航空發(fā)動機飛附吊掛機匣裂紋的產(chǎn)生原因

魏雪萊,鄭海亮,張成凱,王繼業(yè)

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所,沈陽 110015)

風扇是航空發(fā)動機的重要組成部件，主要作用是提升來流壓力和溫度[1]。風扇中的機匣具有固定靜子葉片、附件，以及構(gòu)成氣流通道和傳遞發(fā)動機推力的重要作用，是發(fā)動機的主要承力框架。機匣多為尺寸精度較高的薄壁復雜結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機啟動、停車、狀態(tài)變化或飛機飛行姿態(tài)變化時，機匣承受著循環(huán)載荷的作用。由于長期工作在上述惡劣環(huán)境中，因此發(fā)動機的風扇機匣易產(chǎn)生裂紋，嚴重影響了發(fā)動機的使用安全[2]。因此，如何確定裂紋產(chǎn)生的原因，并提出合理的改進措施，一直都是結(jié)構(gòu)設計人員重點關注的問題。

一些學者深入研究了航空發(fā)動機機匣裂紋產(chǎn)生的原因：吳宏春等[3]采用數(shù)值仿真和模態(tài)試驗、動應力測試等方法，分析了機匣殼體上環(huán)形支撐臺基體裂紋產(chǎn)生的原因，提出了增加加強筋和涂減振膠等解決措施；高志坤等[4]采用宏觀觀察和斷口分析等方法，判定了某型鑄件機匣基體裂紋的性質(zhì)，并提出了增強澆注液流動性、排除冷隔缺陷和添加細化劑等改進建議；張弛等[5]利用故障樹的方法對某型機匣支板裂紋產(chǎn)生的原因進行了研究，并提出了修改傾角尺寸和增加重熔層控制等改進措施；張博等[6]利用宏觀觀察、化學成分分析和力學性能測試等方法確定了某發(fā)動機殼體開裂的主要原因。目前對于非整環(huán)類吊掛機匣裂紋產(chǎn)生原因的研究較少。某型發(fā)動機飛附吊掛機匣基體產(chǎn)生了裂紋，筆者采用宏觀觀察、斷口分析、應力分析和有限元模擬分析等方法，分析了裂紋產(chǎn)生的原因，并制定了相應的解決措施，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該飛附吊掛機匣安裝在風扇機匣下方，主體為扇段機匣形式，材料為鈦合金，固定在風扇機匣安裝邊和機匣的加強筋上。工廠完成試車后，順航向觀察，發(fā)現(xiàn)該飛附吊掛機匣左側(cè)、內(nèi)部轉(zhuǎn)角附近有裂紋，其他部位未見異常(見圖1)。

圖1 開裂飛附吊掛機匣的宏觀形貌

圖2 斷口的宏觀形貌

1.2 斷口分析

斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見明顯的疲勞斷口特征，根據(jù)疲勞條帶的方向可判斷疲勞源區(qū)位于飛附吊掛機匣轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)，局部區(qū)域可見放射棱線。

用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，可見疲勞弧線和放射棱線匯聚于飛附吊掛機匣轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)，距端面約2 mm處，該處為疲勞源，呈線源特征，疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷，裂紋起源部位與零件表面劃痕未重合(見圖3)。

圖3 斷口的SEM形貌

圖4 飛附吊掛機匣應力分布的測試結(jié)果

1.3 應力分析

飛附吊掛機匣所受的載荷是由側(cè)向與垂向機動過載產(chǎn)生的慣性力，結(jié)合飛附吊掛機匣及安裝在其上的附件質(zhì)量，對整個飛附吊掛機匣的應力分布進行測試，結(jié)果如圖4所示，可知飛附吊掛機匣的最大應力位于吊耳與安裝板連接的螺栓孔處、非裂紋部位，且最大的應力小于吊掛機匣的屈服強度。

