航空發(fā)動(dòng)機(jī)連接螺釘斷裂故障分析范文

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摘要：某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用過(guò)程中混合器連接螺釘發(fā)生斷裂。通過(guò)對(duì)斷裂螺釘進(jìn)行金相檢查，從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、裝配、修理流程等方面進(jìn)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(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；螺釘；斷裂

1故障現(xiàn)象描述

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用過(guò)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(jī)共裝32件，用以固定帶支撐環(huán)的混合器和渦輪后機(jī)匣，螺釘擰緊后用鎖片進(jìn)行保險(xiǎn)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中該螺釘斷裂，斷裂的螺釘會(huì)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(dòng)機(jī)損毀，若卡在可調(diào)噴口內(nèi)會(huì)導(dǎo)致噴口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受阻，并且螺釘斷裂會(huì)導(dǎo)致混合器安裝邊受力不均，在高溫、振動(dòng)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(jiàn)圖2。通過(guò)對(duì)斷裂螺釘進(jìn)行金相檢查，對(duì)螺釘斷口進(jìn)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(shuō)明螺釘?shù)臄嗔褜儆谶^(guò)載性質(zhì)。對(duì)螺釘斷口邊緣銀白色區(qū)域進(jìn)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?、使用過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該螺釘在使用前需要經(jīng)過(guò)鍍銀工序，由此分析認(rèn)為銀元素是由于螺釘鍍銀時(shí)帶入，說(shuō)明螺釘在鍍銀前已經(jīng)開(kāi)裂，即該螺釘裝機(jī)時(shí)已經(jīng)存在裂紋，裝機(jī)后在高溫、振動(dòng)工況下裂紋生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致斷裂。

2.2缺陷螺釘裝機(jī)的原因分析

采用熒光檢測(cè)的方法對(duì)修理工序檢查過(guò)的螺釘進(jìn)行復(fù)查，檢測(cè)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(rùn)滑脂。而在修理工序時(shí)，由于螺釘表面有難以清洗的黑色石墨潤(rùn)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(diǎn)，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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，螺釘連接部位有渦輪后機(jī)匣與外流道板，外流道板裝配在后機(jī)匣上，通過(guò)下方卡槽與上方凸出的銷(xiāo)子進(jìn)行定位，流道板裝配示意圖如圖4所示。檢查裝配過(guò)程，在螺釘裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)部分后機(jī)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(huì)貼靠螺釘。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)工況下，螺釘受到剪切力作用，從而引發(fā)裂紋?；赨G三維軟件，建立螺釘?shù)挠邢拊治鰧?shí)體模型?？紤]溫度影響，在最高溫度800℃的工況下對(duì)螺釘進(jìn)行ANSYS模擬仿真，螺釘?shù)姆抡嫘巫儓D證實(shí)了螺釘裂紋的產(chǎn)生原因，如圖6所示。

3改進(jìn)措施

3.1改良螺釘檢查方法

由于螺釘表面有黑色石墨潤(rùn)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(lái)改良螺釘檢查方法。修理工序?qū)Ψ纸庀聛?lái)的螺釘進(jìn)行清洗，檢查螺釘外觀后送至熒光工序進(jìn)行熒光檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)出裂紋的螺釘做報(bào)廢處理，未發(fā)現(xiàn)故障的螺釘送入下工序。

3.2裝配時(shí)保證同心度分析

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與裝配過(guò)程，由于流道板已事先裝在渦輪后機(jī)匣上，故制作了一種有導(dǎo)正作用的定位銷(xiāo)軸來(lái)保證同心度，銷(xiāo)軸實(shí)物如圖7所示。當(dāng)定位銷(xiāo)軸通過(guò)混合器上的安裝孔旋入后機(jī)匣螺釘孔時(shí)，銷(xiāo)軸上的過(guò)度段就會(huì)對(duì)位于后機(jī)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(shí)混合器安裝孔、渦輪后機(jī)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(jī)匣安裝孔，銷(xiāo)軸使用前后效果對(duì)比如圖8所示。實(shí)行了上述兩項(xiàng)措施后，經(jīng)長(zhǎng)期驗(yàn)證，螺釘斷裂故障率降低至0%。

4總結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)混合器連接螺釘斷裂故障進(jìn)行原因分析與措施改進(jìn)，可以看出，螺釘出現(xiàn)裂紋的原因?yàn)闄C(jī)件裝配時(shí)不同心，以至高溫時(shí)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(gè)工序，同心度控制方法與要求不統(tǒng)一。新設(shè)計(jì)的定位銷(xiāo)軸則在混合器裝配時(shí)進(jìn)行導(dǎo)正，保證裝配時(shí)混合器安裝孔、渦輪后機(jī)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。

作者：王錦邦 杜紅喜 董永耀 蔡震 單位：成都航利集團(tuán)實(shí)業(yè)有限公司