王錦邦 杜紅喜 董永耀 蔡震

摘要：某型航空發(fā)動機外場使用過程中混合器連接螺釘發(fā)生斷裂。通過對斷裂螺釘進行金相檢查，從發(fā)動機結(jié)構(gòu)、裝配、修理流程等方面進行分析，確定了螺釘斷裂原因與相關(guān)影響因素，制定了相應(yīng)的改進措施。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;螺釘;斷裂

1 故障現(xiàn)象描述

某型航空發(fā)動機在外場使用過程中，突發(fā)混合器連接螺釘斷裂故障，斷裂螺釘如圖1所示。該螺釘為高溫合金制造（GH738），表面鍍銀，單機共裝32件，用以固定帶支撐環(huán)的混合器和渦輪后機匣，螺釘擰緊后用鎖片進行保險。

如果發(fā)動機工作過程中該螺釘斷裂，斷裂的螺釘會隨高速氣流向后吹出，極易打傷后部加力燃油管，造成發(fā)動機損毀，若卡在可調(diào)噴口內(nèi)會導(dǎo)致噴口調(diào)節(jié)機構(gòu)受阻，并且螺釘斷裂會導(dǎo)致混合器安裝邊受力不均，在高溫、振動的工況下使更多的螺釘出現(xiàn)裂痕，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的飛行事故。

2 故障原因分析

2.1 螺釘斷裂的原因分析

該螺釘斷裂處位于距螺紋根部的第2～3螺紋處，斷裂處表面有黑色物質(zhì)，斷口一側(cè)呈高溫氧化色，其邊緣呈弧形的銀白色，該螺釘斷口宏觀形貌見圖2。

通過對斷裂螺釘進行金相檢查，對螺釘斷口進行了斷口形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在斷口處出現(xiàn)了韌窩特征，韌窩特征如圖3，說明螺釘?shù)臄嗔褜儆谶^載性質(zhì)。

對螺釘斷口邊緣銀白色區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果顯示該銀白色區(qū)域主要含銀元素。

分析螺釘?shù)闹圃臁⑹褂眠^程，發(fā)現(xiàn)該螺釘在使用前需要經(jīng)過鍍銀工序，由此分析認(rèn)為銀元素是由于螺釘鍍銀時帶入，說明螺釘在鍍銀前已經(jīng)開裂，即該螺釘裝機時已經(jīng)存在裂紋，裝機后在高溫、振動工況下裂紋生長，最終導(dǎo)致斷裂。

2.2 缺陷螺釘裝機的原因分析

采用熒光檢測的方法對修理工序檢查過的螺釘進行復(fù)查，檢測出仍有部分螺釘存在裂紋。

經(jīng)分析，為防止高溫?zé)Y(jié)，螺釘安裝前在螺紋表面涂高溫石墨潤滑脂。而在修理工序時，由于螺釘表面有難以清洗的黑色石墨潤滑脂，按原工藝僅用放大鏡目視檢查，難以發(fā)現(xiàn)螺釘是否有損傷，致使存在裂紋缺陷的螺釘流入裝配工序。

2.3 裂紋產(chǎn)生的原因分析

分析存在缺陷的螺釘斷裂點，發(fā)現(xiàn)較多螺釘裂紋在距螺紋根部第2、第3螺紋處，認(rèn)為在此處螺釘受到剪切應(yīng)力。

分析發(fā)動機結(jié)構(gòu)，螺釘連接部位有渦輪后機匣與外流道板，外流道板裝配在后機匣上，通過下方卡槽與上方凸出的銷子進行定位，流道板裝配示意圖如圖4所示。

檢查裝配過程，在螺釘裝配時發(fā)現(xiàn)部分后機匣上的外流道組件已經(jīng)遮擋螺釘孔，如圖5所示，螺釘裝配后流道板必會貼靠螺釘。

當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，此處的溫度（即渦輪后溫度）在中間狀態(tài)不高于785℃，加力狀態(tài)不高于800℃，流道板與螺釘受熱膨脹，在高溫、振動工況下，螺釘受到剪切力作用，從而引發(fā)裂紋。

基于UG三維軟件，建立螺釘?shù)挠邢拊治鰧嶓w模型?？紤]溫度影響，在最高溫度800℃的工況下對螺釘進行ANSYS模擬仿真，螺釘?shù)姆抡嫘巫儓D證實了螺釘裂紋的產(chǎn)生原因，如圖6所示。

3 改進措施

3.1 改良螺釘檢查方法

由于螺釘表面有黑色石墨潤滑脂，目視檢查難以發(fā)現(xiàn)螺釘?shù)牧鸭y損傷，經(jīng)分析研究，采取增加熒光工序的方式來改良螺釘檢查方法。修理工序?qū)Ψ纸庀聛淼穆葆斶M行清洗，檢查螺釘外觀后送至熒光工序進行熒光檢測，對檢測出裂紋的螺釘做報廢處理，未發(fā)現(xiàn)故障的螺釘送入下工序。

3.2 裝配時保證同心度

分析發(fā)動機結(jié)構(gòu)與裝配過程，由于流道板已事先裝在渦輪后機匣上，故制作了一種有導(dǎo)正作用的定位銷軸來保證同心度，銷軸實物如圖7所示。

當(dāng)定位銷軸通過混合器上的安裝孔旋入后機匣螺釘孔時，銷軸上的過度段就會對位于后機匣和混合器之間的流道板起到導(dǎo)正作用，遮擋螺釘孔的外流道板可被校正，此時混合器安裝孔、渦輪后機匣安裝孔（含外流道組件安裝孔）的同心度大幅提升，螺釘可自由擰入渦輪后機匣安裝孔，銷軸使用前后效果對比如圖8所示。

實行了上述兩項措施后，經(jīng)長期驗證，螺釘斷裂故障率降低至0%。

4 總結(jié)

經(jīng)過對該型發(fā)動機混合器連接螺釘斷裂故障進行原因分析與措施改進，可以看出，螺釘出現(xiàn)裂紋的原因為機件裝配時不同心，以至高溫時螺釘受到剪切力。特別是流道板裝配與混合器裝配分處兩個工序，同心度控制方法與要求不統(tǒng)一。新設(shè)計的定位銷軸則在混合器裝配時進行導(dǎo)正，保證裝配時混合器安裝孔、渦輪后機匣安裝孔、外流道組件安裝孔同心，預(yù)防了連接螺釘斷裂故障的發(fā)生。