行了仿真，结果显示在润滑组件正常工作时，产品受到的最大应力小于材料的屈服应力，不会发生永久变形和破坏；而在片状金属异物进人内外转子之间时，出现的卡滞会导致外转子和主动轴的最大应力达到材料强度极限而出现断裂破坏，复现了实际故障发生时的断裂过程。关键词：断轴；理化分析；卡滞分析；动力学仿真；强度校核中图分类号：TH137(1.AVIC Xinxiang Aviation Group Civil R&D Center,Xinxiang 453019,China;2.AVIC Xinxiang Aviation Group Shanghai R&D Center,Shanghai 200125,China)Abstract:According to the failure of the driving shaft fracture of the lubricating assembly of an aero-engine lubricating oil system,the causesof the driving shaft fracture are analyzed and discussed by means of macroscopic examination,microscopic electron microscope scanning,andenergy spectrum analysis.The reason is that the internal and external rotors were jammed due to the entry of flaky foreign metal into themeshing cavity of the internal and external rotors,and the driving shaft broke at the safety section under the condition of sharp load rise;TheABAQUS software is used to simulate two conditions include the normal operation of the lubricating assembly and when the flaky foreign metalenters the cavity between the inner and outer rotors.The results show that the maximum stress in the product is less than the yield stress of thematerial when the product work normally,and there will be no permanent deformation and damage;When the flaky foreign metal entersbetween the inner and outer rotors,the clamping stagnation will cause the maximum stress of the outer rotor and the driving shaft to reach thematerial strength limit and cause fracture failure,which reappears the actual fracture process.Key words:shaft fracture;physical and chemical analysis;stuck analysis;dynamic simulation;strength check0引言配套于某国产航空发动机的润滑组件在进行地面试车时，出现了供油级出口无压力的现象。将滑油泵从发动机上拆卸进行外观检查，发现滑油泵上与发动机相连接的主动轴断裂，断裂位置在主动轴安全截面。对于航空发动机而言，润滑组件主动轴断裂会直接导致系统或整机停运，从而影响到飞机的飞行安全。合理的故障分析方法能够有效地分析出故障的根收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 0作者简介：谢春稳（1 9 8 7-）,男，河南新乡人，高级工程师,硕士，从事民机机载设备设计。文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 4)0 1-0 1 2 3-0 6Cause Analyse and Simulation Reappearance of MainShaft Fracture for Lubricate AssemblyXIE Chun-wen,ZHANG Wen-tao,CHEN Jiang-mi,SUN Sheng-lil本原因,为后续纠正措施的制定提供充分依据。在对断轴故障原因分析过程中，多种分析方法得以运用。朱江涛 对工程机械液压泵常见的故障产生的原因进行推理分析,并建立了系统故障树，为其设计、安装、使用、维修保养提供了理论依据。