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基于航空发动机零部件失效分析的工程应用创新教学实践

2024-09-05 50 上传者：管理员

摘要：本文基于航空发动机关键零部件失效分析的工程应用创新教学实践探索，通过系统分析和实践操作提升学生的工程技能和创新能力。结合实际案例，将失效分析理论与实际检测相结合，对航空发动机零部件失效原因深入分析。结合工程实际应用，提出了一种创新的教学方法。该方法以提高学生的实际操作能力和创新能力为目标，强调理论与实践的结合，注重培养学生的实际问题解决能力。这种教学模式不仅增强了学生对航空发动机关键零部件的理解，而且锻炼了他们的工程实践能力和创新思维，为未来航空工程领域培养出具备实际操作经验和解决问题能力的高质量人才。

关键词：
关键零部件
创新思维
创新教学
失效分析
实践能力
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1、引言

随着机械工业的不断发展，发动机不仅要具有在高速、高负荷、高推重比等工况下可靠工作的能力，而且要具有低成本、低油耗、轻量化的特点[1]。这对传动轴的安全性和可靠性提出了严格的要求[2]。花键是机械传动系统中常用的一种传动部件。它具有承载能力高、载荷分布均匀、齿根应力集中小、自中性好、转向性好等特点。因此，它被广泛应用于航空领域和轨道交通领域的传动系统，如航空发动机[3-5]。花键传动的相关问题为机械专业学习的重点，特别是如何准确的分析出关键零部件的失效原因，为其寿命的提升打下基础。

航空发动机作为飞机的心脏，其零部件的性能直接关系到飞行安全和效率。因此，对航空发动机渐开线花键失效分析的教学不仅能帮助学生理解理论知识，还能提升他们解决实际问题的能力。传统的教学模式往往侧重于理论的灌输，而忽视了实践操作的重要性。然而，工程问题的解决往往需要将理论与实践相结合，特别是在航空发动机这一高科技领域。为了弥补这一缺陷，本文提出了一种基于航空发动机零部件失效分析的工程应用创新教学实践方法。

本文强调了项目驱动的教学方法。学生在教师的指导下，参与到真实的航空发动机零部件检测项目中，通过团队合作完成从问题识别到解决方案实施的全过程。在这项工作中，指导学生对失效的渐开线花键传动轴进行了全面分析，传动轴来自某航空企业飞机发动机，其材料为40CrNiMoA钢。该飞机飞行了700小时左右，发现传动轴花键表面磨损严重。因此，从化学成分、显微组织、碳化物和倾角不对中度等方面对失效传动轴进行分析，找出失效影响因素。并提出改进建议来提高传动轴花键的耐磨性。

2、失效件描述

图1显示了航空发动机燃油泵传动轴，本文以使用700小时后的受损传动轴花键(外花键)作为主要研究对象。

图1 航空发动机燃油泵传动轴实物图

本文主要以失效的传动轴Z1花键为研究对象，来开展一系列检测实验查找传动轴花键磨损失效的影响因素。将Z1花键截成多个单键齿，选择磨损严重的键齿，用酒精超声清洗后，采用3D测量激光显微镜对花键磨损面宏观形貌进行观察。图2显示了传动轴花键磨损失效的表面宏观形貌。从图中可以看出，传动轴花键副磨损具有不均匀性，花键副左端部位磨损严重，花键副右端部位磨损轻微。

图2 传动轴花键单齿磨损面图

3、结果与分析

3.1 化学成分分析

采用Q4-130 TASMAN全谱直读火花光谱仪对传动轴材料的基本化学成分进行了分析，从传动轴花键材料表面下方4 mm处采集两个样本，用于检测部件分析。结果见表 1所示。

表1 受损传动轴基体材料的化学成分 (wt.%)

根据上表可知，受损传动轴基体材料与40CrNiMoA合金钢成分最为接近，通过对比GJB 1951-1994《航空用优质结构钢棒规范》中40CrNiMoA合金钢材标准值之后，确定了受损传动轴基体材料的基本化学成分是符合标准要求。但Si的含量偏高，这可能会提高材料的强度和回火脆性，但是也会导致其韧性降低。

3.2 组织分析

按照GB/T 13299-1991标准《钢的显微组织检验方法》,对试样沿轧制方向的传动轴材料进行了检验。经过退火处理、研磨、抛光、4%硝酸醇蚀刻后，光镜下观察传动轴材料的金相组织。退火组织为带状组织，具有明显的不均匀性和偏析，其中白色为先共析铁素体，灰黑色为珠光体。传动轴退火材料的显微组织如图3所示。珠光体约占60%,明显偏高。在铁素体/珠光体带状组织中，应力应变分布不均匀，沿界面应变不相容，导致在铁素体/珠光体界面处形成首选裂纹位置，裂纹沿晶界扩展，最终导致磨损性能降低。

