某型航空發動機燃油調節器彈簧片裂紋故障分析

姚俊華 陶敏

摘要：某型航空發動機燃油調節器在外場使用中電門杠桿組件的彈簧片出現裂紋，經外觀、微觀檢查，確定了彈簧片裂紋的性質，制定了相應的修理及預防措施，為今后類似故障的排除提供借鑒。

關鍵詞：彈簧片；裂紋；預防措施

Keywords：spring slice；crack；prevention measures

1 故障描述

某型航空發動機地面試車檢查，當發動機從正常狀態轉為應急狀態時多次發生應急工作異常故障，故障表現形式為：當油門桿處于慢車狀態時，發動機排氣溫度急劇上升，發動機無法繼續工作。更換燃油調節器的應急放氣電門組件后故障排除。進一步檢查應急放氣電門組件，發現電門杠桿組件的彈簧片有裂紋。故障件如圖1所示。

電門杠桿組件主要由彈簧片、杠桿架等組成，鉚釘將彈簧片與杠桿架固定連接，如圖2所示。彈簧片所用材料為65Mn彈簧鋼，厚度為0.7mm，表面進行了鍍鎘鈍化處理。

2 斷口失效分析

2.1 宏觀檢查

從圖1可以看出，電門杠桿組合件上的彈簧片彎曲部位裂紋位于彈簧片上表面轉角根部，彈簧片與杠桿架接觸的表面局部發黑，表面鍍層不完整。杠桿架沒有明顯塑性變形。彈簧片螺栓連接處表面存在一定程度的磨損。

2.2 微觀檢查

對彈簧片進行觀察，上表面裂紋開裂，裂紋呈直線狀，附近可見次生的小裂紋，如圖3所示。

人為打開彈簧片裂紋，對斷面進行觀察：斷口平整沒有明顯的塑性變形；斷口源區起始于彈簧片上表面轉角處，局部已沒有鍍鎘層（見圖4）；大部分斷裂形貌為典型的沿晶斷裂特征，且局部有腐蝕特征（見圖5）；部分斷口被附著物覆蓋（見圖6）；靠近彈簧片下表面的局部斷口為剪切撕裂韌窩形貌，該區域為最后形成的瞬斷區（見圖7、圖8）。斷口側面附近可見二次裂紋及腐蝕點形貌（見圖9），這是應力腐蝕微觀斷口的常見形貌。

2.3 能譜分析

對彈簧片斷口表面進行能譜分析，彈簧件附著物含有C、O、S、Cl等元素，為腐蝕產物，其能譜分析結果如表1所示。離源區越近，腐蝕產物越明顯，即越靠近彈簧片表面的斷口，腐蝕產物越多，腐蝕特征越明顯。

2.4 分析結論

上述分析表明，彈簧片斷口為沿晶斷裂形貌，斷面上可見腐蝕物并可檢測出腐蝕元素O、S、Cl，裂紋起始于彈簧片上表面轉角處。因此，應急放氣電門組件電門杠桿彈簧片斷裂性質為應力腐蝕斷裂。

3 裂紋故障原因分析

3.1 工作原理分析

如圖10所示，發動機轉換為應急工作狀態時，當油門桿角度≤77°，油門桿頂壓機械力小于電門杠桿組件彈簧片彈力，不能按下微動電門按鈕，放氣活門應急電路通電，接通手動應急電磁閥，放氣活門打開；當油門桿角度>77°，頂壓機械力大于電門杠桿組件彈簧片彈力，微動電門按鈕被按下，放氣活門應急電路斷電，放氣活門關閉。

因此，無論發動機是在正常狀態還是在應急狀態，應急放氣電門組件彈簧片始終隨油門桿角度的變化而不同程度地被壓緊，彈簧片上表面長期受到拉應力作用，彈簧片彎曲部位為應力集中區，隨著工作時間的增加出現疲勞裂紋，最終開裂。

3.2 修理方法分析

現行技術文件中對電門杠桿組件規定了檢查彈簧片的角度，但未對彈簧片彎曲部位做具體檢查要求。斷口失效分析中提到彈簧片裂紋源區表面鍍層有缺失。若彈簧片彎曲部位鍍層脫落，會使基體局部抗腐蝕能力變差，可能產生應力腐蝕裂紋。

彈簧片彎曲部位因彎曲形成應力集中區，若彎曲部位有磕碰傷，會造成組織形變，在某些部位形成尖銳角，使工作截面變小、應力增加，隨著工作時間的增加將出現裂紋。因此，有必要對彈簧片彎曲部位的表面質量提出具體的檢查要求。

4 修理及預防措施

針對彈簧片裂紋故障原因，提出如下修理及預防措施。

1）在彈簧片制作時，建立疲勞試驗規范，增加對彈簧片的疲勞試驗考核，以保證彈簧片的工作可靠性。

2）將彈簧片作為必換件，修理時予以更換。

3）重點檢查彈簧片彎曲部位，不允許有坑點、壓痕，表面鍍層應完好。

4）增加電門杠桿磁粉探傷檢查要求，彈簧片彎曲部位應無裂紋。

5）為防止彈簧片發生磕碰類損傷，在產品修理完成后及產品交接中須將產品裝入專用盒內。

5 使用驗證

在燃油調節器應急放氣電門組件修理工作中已貫徹上述預防措施。跟蹤近兩年來外場使用情況，再未發生因彈簧片裂紋導致發動機應急工作異常的故障。

參考文獻

[1]王云普. 某型發動機構造[Z]. 空軍第二航空學院，1998.

[2]張棟，鐘培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：國防工業出版社，2008.

作者簡介

姚俊華，高級工程師，從事航空發動機電器附件技術工作。

陶敏，工程師，從事失效分析及檢測分析工作。