张越颖 2 通过材料分析测试手段对风力发电机主轴材料及失效模式进行了分析,结合有限元计算结果综合讨论了主轴的失效机理。邢晋等 3 基于疲劳安全分析与ANSYS有限元分析相结合的方法对某闭式循环水泵泵轴断裂的原因进行了研究，全面反映泵轴工作时各处应力状态，有效地查找到原因并制定相应措施。同时,宏观形貌观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、和表面微观分析等123液压气动与密封/2 0 2 4 年第1 期手段也是也是断轴故障分析中经常使用的方法 4-5 。通过对主轴断裂相关文献的查阅发现泵轴的断裂原因大多为设计不合理、原材料缺陷 6 、加工方法不当、使用不当等原因或其组合作用 7 影响。本研究针对某航空发动机滑油系统润滑组件主动轴断裂的故障进行了宏观和微观检查以及能谱分析，分析讨论了故障发生的原因，并采用动力学仿真的方法再现了故障发展过程。1故障描述润滑组件结构原理图如图1 所示。润滑组件通过主动轴上的花键与发动机连接，传递发动机的输入功率从而带动泵内部件的转动。主动轴通过传动齿轮啮合传动带动传动轴旋转，传动轴上安装有7 对内啮合的圆弧泛摆线内外转子,其中2 对用于供油,5 对用于回油。供油泵为发动机各润滑区域提供一定压力的润滑油,同时回油泵能将各润滑腔的润滑油抽回滑油箱。2分解检查及原因分析2.1三主动轴断口分析为进一步查找主动轴断裂的原因,对滑油泵进行了分解检查。采用体视镜对主动轴断口位置进行观察,如图3 所示。主动轴断口断面粗糙，略有起伏，边缘有变形痕迹，部分断面被挤压磨损，分析是由于主动轴断裂后，主动轴花键端随发动机主轴继续转动,因此对断口位置造成了磨损。mIT图3 主动轴断口体视图图4 为主动轴断口微观形貌，微观形貌可见变形韧窝，变形方向大致沿周向，未见疲劳扩展特征，符合扭转过载断裂的特征，分析认为主动轴断裂为过载隔板所致。外转子主动轴图1 润滑组件原理图润滑组件在随发动机进行地面试车时，主动轴转图4 主动轴断口微观形貌速为1 6 0 0 r/min,出现了供油级出口无压力的现象,将滑油泵从发动机上拆下，发现润滑组件主动轴安全截面处断裂,断裂位置如图2 所示。传动齿轮传动轴图2 主动轴断裂的位置1242.2F内部零件宏观检查分解后零部件照片如图5 所示。靠近传动齿轮的供油级内、外转子之间出现卡滞，外转子与内转子之间无法正常啮合。外转子齿根部位有贯穿裂纹，内、外转主动轴断裂位置子之间的啮合间隙存在形状非规则的片状金属,尺寸约为6 mm4.5mm0.35mm。与出现断裂的转子端面配合的隔板进油口处出现掉块。隔板出油口处缺口经判断是气蚀所致，与金属片及内外转子卡滞无关。采用体视镜对隔板进行观察,可见隔板进油腔有3处损伤,其中2 处挤压切削痕迹位于腔室外侧内壁（中部与底部），腔室内侧的1 处损伤位于腔室内壁与隔板表面交接转角处，腔室内侧转角顶端被反复挤压磨损（有明显的材料缺失），腔室内壁可见多次切削痕迹，切Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024削痕宽度分布于0.5 1 mm,见图6。认为弧形边断裂性质为过载断裂。裂纹位置外转子金属片位置金属片掉块隔板4气蚀5.mm图8 内转子端面磨痕体视图图5 润滑组件分解检查EH-15.0V外侧增压级金属碎屑表面由起伏的棱面组成，棱面上可见平直的挤压痕迹,大小约为1.1 mm0.7mm,见图1 0。内侧5mm图6 隔板进油口体视图外转子内圈可见齿顶存在周向的磨痕,其中齿顶可见一处明显凹痕，尺寸约为5 mm6mm，分解时金属片处于该凹痕位置，且凹痕形状与金属片吻合，因此可以判断该处凹痕为内外转子啮合时挤压金属片所致；外转子断口略有起伏，断面粗糙，见图7。EHT-1.00WWo-41.Tmm图9 金属片电镜扫描12.27mm图1 0 金属屑边缘电镜扫描图1 1 为外转子断口处的电镜扫描图片，观察外转子断口微观形貌可见解理台阶、河流花样及韧窝，未见疲劳扩展特征,因此可判定外转子为过载断裂。图7 外转子压痕及断口体视图内转子齿面可见轻微的周向磨痕，未见挤压痕迹，分析是由于内转子材料为GCr15Z,材料硬度高于外转子的HT300所致。内转子侧面可见环形磨痕,如图842mm所示,分析是由于金属片进人内外转子啮合腔之前磨损所致。2.3内部零件微观检查为进一步分析原因,将收集的金属片、金属屑等异物放入场发射电镜中进行观察。增压级金属片微观形貌见图9,金属片一侧为直角边，一侧为弧形边,弧形边为断裂面,可见变形韧窝，结合断面的弧形起伏，分析36.62mm图1 1 供油级外转子断口电镜扫描隔板的材料为铝合金2 A70,图1 2 为隔板进油口处断口微观形貌。断口未见疲劳特征,存在由于摩擦痕迹，分析是由于金属片进入时引起的。隔板右侧损伤微观形貌见图1 3，损伤呈坑洞状，中心凹陷，内壁面较光滑，呈波浪状，无断裂痕迹，可以判125201m液压气动与密封/2 0 2 4 年第1 期定其为气蚀坑,是由于高压流体冲击,空泡于隔板表面破裂造成的损伤痕迹。