直升機主槳轂頂蓋連接螺栓斷裂原因

徐其航, 林若波, 魏協奔, 黃建新, 申利鳳

(1.揭陽職業技術學院 機電工程系, 揭陽 522051; 2.汕頭職業技術學院 機電工程系, 汕頭 515078)

槳轂是連接直升機旋翼傳動軸和旋翼槳葉的結構部件，槳轂頂蓋采用螺栓連接。螺栓連接是機械結構中常用的連接方式，連接螺栓的壽命直接影響機械結構的使用壽命，螺栓材料常采用30Ni4CrMoA鋼，該材料具有較好的淬透性[3]。連接螺栓的失效形式通常為摩擦磨損、腐蝕、疲勞斷裂等，斷裂模式通常為疲勞斷裂[1-7]。某直升機的主槳轂頂蓋在飛行300 h后定檢時，發現12個主槳轂連接螺栓中的1個發生了斷裂。頂蓋連接螺栓的設計使用壽命為1 000 h，頂蓋連接螺栓采用的材料為30Ni4CrMoA鋼。其主要加工工藝為：下料→粗車→熱處理→磨削→去應力處理→燒傷檢查→酸洗→除氫→鍍鎘→除氫→鈍化。

在對直升機槳轂零部件失效分析方面，喻濺鑒等[8]研究了直升機主槳轂支臂疲勞原因。熊鴻建等[9]通過對連接螺栓進行疲勞試驗，分析出現提前斷裂的原因，并提出了改進建議。在上述經驗基礎上，筆者采用一系列檢驗和分析對該主槳轂頂蓋連接螺栓的斷裂原因進行分析[10]。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

主槳轂上的星形件共有12個螺栓孔，12個連接螺栓通過蓋板對主槳轂的星形件起緊固作用，蓋板正面螺栓孔附近可見明顯的六角壓痕，12個螺栓中有1個發生斷裂。連接螺栓斷裂于根部倒圓角附近，斷裂螺栓外觀磨損形貌如圖1a)所示。斷裂螺栓的頭部斷口(圖1b)～d))呈灰褐色，表面有嚴重的銹蝕痕跡；呈多源特征，主源及次源均位于表面，次源呈中心對稱分布，均為線源。

圖1 斷裂連接螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured connecting bolt: a) overall of the fractured connecting bolt; b) fracture of the connecting bolt; c) cylindrical surface I in contact with bushing; d) cylindrical surface I in contact with cover plate; e) cylindrical surface II in contact with bushing; f) cylindrical surface II in contact with cover plate

為方便描述，將靠近螺栓頭的螺桿圓柱面編號為I面，靠近螺紋的螺桿圓柱面編號為II面。螺栓斷口可觀察到疲勞弧線特征；主源區側表面磨損形貌清晰可見，呈三角形，寬度約1 mm，高度約2 mm。連接螺栓的螺桿部分中間細兩端粗，斷裂螺栓的圓柱I面磨損在高度上分為兩個區域，以距螺栓頭約4 mm(蓋板的厚度)為界，左右兩個區域磨損程度截然相反。圓柱II面也存在這樣的分界，分界兩側磨損程度截然相反。經分析，磨損分界是因為星形件的孔(高度為55 mm)內襯套只與螺栓部分接觸所致。經測量，這兩個分界的高度也為55 mm。

對比其余11個未斷裂螺栓的外觀磨損形貌，發現其圓柱I面和II面磨損痕跡與斷裂螺栓存在明顯差異，斷裂螺栓圓柱I面正反兩面均存在磨損，而未斷裂螺栓圓柱I面正面存在磨損，且磨損面積比斷裂螺栓大，反面未見明顯磨損；未斷裂螺栓圓柱面上磨損銹蝕相對較多，呈微動磨損的特征，磨損間隙較小。

圖2為斷裂螺栓與未斷裂螺栓頭部端面宏觀形貌。可以看出，斷裂螺栓的螺栓頭部端面磨損氧化嚴重。斷裂螺栓的螺栓頭的6個六方面中有3個已經被打磨，剩余的3個六方面表面形貌完整，無明顯的塑性變形。斷裂螺栓的螺紋部分完好，未發現磨損。螺紋部分完好，表明該螺栓沒有發生松動現象，不是機械振動引起的斷裂故障。

圖2 斷裂螺栓與未斷裂螺栓頭部端面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of head end face of a) the fractured bolt and b) the non-fracture bolt

1.2 微觀分析

用超聲清洗斷裂螺栓的斷口剖面，將清洗后的螺栓斷口剖面置于掃描電鏡(SEM)下進行觀察，如圖3所示。螺栓斷口主源區位于表面，為線源特征，主源區側表面存在一處明顯的磨損特征，呈三角形，磨損方向為周向。除主源外，螺栓有多處次源位于表面，呈線源特征，如圖3b)所示。整個斷口幾乎全是疲勞擴展區，可見疲勞條帶，如圖3d)所示；瞬斷區位于主源的對面，面積很小，為韌窩形貌，如圖3e)所示。

圖3 螺栓斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture of the bolt: a) main fracture source; b) secondary fracture source; c) side surface of main fracture source; d) fatigue strip; e) final fracture region

用超聲清洗襯套試樣斷口剖面，然后將清洗后的襯套斷口剖面置于SEM下進行觀察，如圖4所示。襯套斷口源區位于內表面，為線源特征，可見放射棱線特征，源區側表面存在明顯的磨損特征，磨損方向為周向和軸向。疲勞裂紋沿厚度方向和圓周方向擴展，整個斷口幾乎全是疲勞擴展區，斷口磨損嚴重，但可見疲勞弧線特征。

