航空齿轮胶合承载能力试验与材料-工艺-滑油抗胶合设计方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30777

材料工程与机械制造

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航空齿轮胶合承载能力试验与材料-工艺-滑油抗胶合设计方法

陈进筱¹, 魏沛堂¹(), 李炎军², 刘怀举¹, 朱才朝¹

^1.重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044
^2.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500

收稿日期:2024-06-03 修回日期:2024-06-26 接受日期:2024-07-24 出版日期:2024-08-27 发布日期:2024-08-26
通讯作者: 魏沛堂 E-mail:peitangwei@cqu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U2141247)

Experiment and anti-scuffing design for aviation gear scuffing based on material, surface treatment and lubricant combinations

Jinxiao CHEN¹, Peitang WEI¹(), Yanjun LI², Huaiju LIU¹, Caichao ZHU¹

^1.Chongqing University，The State Key Laboratory of Mechanical Transmissions，Chongqing 400044，China
^2.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China

Received:2024-06-03 Revised:2024-06-26 Accepted:2024-07-24 Online:2024-08-27 Published:2024-08-26
Contact: Peitang WEI E-mail:peitangwei@cqu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U2141247)

摘要/Abstract

摘要：

高温、高速、重载下发生的齿轮胶合会严重影响航空发动机等装备的服役性能。目前面向我国材料-工艺-滑油环境的航空齿轮胶合承载能力试验基础数据缺失，综合考虑材料-工艺-滑油组合的抗胶合主动设计方法不足。开展了21组不同材料-工艺-滑油组合的齿轮胶合承载能力试验，包含9310、18Cr2Ni4WA、16Cr3NiWMoVNbE等材料，磨削、喷丸、微粒喷丸、二次喷丸、光整、二次喷丸+光整等工艺及4450、555、4106、4010、2197、387、560、Mobil jet oil Ⅱ等润滑油。基于PVT极限（齿轮接触压力P、滑动速度V、滑油温度T）计算了不同组合下的齿轮胶合承载能力，探究了材料、工艺、润滑等因素对齿轮胶合承载能力的影响规律。结果表明16Cr3NiWMoVNbE光整齿轮与555滑油组合具有最高的抗胶合性能，其胶合承载能力达39 721 MPa·（m/s）^0.51·℃^0.45。添加剂类型、润滑剂黏度、表面粗糙度为影响齿轮胶合承载能力的3个主要因素，其对胶合承载能力的贡献度分别占比28.7%、23.6%、14.9%。通过OLS（Ordinary Least Squares）线性回归方法拟合了航空齿轮胶合承载能力预测公式，与试验结果对比的平均误差仅为4.99%，为齿轮抗胶合主动设计提供了理论支撑。

关键词: 航空齿轮, 胶合试验, PVT极限, 抗胶合设计, 表面处理

Abstract:

Gear scuffing occurring under high-temperature， high-speed， and heavy-load can significantly impair the performance of aviation engines. However， there is a lack of test data on the gear scuffing load-carrying capacity， and insufficient anti-scuffing design under the combined influences of materials， surface treatment and lubricants. This study investigates the effects of different combinations of materials （9310， 18Cr2Ni4WA， 16Cr3NiWMoVNbE）， surface treatments （grinding， shot peening， Micro-shot peening， dual shot peening， barrel finishing， dual shot peening + barrel finishing） and lubricants （4450， 555， 4106， 4010， 2197， 387， 560， Mobil jet oil Ⅱ） on the scuffing load-carrying capacity， and proposes an evaluation method based on the PVT limit （involving gear contact pressure P， sliding velocity V， and lubricant temperature T）. The results indicate that the tribological system composed of 16Cr3NiWMoVNbE， barrel finishing treatment， and 555 lubricant （containing high-performance EP additives） exhibits relatively superior anti-scuffing performance， and its PVT limit is 39 721 MPa·（m/s）^0.51·℃^0.45. Additive type， lubricant viscosity， and surface roughness are identified as three main factors affecting gear scuffing within the parameter framework， accounting for 28.7%， 23.6%， and 14.9%， respectively. An anti-scuffing design formula was fitted using the Ordinary Least-Squares （OLS） model， with an average error of only 4.99% compared to experimental results， providing a theoretical support for gear anti-scuffing design.

Key words: aviation gear, scuffing test, PVT limit, anti-scuffing design, surface treatment

中图分类号:

V216.3

陈进筱, 魏沛堂, 李炎军, 刘怀举, 朱才朝. 航空齿轮胶合承载能力试验与材料-工艺-滑油抗胶合设计方法[J]. 航空学报, 2025, 46(4): 430777.

