AE300 E4A 發動機雙質量飛輪轂盤斷裂原因分析與維護建議

■ 麥海波 盧俊文 馮巖鵬/ 中國民用航空飛行學院飛機修理廠 中國民航科學技術研究院航空安全研究所

0 引言

AE300 E4A 發動機由奧地利Austro Engine 公司生產，配裝鉆石飛機公司的DA40NG 飛機。AE300 系列發動機保留了奔馳OM640 發動機的核心機，包括其雙質量飛輪部分；為了增加扭矩、降低螺旋槳的轉速，引進了減速器，減速器的輸出軸與螺旋槳連接，輸入軸與轂盤的花鍵軸孔相連，轂盤與雙質量飛輪通過8 顆螺栓連接（如圖1 所示）。AE300 E4A 發動機最大功率為123.5kW，最大轉速為2300rpm，減速器的減速比為1.69[1]。

圖1 雙質量飛輪示意圖

雙質量飛輪由初級飛輪、弧形彈簧組成。雙質量飛輪相當于一個濾波器，可以濾掉來自發動機和螺旋槳的高頻振動，避免發生共振[2]，還可減小對螺旋槳振動值的限制。但由于存在共振沖擊扭矩，雙質量飛輪中轂盤實際承受的扭矩達到了發動機最大輸出扭矩的5 倍，轂盤工作在更嚴苛的載荷工況中，因此應重點關注轂盤的早期失效。如果轂盤失效，嚴重時將導致發動機與螺旋槳之間動力傳輸中斷，進而導致飛機失去動力墜毀。針對發生的兩起轂盤斷裂/裂紋故障，為避免類似故障的發生，有必要深入研究轂盤失效機理，對故障原因進行分析。

1 故障描述

國內某通航公司一架DA40NG 型飛機地面滑行至聯絡道口，機組設置停留剎車后做全功率檢查時，推油門至40%左右，目視觀察到螺旋槳轉速突然下降，并聽到螺旋槳轉動聲音異常，立即收油門并關車。之后機務人員將飛機推回，拆下齒輪箱，進一步檢查發現雙質量飛輪轂盤中心輸出端花鍵處斷裂（如圖2a）所示），導致齒輪箱輸入軸與雙質量飛輪脫開，發動機動力無法傳至螺旋槳，螺旋槳失去動力，該轂盤已經裝機使用1714FH。后續對所涉及機隊進行普查，通過無損檢測發現另一個轂盤有裂紋（如圖2b）所示），該轂盤已裝機使用957FH。

圖2 轂盤斷裂與裂紋照片

2 故障原因分析

2.1 宏觀分析

圖2a）中，各斷口處存在大量目視可見劃痕，邊緣位置有明顯的變色痕跡。由于轂盤斷裂時發動機仍處于工作狀態，表面變色可能是由于轂盤斷裂后中間部分在發動機驅動下空載高速轉動，斷開的轂盤輻條與花鍵孔處斷面高速摩擦撞擊，形成局部高溫，導致基體材料高溫氧化變色。通過光學顯微鏡觀察，發現其中一個斷口具有明顯的疲勞跡象，疲勞源與沙灘紋較清晰，如圖3所示。另一個轂盤是在輻條處發生貫穿裂紋。這兩起轂盤裂紋失效應該都是由疲勞引起的，與轂盤的材質缺陷和制造缺陷無關。

圖3 具有明顯疲勞特征的斷口

2.2 材質分析

通過能譜分析得到轂盤的材質成分，如圖4 所示。通過材料對比，判定轂盤材料應為SEA 4340 合金鋼[3]。

圖4 轂盤EDS材質分析結果

2.3 力學分析

AE300 系列發動機是在奔馳OM640 核心機基礎上研制的，采用了奔馳OM640 的核心機，其中雙質量飛輪的轂盤是為了連接減速器而增設的部件，為了減輕重量，AE300 E4A 發動機還采用了輻條狀轂盤。轂盤的作用是將扭矩傳遞給減速器輸入軸，但受共振影響，轂盤實際承受的最大扭矩為發動機最大輸出扭矩的5 倍[4]。根據活塞發動機功率與扭矩的關系表達式，計算AE300 系列發動機最大輸出扭矩，得出AE300 E4A 的核心機最大輸出扭矩為303N·m。

另一款AE300 E4C 發動機裝用在DA42NG 飛機上，其最大功率、輸出扭矩、最大轉速與E4A 相同，但轂盤采用了雙圓孔構型；二者材質相同。E4A 和E4C 發動機轂盤如圖5所示。

圖5 轂盤示意圖與邊界條件設置

為了更好地分析AE300 E4A 發動機轂盤失效原因，通過有限元計算對兩種轂盤進行受力與對比分析。邊界條件設置為：在轂盤的8 個螺栓孔處施加相對于轂盤中心的扭矩，考慮到共振沖擊扭矩，所施加扭矩為AE300 發動機的最大輸出扭矩的5 倍（1515N·m）；轂盤花鍵齒與減速器輸入軸的花鍵齒嚙合，對轂盤花鍵齒面施加固定約束。材料性能參數如表1 所示。

表1 轂盤的材料性能參數

有限元計算結果如圖6 所示，得出E4A 和E4C 發動機轂盤等效應力分布。E4A 轂盤的最大應力為635.52MPa，約為抗拉極限的一半；E4C 轂盤的應力為351.67MPa；E4A 轂盤的最大應力比E4C 大將近1 倍。E4A 轂盤的所有輻條倒角處應力集中較明顯，應力最大位置也在轂盤的輻條倒角處，與斷裂位置一致，說明疲勞源應處于應力最大位置處，與實際斷裂結果一致。AE300 E4C 發動機轂盤構型的改進充分降低了轂盤最大應力水平，減小了近一半，可以大幅提升轂盤的疲勞壽命。

圖6 轂盤應力分布圖

另外，航空活塞發動機與汽車用活塞發動機的工作負荷完全不同。汽車為了節油，在發動機大轉速時輸出的扭矩會降低，但航空活塞發動機為保證飛機的安全可靠運行，發動機在大轉速下需要輸出大扭矩，這就導致轂盤持續工作在大扭矩載荷下，更容易提前發生疲勞。因此，設計轂盤時需要重點考慮這一因素。

綜上所述，AE300 E4A 發動機轂盤斷裂失效應是由較高應力下的高周疲勞引起。結合圖2b）和圖6a）分析，疲勞先是從應力最大的倒角處發生，當該輻條斷裂后其他輻條接續斷裂，直到剩余未斷裂輻條的應力超出轂盤的抗拉極限，所有輻條均被剪斷，轂盤徹底失效。

3 結論

經宏觀分析、材質分析和力學分析，得出AE300 E4A 發動機轂盤斷裂失效是由于轂盤輻條倒角處的疲勞引發。發動機廠家已將與AE300 E4C 同功率的AE300 E4A 發動機的轂盤改為E4C 發動機轂盤構型，應是考慮到E4A 轂盤存在服役期發生疲勞的可能性。因此，建議用戶在使用和維護AE 300E4A 發動機時注意以下幾點：

1）使用過程中，在常規定檢中加入轂盤無損檢測要求，重點關注轂盤輻條倒角位置。

2）在DA40 NG 飛機實際操作中，避免猛烈操作油門，以免轂盤頻繁受大扭矩沖擊而導致轂盤倒角處提前發生疲勞。

3）為了徹底解決轂盤疲勞失效，建議用戶推進原廠家改用AE300 E4C 發動機轂盤。