圖4 襯套斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of the bushing

1.3 金相檢驗

將斷裂螺栓分別沿橫向和縱向切開，并制備金相試樣，觀察橫向試樣的顯微組織，測量縱向試樣倒圓角處的尺寸。將橫向試樣打磨、拋光后，用4%(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕，采用顯微鏡觀察其顯微組織。可觀察到斷裂螺栓的橫向試樣顯微組織為回火索氏體，組織均勻，未見冶金制造缺陷，如圖5所示。縱向試樣測量螺栓根部的倒圓角尺寸，其圓角半徑為1 mm，符合設計要求。但是斷裂螺栓的倒圓角處可見粗糙的加工痕跡，與旁邊端面的加工痕跡存在明顯差異。

圖5 斷裂螺栓橫向試樣的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of transverse specimen of the fractured bolt

1.4 能譜分析

在斷裂螺栓上選取不同位置，然后進行能譜(EDS)分析，結果見表1。可見螺栓的各元素含量符合技術要求。

表1 能譜分析結果(質量分數)Tab.1 EDS analysis results (mass fraction) %

1.5 非金屬夾雜物檢測

對斷口附近的夾雜物進行評級，將斷裂螺栓沿縱向剖開，打磨、拋光后如圖6所示，可見斷裂螺栓的夾雜物不大于2級。

圖6 非金屬夾雜物形貌Fig.6 Morphology of non-metallic inclusions

1.6 硬度測試

分別選取斷裂螺栓上的不同位置作為硬度測試點，對螺栓進行洛氏硬度測試，結果見表2。由結果可知，螺栓的洛氏硬度為40.54 HRC，比技術要求(35～39 HRC)略高，不符合技術要求。但其對螺栓的疲勞壽命影響較小，這不是造成疲勞斷裂的原因。

表2 硬度測試結果Tab.2 Hardness test results HRC

1.7 受力分析

連接螺栓斷裂于根部倒圓角附近，連接螺栓主要受裝配預緊力和剪切力作用，在這兩個力的作用下螺栓頭還會受到附加彎矩作用，螺栓受力示意圖如圖7所示。

圖7 連接螺栓受力示意圖Fig.7 Schematic diagram of the connecting bolt under loading

采用Abaqus軟件,建立連接螺栓有限元模型,將螺栓零件進行網格劃分，對螺栓施加側拉力，連接螺栓的應力應變分析結果如圖8所示。可見連接螺栓在主槳轂頂蓋連接緊固過程中，其圓角頭根部存在嚴重的應力集中，該處同時也發生最大的應變[11]。在循環應力作用下，連接螺栓圓角頭根部發生了疲勞斷裂，與螺栓實際斷裂位置一致。

圖8 連接螺栓的應力應變云圖Fig.8 Nephogram of a) stress and b) strain of the connecting bolt

2 分析與討論

連接螺栓斷裂于根部倒圓角附近，呈多源特征，主源及次源均位于表面，都為線源特征；斷口可觀察到疲勞弧線特征，疲勞條帶清晰可見。因此，連接螺栓的斷裂為疲勞斷裂。襯套斷口源區位于內表面，呈現線源結構特征，斷口可觀察到放射棱線和多條疲勞弧線，疲勞擴展充分。因此，襯套的斷裂也是疲勞斷裂。根據斷口的疲勞特征及故障出現的數量綜合判斷，排除氫脆的可能性。

斷裂螺栓的各元素含量與技術要求無明顯差異，符合技術要求。斷裂螺栓的顯微組織均勻，均為回火索氏體，未發現冶金缺陷。斷裂螺栓的洛氏硬度均為40.54 HRC，比技術要求略高，不符合技術要求，但分析認為這不會對螺栓的疲勞斷裂產生明顯影響。

螺栓斷口主源區側表面可見明顯的磨損形貌，呈三角形，寬度約1 mm，高度約2 mm。該形貌是由于螺栓在實際受載時與蓋板孔接觸磨損而形成的。螺栓的疲勞斷裂與此磨損特征直接相關。

斷裂螺栓與其余未斷裂螺栓外觀形貌存在以下不同：

(1) 斷裂螺栓的螺栓頭端面磨損氧化嚴重，其余未斷裂螺栓的螺栓頭端面相對較好，這表明斷裂螺栓的軸向應力比其他螺栓大。

(2) 斷裂螺栓圓柱I面正反兩面均存在磨損，而未斷裂螺栓的圓柱I面正面存在磨損，且磨損面積比斷裂螺栓的大，反面未見明顯磨損，這表明斷裂螺栓的偏斜角度比其他螺栓大，進而產生更大的附加彎矩。

(3) 斷裂螺栓的蓋板孔徑及襯套內徑比其他孔徑略大，會導致螺栓在受載時偏斜角度更大，進而產生更大的附加彎矩。

以上3點表明斷裂螺栓的斷裂與其偏斜角度大從而受到較大的附加彎矩有關。

此外，與斷裂螺栓相配合的襯套也發生了斷裂，斷口源區位于內表面，呈線源，斷口源區側表面也可見明顯的磨損特征，該特征是與螺栓圓柱II面邊沿擠壓磨損造成的。襯套疲勞開裂表明其承受的擠壓力相對較大，螺栓的偏斜角度大才會導致襯套的擠壓力大，而螺栓的偏斜角度大會導致其所受的附加彎矩大[12]。

3 結論及建議

連接螺栓的斷裂失效性質為疲勞斷裂。連接螺栓偏斜角度增大從而受到較大的附加彎矩，附加彎矩產生較大的剪切應力，疊加使用過程中的循環應力作用,使得連接螺栓沿根部發生疲勞斷裂。

建議對零件進行表面強化，如噴丸處理、表面滾壓等，以提高零件的抗疲勞性能。