EHT-15.0AVSpatSin图1 2隔板进油口断口电镜扫描SOA-SE2No-49mmMg-1.00Kx图1 3隔板进油口断口电镜扫描2.4能谱分析对收集的金属片及金属屑进行能谱分析，结果见图1 4 与表1。口1269(a)增压级金属片图1 4 金属片及金属屑能谱分析图增压级金属片主要元素为Fe，C 元素，另有微量Al,Mn及Si元素。将金属片的材料元素同润滑组件内零件使用的材料进行对比，未发现材料相同的零件，且润滑组件内零件为出现类似金属片结构形貌的脱落或掉块，因此可以确定金属片为外来异物。增压级金属屑主要元素为Al元素,另有微量Fe,Ni,Cu等元素，氧化区的O,S元素含量较高。增压级金属屑成分与隔板材料相近,结合隔板边角的材料缺失及碎屑上的切削痕迹,可以判定该金属屑来源于隔板,在金属片从隔板进入内外转子啮合腔时切割隔板使隔板材料脱落而行成金属屑。2.5分析与讨论通过观察铝合金隔板表面损伤的宏微观形貌可见其损伤痕迹分为两类：一类为进油腔的挤压磨损、切削126表1 金属片与金属屑能谱分析结果增压级金属增压级金属 增压级金属 增压级金属元素片-1C19.690一Mg1.18SporSize*Alipna/A=SE2g21x2(b）增压级金属碎屑片-222.63一1.17Si0.21SMnCrFepotSietZEISS屑-152.820.6241.820.17一1.331.24一77.5974.79NiCu伤痕；一类为出油腔的气蚀痕迹。挤压磨损、切削类损伤通常由外物（硬度较高）与损伤件接触碰撞造成。隔板进油腔的损伤痕迹分布于腔室内壁，切削痕迹部分接近腔室底部，属于正常工作下不会与其他部件接触的区域。结合切削痕较窄的现象,分析认为有尖锐的外来物进入进油腔内，在与隔板相邻转子的转动作用下撞击并挤压隔板进油腔内壁，使得隔板出现磨损、切削的痕迹。隔板相邻转子内发现的金属片硬度高于隔板,且其大小可进人腔室,厚度与切削痕迹符合,因此可以判定其为进入进油腔的异物。增压级金属碎屑主要成分为AI元素,结合其切削痕迹与铝合金隔板边角材料缺失情况，可以判定其来源于隔板。外转子及主动轴的断口经分析均为过载所致，推断原因是由于金属片进入内外转子的啮合腔后，内外转子卡滞，使主动轴的负载升高，最终导致主动轴在安全截面发生断裂。详细的断裂机理在下一节采用仿真分析的方法进行分析。3故障仿真为分析异物进入内外转子导致主动轴断裂的机理，采用ABAQUS软件进行了动力学仿真分析。对润滑组件正常运转和金属片进入内外转子啮合腔的异常运转两种状态进行了仿真。设定润滑组件主动轴的转速为1 6 0 0 r/min,正常工作的负载为5 Nm。为提高计算效率，仅取出现裂纹的增压级传动部件进行仿真，屑-29.741.4584.944.150.520.091.190.070.990.441.16Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024壳体简化成刚性面，关键部件均采用六面体网格进行外齿轮传动啮合周期呈对应关系，最大应力达到划分，主动轴安全截面部位网格细化尺寸为0.2 mm，302.2MPa，远低于材料9 3 1 0 的屈服极限9 5 5 MPa，因模型的网格划分情况如图1 5 所示，各零部件的材料参此在正常运转过程中，主动轴及外转子均不会发生数如表2 所示。损坏。润滑组件在正常运转过程中，外转子的应力云图如图1 7 所示，从图中可以看出，齿根部位较齿顶部位承受更大的应力，齿根部位的最大应力值达到162.3 MPa。ContourPlot-StresscomponentsIP(Mises,Max)SimpleAverage1.623E+021.444E+021.264E+021.084E+029.044E+017.247E+01图1 5传动部件网格划分表2零部件材料参数DynamicMax.Value=162.3325.449E+013.652E+011.855E+015.744E-01NoResult图1 7 正常转动时外转子应力云图DynamicMax.Value=302.172部件名称材料密度/kg m*3弹性模量/CPa泊松比屈服强度/MPa极限强度/MPa350300250200150100500图1 6正常运转时外转子及主动轴应力变化润滑组件正常运转时，主动轴及外转子最大应力随时间的变化如图1 6 所示。从图中可以看出，润滑组件正常工作时,外转子上所受到的最大应力较为稳定，在1 5 0 MPa上下浮动，最大应力达到1 6 2.3 MPa，低于屈服应力1 9 5 MPa;主动轴由于与传动齿轮为外齿轮啮合，最大应力随着时间呈现波动的趋势，且波动趋势同主动轴931078802040.3779551205一口一主动轴一0 一外转子0.0020.004时间/s外转子HT30072501080.261953000.006内转子GCr15Z78102120.295188610.008图1 8 为润滑组件正常运转时，主动轴的应力分布图。同外转子相比，主动轴的应力分布较为简单，仅在颈缩处存在较大应力，最大应力值位于安全截面，为302.2MPa。