某型飛機防護柵套管固定螺栓斷裂原因分析

摘要： 某型飛機進氣道防護柵轉軸與套管固定螺栓斷裂，經過對該高強度斷裂螺栓斷裂面的沿晶脆性分析、材料分析以及對3個該處螺栓進行的破壞試驗和該螺栓受力情況的綜合分析，排除該處螺栓的制造缺陷和定力過度導致螺栓斷裂的原因后，認為該處螺栓在進行特檢和大修更換開口銷時震動進而導致螺栓松動引起了螺栓斷裂，是由于松動而被打壞的。外場檢查時，在確定磁粉探傷無裂紋的前提下，應采用正確的定力方法對該處螺栓進行安裝，并確保擰緊。

關鍵詞： 進氣道；防護柵轉軸與套管；螺栓；斷裂分析；維護建議

中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 概述

某型飛機每個進氣道內安裝一個防護柵（如圖1），每個防護柵安裝12件螺栓，用于固定防護柵套管、壁板蒙皮等結構與根部轉軸，材料為1Cr15Ni4Mo3N，強度為（1353～1569）MPa，表面處理方式為化學磷酸鹽氧化、憎水處理。飛機修理中，發現該處一螺栓斷裂（見圖5），該螺栓承受主要載荷形式為螺栓光桿部位的徑向剪切力。

2 原因分析與試驗驗證

根據《某型機延長首翻期特檢技術要求》中關于防護柵螺栓修理規定為：特檢時將防護柵轉軸與套管固定螺栓的原碳鋼開口銷（1.6×20GB91）更換成不銹鋼開口銷。根據飛機修理指南關于防護柵網格裂紋的檢查修理內容，無螺栓分解檢查要求。因此，無論是特檢還是大修，只對緊固螺栓僅作原位更換開口銷工作。

導致螺栓斷裂的原因一般包括以下三個方面：

（1）螺栓制造存在缺陷

（2）螺栓原機裝配時存在問題

（3）抗拉強度、疲勞強度

（一）材料分析

發生事故后，北京航空材料研究院對斷裂螺栓斷裂面的沿晶脆性進行了分析，排除了疲勞斷裂的可能性。同時，經測定，該斷裂螺栓的氫含量為0.00004%，含量較低，排除了氫脆斷裂的可能性。因此，本文重點從修理、裝配角度進行分析。

（二）為驗證螺栓斷裂是否與原機螺栓裝配有關，隨機抽取在修飛機的3個該處螺栓進行破壞試驗

（1）試驗條件與環境

試驗需要：廢舊的防護柵作為試驗平臺、力矩扳手、原機拆下的墊圈、螺母（材料為1Cr17Ni2）、工藝自鎖螺母（材料30CrMnSiA）、3件螺栓使用時間小于1500飛行小時，鍍層完好，無腐蝕、變形，外觀檢查狀態良好。

（2）試驗

第一階段：選取廢舊的防護柵作為工作平臺，使用原裝配件擰緊螺栓，做破壞試驗，因帶開口銷槽螺母強度較弱，在力矩分別到25N·m、30N·m，螺母打滑，試驗無法正常進行（見圖3）。取下力矩扳手，分解螺母目視檢查發現螺母損傷、變形嚴重，螺母內裂紋損壞，螺栓未見損傷。

第二階段：改用30CrMnSiA材料自鎖螺母代替原螺母，3件螺栓分別擰斷，但擰緊力矩數值差距較大，分別在72N·m、53N·m、33N·m時細頸處發生斷裂（見圖4）。顯然，裝配時擰緊力矩過大，超過了螺栓材料的屈服極限，使螺栓出現屈服變形，進而發生斷裂現象。

（3）試驗結果分析

第一階段用原機螺母試驗，螺栓未見明顯變化時螺母已損壞；第二階段換用自鎖螺母試驗，3件試驗螺栓與斷裂螺栓斷裂位置相同，都在退刀槽處斷裂，且試驗螺栓發生斷裂時的擰緊力矩遠超定力標準[注：標準定力要求為（6.3±0.63）N·m]，符合承載零件在薄弱處損壞的一般規律。通過試驗，初步分析該件螺栓斷裂與原機定力過大沒有直接關系。

（三）從螺栓的抗拉強度、疲勞強度方面分析螺栓斷裂原因

（1）螺栓斷裂不是因為螺栓的抗拉、抗剪強度不足

以該處螺栓為例進行計算分析，根據σ=F/S，該處螺栓能夠承擔的最小抗拉載荷F=σ·S=1353×106×π×（3×10-3）2=38235N=3901kgf，不難看出，它的重量只有0.05kg，而它的最小抗拉載荷是3.9t，高達自身重量的7.8萬倍。因此，螺紋緊固件的抗拉強度是足夠的，不可能因為螺栓的強度不夠而損壞。同樣，在無松動、緊配合承載徑向抗剪力的螺栓其抗剪強度（相當于抗拉強度90%）也是十分可靠的。

（2）螺栓的斷裂不是因為螺栓的疲勞強度不足

螺紋緊固件在橫向振松試驗中只需100次即可松動，而在疲勞強度試驗中需反復震動100萬次。換句話說，螺紋緊固件在使用其疲勞強度的萬分之一時即松動了，我們只使用了它大能力的萬分之一，所以說螺栓緊固件的松動也不是因為螺栓疲勞強度，該處621所的沿晶脆性分析也證明了這一觀點。

3 結論

螺紋緊固件損壞的真正原因是松動，螺紋緊固件松動后，產生巨大的動能mv2，這種巨大的動能直接作用于緊固件及設備，致使緊固件損壞，緊固件損壞后，設備無法在正常狀態下工作，進一步導致設備損壞。受軸向力作用的緊固件，螺紋被破壞，螺栓被拉斷。受徑向力作用的緊固件，螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。

排除該處螺栓的制造缺陷和定力過度導致螺栓斷裂的原因后，認為該處螺栓在進行特檢和大修更換開口銷時震動進而導致螺栓松動引起了螺栓斷裂，是由于松動而被打壞的。

4 后續修理采取措施及外場維護檢查建議

（一）由于防護柵轉軸與套管固定螺栓斷裂造成損失和影響較大，因此對后續飛機增加如下修理內容：

（1）固定分解防護柵轉軸與套管固定螺栓進行磁粉探傷，對探傷不合格螺栓報廢、換新。

（2）對分解前、后螺栓、螺母、平墊圈、弧形墊圈目視檢查其完好性，按通用要求以（6.3±0.63）N·m力矩對槽型螺母進行定力擰緊。

螺栓調在下限定力值5.7N·m刻度，用定力扳手旋動槽型螺母，當聽到表示達到定力要求的“嘀嘀”聲，取下定力扳手，此時查看槽型螺母切口與開口銷孔偏移情況，將定力扳手調至規定定力范圍的上限6.9N·m， 用定力扳手旋動槽型螺母，調整開口銷孔與槽型螺母切口位置至能保證順利穿入開口銷。當用上述方式仍達不到要求或開口銷孔與切口位置偏移太大時，則可補加厚度不大于1.5mm的平墊圈或適當銼修原有墊圈，以滿足安裝和定力要求。

（二）由于外場防護柵拆卸不便，因此外場維護可采用原位目視或借助扳手、螺刀等工具檢查防護柵轉軸與套管固定螺栓完好性。

參考資料：

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