滑油箱支架斷裂故障研究

李豐豐　陶傳戈　劉丹

摘 要：本文主要通過對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱支架斷裂故障件的理化分析、支架和銷軸相關(guān)尺寸檢查、應(yīng)力計(jì)算對(duì)比分析、支架和銷軸的加工和裝配工藝及試制過程復(fù)查等工作開展，探究支架斷裂的故障原因，采取進(jìn)一步完善優(yōu)化零件加工工藝及表面質(zhì)量檢查方法等措施，以確保支架表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)圖紙要求，進(jìn)而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；支架；斷裂；故障；表面質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TH133 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中檢查發(fā)動(dòng)機(jī)密封性時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于滑油箱后上部，用于固定后段箍帶的支架斷裂，形貌如圖1所示。我們對(duì)故障件開展了理化分析、相關(guān)檢查測(cè)量、應(yīng)力計(jì)算對(duì)比分析、加工及裝配過程復(fù)查等工作。通過與故障件的相配銷軸尺寸對(duì)比檢查發(fā)現(xiàn)，銷軸存在凸出臺(tái)階，不符合設(shè)計(jì)要求。

1 故障件理化分析

1.1 宏觀檢查

支架在發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)的吊耳發(fā)生斷裂，斷口呈灰色，斷口附近無明顯的塑性變形。隱約可見一條弧線且可見放射棱線，應(yīng)為裂紋源，斷口為疲勞斷口，疲勞區(qū)域占斷口面積約3/4。

斷裂位于吊耳內(nèi)弧面與平面的交界處，吊耳內(nèi)弧面斷口附近有磨損痕跡，磨痕的輕重程度不均勻，裂紋源正好位于磨痕較重的位置。在吊耳端頭非接觸面還可見有金屬光澤的損傷磨痕。觀察與支架配合的銷子，除斷裂的吊耳配合的一側(cè)除小端有一處1.2mm左右寬度臺(tái)階外，在大端面上還有一磨痕。該側(cè)銷子大端面頭部與已斷裂的吊耳配合面均存在對(duì)應(yīng)的磨痕。

1.2 微觀檢查

將斷裂的吊耳斷口放入掃描電鏡觀察，源區(qū)未見冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶，進(jìn)一步表明斷口為疲勞斷口，瞬斷區(qū)為韌窩形貌。

在支架斷口附近磨制金相試樣進(jìn)行觀察，為等軸α+β轉(zhuǎn)雙態(tài)組織，未見組織異常，疲勞源區(qū)附近表面未見重熔層。

1.3 觀察結(jié)果分析

斷口宏觀和微觀特征表明支架吊耳斷裂為疲勞斷裂，疲勞源位于支架吊耳內(nèi)弧面與平面交界處；源區(qū)磨痕較重，有微裂紋，表明疲勞起始應(yīng)力較大，擴(kuò)展速度快。疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展應(yīng)與多次裝配存在差異相關(guān)。

銷子與支架兩個(gè)吊耳都有兩次磨痕，這是造成裝配差異的表象。銷軸的大端面兩端與支架兩個(gè)吊耳內(nèi)側(cè)有1.5mm左右間隙，當(dāng)裝配銷子靠緊未斷的吊耳一側(cè)時(shí)，銷軸加工殘留凸臺(tái)未對(duì)斷裂吊耳的受力情況產(chǎn)生影響。反之，當(dāng)裝配銷軸靠緊斷裂一側(cè)的吊耳時(shí)，由于銷軸加工殘留凸臺(tái)影響，理論上銷軸只有1mm左右的寬度與吊耳接觸，箍帶擰緊后改變吊耳的受力分布，使裂紋萌生處產(chǎn)生較大應(yīng)力。

斷裂支架內(nèi)側(cè)及銷子大端面頭部均存在對(duì)應(yīng)的磨痕，這些痕跡應(yīng)是吊耳斷裂后，銷子偏置導(dǎo)致的。在斷裂一側(cè)銷子大端面上的磨痕與斷裂吊耳端頭非接觸面的損傷磨痕相對(duì)應(yīng)，這是吊耳疲勞開裂后，吊耳開口張大，銷子大端面進(jìn)入吊耳內(nèi)與吊耳端頭反復(fù)碰磨形成的。

2 尺寸檢查及應(yīng)力計(jì)算

2.1 尺寸檢查

對(duì)吊耳及相關(guān)定位尺寸進(jìn)行了測(cè)量。斷裂處與未斷處的吊耳內(nèi)環(huán)直徑尺寸、外環(huán)直徑尺寸，吊耳中心對(duì)下方孔定位尺寸均滿足設(shè)計(jì)圖要求。