Contour Plots-stress components IP(Mises,Max)simpleAverage3.022E+022.751E+022.481E+022.211E+021.940E+021.670E+021.399E+021.129E+028.586E+015.882E+01No Result当金属片异物进人润滑组件内外转子啮合腔时，主动轴及外转子最大应力随时间的变化如图1 9 所示。当运转至在0.0 0 6 5 s时,由于异物卡在内外转子啮合部位，导致外转子最大应力达到强度极限3 0 0 MPa,出现损坏。内外转子出现卡滞后，主动轴受到的最大应力急剧上升，在0.0 1 2 5 s时，主动轴安全截面上最大应力达到抗拉强度1 2 0 5 MPa,出现断裂破坏。在异物进人内外转子啮合腔时,外转子最大应力127图1 8 正常转动时主动轴应力云图参考文献液压气动与密封/2 0 2 4 年第1 期部位出现在金属片最后停留导致卡滞的位置，如图2 0所示,与实际故障发生时出现明显压痕的位置一致。仿真中未能反映试验现象中外转子裂纹位置，但从最大主应力结果来看，该处应力值达到了2 6 0.6 MPa，远超过材料屈服强度1 9 5 MPa，没有断裂的原因与异物真实碰撞前的运动路径和尺寸均有关系。1400一主动轴1200一0 一外转子10008006004002000图1 9 异物进入时外转子及主动轴应力变化ContourPlots-Stress components IP(Mises,Max)SimpleAverage3.000E+022.667E+022.335E+022.002E+021.669E+021.337E+021.004E+026.715E+013.389E+016.240E-01NoResult图2 0 异物进入时外转子应力云图当异物进人润滑组件内部导致卡滞时，主动轴的最大应力出现在安全截面位置，最大应力值为1205MPa,如图2 1 所示，达到了材料的极限强度，主动轴出现断裂，呈现了实际故障发生的受力及断裂过程。4结论通过对故障件的分解检查、零件的宏观检查、微观检查、能谱分析等方法对润滑组件主动轴断裂的原因进行了分析，原因是由于金属片异物进人润滑组件的引用本文：谢春稳，张文涛,陈江弥，等.润滑组件主动轴断裂原因分析及仿真复现 J.液压气动与密封,2 0 2 4,4 4（1）：1 2 3-1 2 8.XIE Chunwen,ZHANG Wentao,CHEN Jiangmi,et al.Cause Analyse and Simulation Reappearance of Main Shaft Fracture for LubricateAssembly J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):123-128.128一级转子与隔板间,在油压与转子带动下金属片挤压磨损、切削隔板的进油腔室，然后金属片进入内外转子啮合腔，卡在内外转子齿顶间,硬度较低的外转子被挤压出凹坑，转子卡滞，最终导致主动轴于保护段断裂。ContourPlots-stress components IP(Mises,Max)Simple Average1.205E+031.105E+031.005E+039.052E+028.052E+027.053E+026.053E+025.054E+024.054E+023.055E+02NoResuit2000000000000000000000.0040.008时间/sDynamieMax.Value=300.000DynapicMakValue=12p5.000图2 1 异物进入时主动轴应力云图0.0120.016通过动力学仿真结果显示，在润滑组件正常运转时,外转子与主动轴的最大应力分别为1 6 2.3 MPa和302.2MPa,均未超过材料的屈服应力，不会发生永久变形和破坏；当片状金属异物进入内外转子啮合腔后，在0.0 0 6 5 s时,异物卡在内外转子啮合部位，导致外转子最大应力达到强度极限3 0 0 MPa，出现损坏，之后主动轴受到的最大应力急剧上升，在0.0 1 2 5 s时，主动轴安全截面上最大应力达到强度极限1 2 0 5 MPa，出现断裂破坏，复现了实际故障发生时的断裂过程。1朱江涛.工程机械液压泵故障树分析 J.内燃机与配件，2022,(22):82-84.2张越颖.风力发电机主轴的失效分析与有限元数值模拟D.北京：北京有色金属研究总院,2 0 2 2.3邢晋,张建军.闭式循环水泵泵轴断裂分析及处理 J.电力学报,2 0 2 1,3 6(3):2 5 4-2 6 0.4邹宝诚，曾勇，初希，等.超临界机组闭式循环冷却泵轴断裂分析及处置建议J.机械设计，2 0 2 0,3 7（S2）：1 4 8-151.5 徐科,胡则栋,张维.1 Cr13泵轴端部断裂原因分析 J.金属热处理,2 0 1 9,4 4(S1):398-401.6陈志雄.马氏体沉淀硬化不锈钢泵轴的疲劳断裂失效分析 J.广东石油化工学院学报,2 0 2 0,3 0（4）：5 0-5 4,6 3.7孙奇,马腾云，任鹤，等.1 7-4 PH泵轴断裂失效原因分析J.中国金属通报,2 0 2 1，（8）:2 0 6-2 0 7.