滑油箱支架斷裂故障研究

李豐豐　陶傳戈　劉丹

摘 要：本文主要通過對某航空發動機滑油箱支架斷裂故障件的理化分析、支架和銷軸相關尺寸檢查、應力計算對比分析、支架和銷軸的加工和裝配工藝及試制過程復查等工作開展，探究支架斷裂的故障原因，采取進一步完善優化零件加工工藝及表面質量檢查方法等措施，以確保支架表面質量符合設計圖紙要求，進而滿足發動機的使用要求。

關鍵詞：航空發動機；支架；斷裂；故障；表面質量

中圖分類號：TH133 文獻標志碼：A

0 引言

某航空發動機試車過程中檢查發動機密封性時，發現位于滑油箱后上部，用于固定后段箍帶的支架斷裂，形貌如圖1所示。我們對故障件開展了理化分析、相關檢查測量、應力計算對比分析、加工及裝配過程復查等工作。通過與故障件的相配銷軸尺寸對比檢查發現，銷軸存在凸出臺階，不符合設計要求。

1 故障件理化分析

1.1 宏觀檢查

支架在發動機前側的吊耳發生斷裂，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，應為裂紋源，斷口為疲勞斷口，疲勞區域占斷口面積約3/4。

斷裂位于吊耳內弧面與平面的交界處，吊耳內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除小端有一處1.2mm左右寬度臺階外，在大端面上還有一磨痕。該側銷子大端面頭部與已斷裂的吊耳配合面均存在對應的磨痕。

1.2 微觀檢查

將斷裂的吊耳斷口放入掃描電鏡觀察，源區未見冶金缺陷，擴展區可見疲勞條帶，進一步表明斷口為疲勞斷口，瞬斷區為韌窩形貌。

在支架斷口附近磨制金相試樣進行觀察，為等軸α+β轉雙態組織，未見組織異常，疲勞源區附近表面未見重熔層。

1.3 觀察結果分析

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弧面與平面交界處；源區磨痕較重，有微裂紋，表明疲勞起始應力較大，擴展速度快。疲勞裂紋的萌生和擴展應與多次裝配存在差異相關。

銷子與支架兩個吊耳都有兩次磨痕，這是造成裝配差異的表象。銷軸的大端面兩端與支架兩個吊耳內側有1.5mm左右間隙，當裝配銷子靠緊未斷的吊耳一側時，銷軸加工殘留凸臺未對斷裂吊耳的受力情況產生影響。反之，當裝配銷軸靠緊斷裂一側的吊耳時，由于銷軸加工殘留凸臺影響，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，使裂紋萌生處產生較大應力。

斷裂支架內側及銷子大端面頭部均存在對應的磨痕，這些痕跡應是吊耳斷裂后，銷子偏置導致的。在斷裂一側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應，這是吊耳疲勞開裂后，吊耳開口張大，銷子大端面進入吊耳內與吊耳端頭反復碰磨形成的。

2 尺寸檢查及應力計算

2.1 尺寸檢查

對吊耳及相關定位尺寸進行了測量。斷裂處與未斷處的吊耳內環直徑尺寸、外環直徑尺寸，吊耳中心對下方孔定位尺寸均滿足設計圖要求。

對銷軸兩處配合尺寸進行了測量。外圓表面距根部約0.8mm范圍之內，存在一處0.01mm～0.015mm的臺階。從數據上看，臺階處的尺寸雖未超差，但臺階上下應保持同一直徑，而不應存在臺階。

2.2 應力計算

根據故障件形貌，制定兩組方案，采用有限元軟件ANSYS對兩組方案進行靜應力對比分析。

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，銷軸與支架吊耳由原來的面接觸變為兩處點或小曲面接觸。

通過仿真對比分析可得：

方案一：正常貼合時，大應力區域在懸臂梁根部。

方案二：銷軸與支架吊耳不完全貼合時，因載荷情況發生變化，對支架的整體應力分布產生影響。大應力區域由正常貼合時的吊耳懸臂梁根部變為吊耳內弧面與平面的交界處，即在支架實際失效故障部位附近。且該部位應力水平增大為原來的4倍。

2.3 箍帶動應力測試

在發動機上更換新品支架后，試車過程中測量滑油箱箍帶的動應力，設置了8個貼片位置作為測量點，其中1、2測點為油箱前箍帶與銷軸連接部分，5、6測點為油箱后箍帶與銷軸連接部分，3、4測點為后上支架的兩側，7、8為前上支架的兩側。動應力測試結果（見表1）表明，滑油箱箍帶在發動機工作過程中的應力水平較低。

3 工藝過程復查

3.1 機加過程復查

經復查支架及銷軸的加工工藝、制定的檢驗方法及生產過程記錄，發現支架加工工藝設計和采用粗糙度對比樣塊檢查零件表面粗糙度的方法不能滿足設計圖要求。

3.2 裝配過程復查

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、螺母固定在三級機匣安裝邊上，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。經復查裝配油箱支架、油箱和箍帶的工藝文件及實際裝配過程符合設計要求。通過復查其他類似型發動機油箱箍帶安裝形式及擰緊力矩，表明故障件配裝的該型發動機箍帶螺栓擰緊力矩較大。

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

4 制定改進措施

改進支架加工工藝路線和表面粗糙度檢驗方法。將現行的以線切割加工主導的工藝路線改為銑加工，保證所有表面均為機加直接形成，確保所有表面粗糙度均滿足要求。重新確定表面粗糙對比檢查的標準樣塊。

加工中及時測量，發現問題及時解決。加強過程檢驗，特別是零件外觀檢查，防止不合格零件流出。

與設計部門協商，參照其他發動機型減小箍帶螺栓的擰緊力矩。

結語

本文通過對故障件相關的工藝及試制過程復查、理化分析、應力計算對比分析等工作開展，探究故障原因，找出銷軸的加工凸臺與支架多次裝配存在差異為裂紋萌生進而斷裂的主要因素，以及支架表面粗糙度不滿足設計要求、設計給定的箍帶螺栓擰緊力矩較大為支架斷裂的誘因，為制定改進措施，完善優化工藝，提升支架和銷軸加工質量打下堅實基礎。

參考文獻

[1]王運知.某型發動機保險小軸斷裂故障機理分析[J].現代機械，2010（4）：38-40.

[2]孫麗麗，王尊策，王勇，等.基于ANSYS有限元法的含雙點及組合腐蝕缺陷管道應力分析[J].兵器材料科學與工程，2014（1）：5-7.

[3]梅夏，黃建忠.某型號發動機BSG電機支架失效分析[J].裝備制造技術，2016（8）：88-89.