對(duì)銷軸兩處配合尺寸進(jìn)行了測(cè)量。外圓表面距根部約0.8mm范圍之內(nèi)，存在一處0.01mm～0.015mm的臺(tái)階。從數(shù)據(jù)上看，臺(tái)階處的尺寸雖未超差，但臺(tái)階上下應(yīng)保持同一直徑，而不應(yīng)存在臺(tái)階。

2.2 應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)故障件形貌，制定兩組方案，采用有限元軟件ANSYS對(duì)兩組方案進(jìn)行靜應(yīng)力對(duì)比分析。

方案一：銷軸與支架吊耳正常貼合；

方案二：銷軸與支架吊耳不完全貼合。假設(shè)支架吊耳配合處直徑尺寸為φ12mm，銷軸直徑尺寸為φ12.2mm，不完全貼合時(shí)，銷軸與支架吊耳由原來的面接觸變?yōu)閮商廃c(diǎn)或小曲面接觸。

通過仿真對(duì)比分析可得：

方案一：正常貼合時(shí)，大應(yīng)力區(qū)域在懸臂梁根部。

方案二：銷軸與支架吊耳不完全貼合時(shí)，因載荷情況發(fā)生變化，對(duì)支架的整體應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。大應(yīng)力區(qū)域由正常貼合時(shí)的吊耳懸臂梁根部變?yōu)榈醵鷥?nèi)弧面與平面的交界處，即在支架實(shí)際失效故障部位附近。且該部位應(yīng)力水平增大為原來的4倍。

2.3 箍帶動(dòng)應(yīng)力測(cè)試

在發(fā)動(dòng)機(jī)上更換新品支架后，試車過程中測(cè)量滑油箱箍帶的動(dòng)應(yīng)力，設(shè)置了8個(gè)貼片位置作為測(cè)量點(diǎn)，其中1、2測(cè)點(diǎn)為油箱前箍帶與銷軸連接部分，5、6測(cè)點(diǎn)為油箱后箍帶與銷軸連接部分，3、4測(cè)點(diǎn)為后上支架的兩側(cè)，7、8為前上支架的兩側(cè)。動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果（見表1）表明，滑油箱箍帶在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的應(yīng)力水平較低。

3 工藝過程復(fù)查

3.1 機(jī)加過程復(fù)查

經(jīng)復(fù)查支架及銷軸的加工工藝、制定的檢驗(yàn)方法及生產(chǎn)過程記錄，發(fā)現(xiàn)支架加工工藝設(shè)計(jì)和采用粗糙度對(duì)比樣塊檢查零件表面粗糙度的方法不能滿足設(shè)計(jì)圖要求。

3.2 裝配過程復(fù)查

斷裂的支架位于油箱的后上部，用于固定后段箍帶。將支架用螺栓、螺母固定在三級(jí)機(jī)匣安裝邊上，擰緊力矩為9N·m～10N·m。固定箍帶的螺栓擰緊力矩為5.5N·m～6.5N·m。經(jīng)復(fù)查裝配油箱支架、油箱和箍帶的工藝文件及實(shí)際裝配過程符合設(shè)計(jì)要求。通過復(fù)查其他類似型發(fā)動(dòng)機(jī)油箱箍帶安裝形式及擰緊力矩，表明故障件配裝的該型發(fā)動(dòng)機(jī)箍帶螺栓擰緊力矩較大。

支架斷口理化分析結(jié)果表明支架受力較大，疲勞裂紋擴(kuò)展速度快，支架疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展是由于銷軸的加工凸臺(tái)與支架多次裝配時(shí)存在差異，使支架承受較大的裝配應(yīng)力導(dǎo)致。支架表面粗糙度不符合設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)給定的箍帶螺栓擰緊力矩較大是支架斷裂的誘因。

4 制定改進(jìn)措施

改進(jìn)支架加工工藝路線和表面粗糙度檢驗(yàn)方法。將現(xiàn)行的以線切割加工主導(dǎo)的工藝路線改為銑加工，保證所有表面均為機(jī)加直接形成，確保所有表面粗糙度均滿足要求。重新確定表面粗糙對(duì)比檢查的標(biāo)準(zhǔn)樣塊。

加工中及時(shí)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。加強(qiáng)過程檢驗(yàn)，特別是零件外觀檢查，防止不合格零件流出。

與設(shè)計(jì)部門協(xié)商，參照其他發(fā)動(dòng)機(jī)型減小箍帶螺栓的擰緊力矩。

結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)故障件相關(guān)的工藝及試制過程復(fù)查、理化分析、應(yīng)力計(jì)算對(duì)比分析等工作開展，探究故障原因，找出銷軸的加工凸臺(tái)與支架多次裝配存在差異為裂紋萌生進(jìn)而斷裂的主要因素，以及支架表面粗糙度不滿足設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)給定的箍帶螺栓擰緊力矩較大為支架斷裂的誘因，為制定改進(jìn)措施，完善優(yōu)化工藝，提升支架和銷軸加工質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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