選取周向的4個截面，用三坐標測量儀分別測量風扇機匣與吊掛機匣安裝邊的軸向尺寸，發(fā)現(xiàn)在靠近切斷面區(qū)域，風扇機匣與吊掛機匣的安裝邊配合有局部過盈情況。

為了排查飛附吊掛機匣在發(fā)動機工作過程中的振動應力情況，對裂紋部位進行動應力測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋部位的動應力水平較低(見表1)。

表1 裂紋部位的動應力測試結(jié)果 MPa

2 有限元模擬分析

安裝飛附吊掛機匣時，在吊耳處產(chǎn)生了附加載荷，從而在飛附吊掛機匣上產(chǎn)生應力。針對這一情況，建立了飛附吊掛機匣的有限元模型(見圖5)，約束飛附吊掛機匣與風扇機匣連接螺栓孔位移，在吊耳處施加載荷。為分析不同方向載荷的影響，施加各方向載荷，并測量不同方向載荷下裂紋部位的應力，可知在吊耳處施加載荷，裂紋部位基本無應力。裝配過程中，飛附吊掛機匣與風扇機匣安裝邊配合尺寸發(fā)生局部干涉，配合部位不協(xié)調(diào)，導致裝配螺栓時，飛附吊掛機匣上產(chǎn)生了應力。

圖5 飛附吊掛機匣的有限元模型示意

在飛附吊掛機匣裂紋側(cè)取樣進行有限元模擬分析，約束長邊螺栓孔以及短邊靠近中部螺栓孔位移，在短邊最外側(cè)螺栓孔處施加0.1 mm的強制位移，位移方向為發(fā)動機軸向，飛附吊掛機匣的有限元分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：裂紋附近的應力為59.8 MPa，且應力與強制位移呈線性關系，即在裝配過程中，產(chǎn)生的強制位移越大，應力越大。

圖6 飛附吊掛機匣的有限元分析結(jié)果

3 綜合分析

根據(jù)斷口分析結(jié)果，飛附吊掛機匣的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞起源于轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)表面，且與表面劃痕未重合，疲勞源區(qū)未見明顯冶金缺陷。該飛附吊掛機匣的材料選擇、結(jié)構(gòu)強度儲備和生產(chǎn)過程均無異常。零件在整環(huán)狀態(tài)下進行尺寸加工和測量，切割后切斷面附近會發(fā)生變形。安裝前未對配合尺寸進行測量、選配，使得吊掛機匣裝入風扇機匣的過程中發(fā)生局部干涉，相對位置不易調(diào)整，定位銷孔不易對準，裝配銷釘時需用較大外力將銷釘砸入，導致吊掛機匣的安裝邊發(fā)生較大的強制位移。

吊掛機匣為扇段結(jié)構(gòu)，零件尺寸均是在整環(huán)狀態(tài)下加工到位并進行測量與檢驗的。環(huán)形零件切割、切斷后，零件整體應力平衡狀態(tài)被打破，隨著零件應力釋放，切斷面附近會發(fā)生變形。裝配前未對吊掛機匣的尺寸進行復測及選配，導致與風扇機匣裝配過程中干涉。

4 結(jié)論及建議

飛附吊掛機匣產(chǎn)生疲勞裂紋的原因為：在飛附吊掛機匣與風扇機匣裝配時，用外力將定位銷敲入銷釘孔，導致吊掛機匣的安裝邊產(chǎn)生了局部變形，在裂紋部位形成較大的初始應力，在振動環(huán)境下，飛附吊掛機匣產(chǎn)生裂紋并擴展。

建議裝配前根據(jù)零件測量尺寸，計算裝配尺寸，裝配尺寸控制在間隙范圍內(nèi)，以保證吊掛機匣裝配能自由地推進，若無法滿足要求，需對吊掛機匣進行校正復檢；裝配定位銷前，先使用工藝螺釘預先固定吊掛機匣，防止裝配銷釘時產(chǎn)生位移；將銷釘冷凍后進行裝配，并保證能手動將銷釘按進孔位且裝配到位。