Jinxiao CHEN, Peitang WEI, Yanjun LI, Huaiju LIU, Caichao ZHU. Experiment and anti-scuffing design for aviation gear scuffing based on material, surface treatment and lubricant combinations[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(4): 430777.

图/表 16

表 1

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表 2

表 3

表 4

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图 5

图 6

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图 9

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参考文献 36

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	CQU M/38.3/74	FZG A/8.3/90
小齿轮转速/（r·min^-1）	10 000	2 183
对应节圆线速度/（m·s^-1）	38.3	8.3
载荷级	16级Ryder载荷	13级FZG载荷
运行时间/min	10	15
齿数比	16/24	16/24
加载方式	扭矩盘逐级加载	砝码杆逐级加载
润滑方式	喷油润滑	油浴润滑
润滑油温/℃	74	90
失效判定	总损伤面积相加大于齿面总面积的30%	失效损伤总面积相加大于1个齿

参数	16Cr3NiWMoVNbE	18Cr2Ni4WA	9310
热导率 $λ M$ /（W·（m·K）^-1）	38	47	25
密度 $ρ M$ /（kg·m^-3）	7 850	7 910	7 700
比热容 $C M$ /（J·（kg·K）^-1）	450	460	460
弹性模量E/（N·mm^-1）	210	202	206
热膨胀系数v/（10^-5 ℃）	1.15	1.24	1.00

材料	工艺	表面硬度（HV）	表面残余应力/MPa	表面粗糙度/μm
16Cr3NiWMoVNbE	磨削	738	-532	0.39
	二次喷丸	786	-1 166	0.41
	二次喷丸+光整	800	-1 386	0.20
	喷丸	761	-1 479	0.51
9310	磨削	645	-509	0.62
	微粒喷丸	714	-1 328	0.70
	光整	660	-1 450	0.28
18Cr2Ni4WA	磨削	628	-631	0.60

参数	测试温度/℃	4010	4106	555	4450	2197	Mobil jet oil Ⅱ	387	560
运动黏度/ （mm²·s^-1）	40	13.40	24.40	26.50	61	26.96	27.60	25.92	26.70
运动黏度/ （mm²·s^-1）	100	3.31	5.02	5.20	9.55	5.28	5.10	5.20	5.21
滑油类型		STD	STD	HTS+	HTS	HTS	STD	HTS	HTS
黏度指数		120	136	128	130	131	114	135	129

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序号	材料	齿形	工艺	滑油	试验测量油温/ ℃	小齿轮转速/（r·min^-1）	线速度/（m·s^-1）	失效扭矩/ （N·m）
1	16Cr3NiWMoVNbE	FZG-A	二次喷丸	4106	130	2 175	8.3	239.3
2			二次喷丸+光整	4106	130	2 175	8.3	183.4
3			喷丸	4106	140	2 175	8.3	183.4
4			磨削	4106	130	2 175	8.3	302.0
5			磨削	4010	130	2 175	8.3	302.0
6	18Cr2Ni4WA	FZG-A	磨削	4106	130	2 175	8.3	183.4
7				4010	130	2 175	8.3	135.3
8				555	140	2 175	8.3	629.7
9				4450	140	2 175	8.3	450.1
10	9310	FZG-A	磨削	4106	130	2 175	8.3	135.3
11				4010	130	2 175	8.3	135.3
12				555	140	2 175	8.3	730.5
13				4450	140	2 175	8.3	450.1
14	9310	M-20	磨削	2197	80	10 000	38.3	123.0
15			光整	2197	80	10 000	38.3	140.0
16			微粒喷丸	2197	80	10 000	38.3	88.0
17			磨削	Mobil jet oil Ⅱ	80	10 000	38.3	105.0
18			光整	Mobil jet oil Ⅱ	80	10 000	38.3	140.0
19			微粒喷丸	Mobil jet oil Ⅱ	80	10 000	38.3	123.0
20			磨削	560	80	10 000	38.3	158.0
21			磨削	387	80	10 000	38.3	123.0
22	9310	M-25	磨削	Mobil jet oil Ⅱ	80	10 000	38.3	175.0
23			光整	Mobil Jet oil Ⅱ	80	10 000	38.3	228.0
24			喷丸	Mobil Jet oil Ⅱ	80	10 000	38.3	105.0
25	18CrNiMo7-6	FZG-A	磨削	4106	40	2 175	8.3	534.5
26			磨削	4106	65	2 175	8.3	302.0
27			磨削	4106	75	2 175	8.3	302.0
28			喷丸	4106	80	2 175	8.3	239.3
29			光整	4106	80	2 175	8.3	302.0