發(fā)動機(jī)滑油彎管卡箍襯墊故障分析

肖 偉，高永丹，歐陽飛，潘 柳

(1.四川省危險廢物處置中心，成都 610063;2.中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司工程技術(shù)部，湖南 株洲 412002）

0 引言

飛機(jī)發(fā)動機(jī)上廣泛使用帶墊卡箍，其質(zhì)量直接關(guān)系飛行安全。帶墊卡箍由金屬卡箍和襯墊組成，是固定管、線等結(jié)構(gòu)的通用零件。我國現(xiàn)用的軍用飛機(jī)卡箍執(zhí)行 HB 7647—2004［1］標(biāo)準(zhǔn)，卡箍類型和用材選擇面較小，國外飛機(jī)上廣泛采用的一種新型帶墊卡箍標(biāo)準(zhǔn)件，具有規(guī)格尺寸齊全、墊片性能好、便于系統(tǒng)識別、利于安裝、使用及維護(hù)等特點［2］。

某型發(fā)動機(jī)的卡箍襯墊頻繁失效，該型發(fā)動機(jī)滑油彎管采用帶橡膠襯墊的卡箍固定，卡箍為1 mm厚的1Cr18Ni9環(huán)形件，襯墊為材料標(biāo)準(zhǔn)符合GJB 251—1987［3］的 B類 F275橡膠。通過材料符合性驗證、材料的耐熱性分析以及卡箍的受力分析，找出卡箍襯墊的開裂原因，并提出更換襯墊材料及確定最優(yōu)裝配力矩的措施，為預(yù)防此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

帶墊卡箍裝配情況見圖1，失效卡箍的外觀如圖2所示。

故障件襯墊除開裂外，仍保持較好的彈性和柔性，表面未見龜裂或發(fā)粘、變硬等老化現(xiàn)象。卡箍襯墊開裂都起源于卡箍襯墊一端或兩端的直角處，并沿卡箍縱向擴(kuò)展。將失效卡箍斷口在實體顯微鏡下放大觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于卡箍襯墊一端直角處內(nèi)側(cè)，源區(qū)較粗糙，未見冶金缺陷(圖3、圖4)。

1.2 材料符合性檢查

1)物理化學(xué)性能檢測。

取故障件、F275橡膠膠料進(jìn)行燃燒實驗，觀察其燃燒現(xiàn)象，結(jié)果見表1;取庫存的尚在保質(zhì)期內(nèi)的卡箍，測試其力學(xué)性能，結(jié)果見表2。

圖4 故障件斷口形貌Fig.4 Fracture surface

表1 燃燒性能試驗結(jié)果Table 1 Results of combustion test

可見，故障件襯墊的燃燒性能與F275氟橡膠完全一致，說明其所用材料為F275氟橡膠。

表2 庫存F275卡箍襯墊力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 2 Results of mechanical properties test

由表2可見，庫存的F275氟橡膠卡箍襯墊力學(xué)性能符合GJB 251—1987技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)紅外光譜檢測。

故障件經(jīng)Nicolet iN10紅外光譜儀分析，故障件樣品1紅外譜圖見圖5;故障件樣品2紅外譜圖見圖6;故障件(A、B)、庫存件(C)、F275橡膠(D)紅外圖對比分析見圖7。

由紅外圖分析可知:故障件分子鏈中只存在－CF(1396 cm－1)、－ CF2(1 158、1 179 cm－1)、不存在 －CH3(2 960、2 870 cm－1)、－CH2(2 920、2860 cm－1)，故障件(A、B)、庫存件(C)、F275 橡膠(D)四種樣品對比，發(fā)現(xiàn)其吸收峰位置和強(qiáng)度基本一致，為同一種材料［3］。

1.3 差熱－熱重試驗

實驗條件:升溫速度10℃/min，通高純N2，氣體流量20 mL/min。

取狀態(tài)良好的該型號卡箍，剝?nèi)ハ鹉z襯墊(F275氟橡膠)，用德國耐馳STA449C綜合熱分析儀進(jìn)行差熱熱重分析，結(jié)果見圖8。從差熱熱重曲線分析可知，該型號卡箍的橡膠襯墊分解溫度為328℃。

圖8 F275氟橡膠差熱－熱重曲線Fig.8 DTA-TG spectrum of F275

1.4 耐熱實驗

取狀態(tài)良好的該型號卡箍進(jìn)行耐熱實驗，該卡箍的F275橡膠襯墊在自由或者彎曲、但無內(nèi)外緊固力的情況下，持續(xù)耐溫250、285、295℃·1 h后，F(xiàn)275氟橡膠襯墊保持完好，且柔軟。具體結(jié)果見表3。

2 分析與討論

1)設(shè)計圖紙要求卡箍的襯墊應(yīng)為F275氟橡膠。對故障件進(jìn)行物理化學(xué)性能檢測、紅外光譜檢測可知，故障件的材質(zhì)為F275氟橡膠，庫存件力學(xué)性能符合GJB 251—1987對F275氟橡膠膠料料的技術(shù)條件要求，排除了混料及零件超過保質(zhì)期的可能。

表3 F275氟橡膠卡箍襯墊耐熱試驗結(jié)果Table 3 Heat-resistance test of F275 on clamp

2)根據(jù)裂紋的宏觀觀察和斷口分析可知，卡箍襯墊開裂性質(zhì)為過載斷裂，非高溫老化或者氧化老化出現(xiàn)的皸裂。

小學(xué)科學(xué)教學(xué)，實驗教學(xué)法是增進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生動手能力和強(qiáng)化學(xué)生思維訓(xùn)練的重要方式。對此，教師在應(yīng)用實驗教學(xué)時，要重視學(xué)生的實驗設(shè)計、重視學(xué)生參與結(jié)果分析，才能讓學(xué)生的思維和科學(xué)素養(yǎng)以及科學(xué)態(tài)度在這一過程中獲得全面的提升。