图3 传动轴材料退火态的显微组织

3.3 碳化物分析

截取受损传动轴基体制成TEM样品，采用TEM观察传动轴基体的微观结构。图4是从传动轴基体内部观察到的较大碳化物(呈圆形),其直径约为260nm。材料中夹杂着明显的大尺寸、不规则的碳化物，易引起应力集中，产生微裂纹。碳化物对材料的摩擦和疲劳性能有害，大规模的碳化物会导致更高的磨损率。

图4 失效传动轴材料中的碳化物TEM图

3.4 传动轴花键倾角不对中的仿真分析

利用仿真软件针对不对中对传动轴花键副磨损失效的影响进行模拟分析，不对中花键联接主要有两种基本类型(平行不对中和倾角不对中)。这种由位置和几何误差引起的异常接触严重影响传动系统的振动和齿的磨损状态，从而导致花键联轴器的过早失效。它严重制约了机械传动系统的可靠性和寿命，本文只针对倾角不对中进行有限元分析如图5(a)所示。

建立传动系统的三维实体装配模型，并将其导入有限元软件中。然后输入40CrNiMoA材料参数：泊松比0.295,弹性模量2.09E+11 Pa, 密度7830 kg/m3。采用四面体单元对零件进行网格划分，并对啮合齿面进行局部细化，以提高零件的质量计算精度。根据实际工况设置边界条件：外花键固定；内花键施加扭矩92N·m; 内花键Y向位移S=0.00001×sin(1080×time)。静态接触的有限元模型所建立的分析如图5(b)所示。

图5 有限元模型

图6 不同倾角不对中量的应力分布云图

当传动轴花键工作时，一对传动轴花键副一直处于啮合状态。图6显示了花键副在啮合运动过程中不同倾角不对中量的等效应力状态。可以看出倾角不对中会引起很大的等效应力分布不均，从图6(a-d)中可以得到应力最大的位置是左端，这是因为当外花键旋转运动时，左端的花键副最先接触，然后其他花键副依次接触，越早接触的花键副受载越大，磨损越严重，这与实际传动轴花键副磨损的现象一致，如图2所示。同时，随着倾角不对中量的增大，花键副偏载越严重，因为不对中量的增大使得各个花键副的侧间隙差距更大，后续花键副更难发生接触，应力分布更加不均匀。

通过以上分析可知，传动轴花键副带状偏析的和较大碳化物的存在对磨损失效产生了一定的影响，但对失效花键副表面磨损形貌进行分析，明显在工作过程中出现了偏磨，左端比右端磨损严重，是表面受力不均匀，左端受力大于右端所致。利用仿真软件模拟了不对中对花键副表面的受力分布，结果和实际相一致，表明不对中对传动轴花键磨损失效的影响更大。

4、结论

针对工程中发动机传动轴花键的失效问题，开展了相关分析，并找出了传动轴花键失效的因素，采用理论联系实际的方法，指导学生开展工程中关键零部件的失效分析。通过解决工程应用问题的创新教学模式，进行职业院校教学改革。学生分析了传动轴花键失效的主要影响因素，整个分析过程，始终以学生自学分析为主，教师指导学生分析问题为辅。教师指导实践教学的同时，也提高了学生解决工程应用的能力。

通过以传动轴花键为主题的工程失效分析教学模式，得到以下收获：

1)加强了学生对分析关键零部件的相关设备的学习，培养学生善于思考问题和解决实际工程问题的能力。

2)进一步丰富了教师的教学模式，在解决工程问题中指导学生进行专业理论知识的学习，为今后的工程化教学改革提供了一种思路。

根据渐开线花键失效分析结果，提出了以下改进措施：

1)控制加工精度和装配精度，降低应力集中系数，阻碍裂纹萌生。

2)在传动轴安装过程中，严格控制不对中量，倾角不对中量控制在0.20以内。

3)可通过表面改性的方法，提高花键齿面的残余应力和强度，以提高材料的耐磨性能。

4)可以在传动轴花键副上喷涂涂层，以减少微动磨损时摩擦副之间的阻力，起到润滑和保护作用。

参考文献:

[1]公彦军,李萌芳,等.浅谈商用车传动轴轻量化技术[J].重型汽车,2020(4):25-26.

[3]葛新锋,梁满,等.传动轴节叉轴锻造工艺改进[J].铸造技术,2018:646-648.

基金资助:2021年教育部产学合作育人项目(项目编号:202102095133);