3)耐熱實驗中氟橡膠經(jīng)歷295℃仍能保持柔性和彈性，無明顯老化現(xiàn)象。故障件雖撕裂但保持彈性和柔韌性，說明其實際使用溫度應(yīng)不高于295℃。

4)模擬裝機(jī)實驗。

取狀態(tài)良好的該型號卡箍，按該型號卡箍裝配工藝裝配于滑油彎管上，進(jìn)行耐熱實驗，溫度達(dá)到100℃開始觀察卡箍狀態(tài)。該卡箍的F275橡膠襯墊在裝機(jī)狀態(tài)下耐溫130℃后，開始出現(xiàn)裂紋，當(dāng)溫度達(dá)到170℃后，F(xiàn)275氟橡膠襯墊全部開裂。具體結(jié)果見表4。

表4 卡箍襯墊裝機(jī)模擬試驗Table 4 Observation of the clamp after assembly atmosphere test

從模擬裝機(jī)試驗中可知，該卡箍的F275橡膠襯墊在裝機(jī)狀態(tài)下耐溫130℃后，開始出現(xiàn)裂紋，當(dāng)溫度達(dá)到170℃后，F(xiàn)275氟橡膠襯墊全部開裂。

氟橡膠的主要優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好，使用溫度高，但其彈性低、抗熱撕裂性差。這是因為氟橡膠分子鏈交聯(lián)點少，交聯(lián)密度低，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不密，因此隨溫度升高抗撕裂強(qiáng)度降低較快［4］。F275氟橡膠撕裂的內(nèi)因是該材料在高溫下抗撕裂能力不足。

5)卡箍受力分析。

卡箍夾緊的過程存在材料非線性(卡箍塑性變形、橡膠襯墊超彈性變形、蠕變、熱應(yīng)變)、幾何非線性(大變形)、狀態(tài)非線性(接觸)等，是一個十分復(fù)雜的高度的非線性問題，計算十分困難，無法得到精確解，只能理論分析推導(dǎo)。

卡箍襯墊開裂都起源于卡箍襯墊一端或兩端直角處內(nèi)側(cè)，該處正好是應(yīng)力集中點，在裝機(jī)狀態(tài)下，卡箍襯墊受到預(yù)應(yīng)力，隨著溫度上升和時間延長，在應(yīng)力的作用下，由于撕裂強(qiáng)度下降，裂紋會在應(yīng)力集中處萌生和擴(kuò)展。而在模擬裝機(jī)試驗中，同樣溫度條件下的自由狀態(tài)或彎曲狀態(tài)(未用卡箍擰緊)的F275卡箍襯墊則無開裂現(xiàn)象，這說明F275卡箍襯墊是由于應(yīng)力和溫度的共同作用下產(chǎn)生撕裂裂紋。

3 改進(jìn)措施

1)確定最優(yōu)裝配力矩。

結(jié)合滑油彎管進(jìn)行保持力實驗，確定使卡箍組件保持完好工作狀態(tài)的力矩，優(yōu)化工藝流程。

保持力實驗［5］是將試驗卡箍安裝在和滑油彎管公稱直徑相等的鋼管上(圖9)。卡箍用普通螺栓和螺母固定，卡箍兩腳之間裝入厚度為(1.6±0.01)mm的墊片，初始擰緊力矩為3.4 N·m，P軸作用力為289 N;沿軸向慢慢地推動芯軸，使其在卡箍內(nèi)滑動彈性墊不能打卷或從箍帶上脫落;慢慢拉回芯軸，擰緊力矩增加0.1 N·m，再沿軸向慢慢地推動芯軸。如此往復(fù)，記錄芯軸不能滑動時的擰緊力矩力。

圖9 保持力實驗裝置圖Fig.9 Installation sketch of retentivity experiment

通過對卡箍的大量試驗，本文發(fā)現(xiàn)當(dāng)擰緊力矩達(dá)到4.4 N·m(試驗結(jié)果平均值)的時候，芯軸不能滑動。而當(dāng)前的工藝規(guī)程規(guī)定卡箍預(yù)緊力矩為6.0 N·m，過大的預(yù)緊力矩會使橡膠襯墊的蠕變超過其彈性極限，而發(fā)生塑性變形導(dǎo)致開裂失效。

2)更換襯墊材料。

卡箍的襯墊材料主要有:乙丙橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、氟橡膠、氟硅橡膠、聚四氟乙烯等，取這6種卡箍襯墊進(jìn)行模擬裝機(jī)耐熱試驗，升溫程序:從室溫開始升溫至300℃，110℃開始觀察，設(shè)14 個觀察點，分別為 110、120、130、140、150、160、180、200、230、250、260、270、280、300 ℃。卡箍襯墊裝配力矩分別為原工藝規(guī)程規(guī)定的6.0 N·m和試驗確定的最優(yōu)裝配力矩的4.4 N·m。模擬試驗觀察結(jié)果見表5。

表5 調(diào)整力矩前后的模擬裝機(jī)試驗結(jié)果對比Table 5 Comparative analysis of the clamp before and after adjusting the moment

乙丙橡膠在120℃下可長期使用，在150～200℃下可短暫或間歇使用;5860丁腈橡膠適用于－45～100℃，高于100℃使用，會逐漸老化，變硬進(jìn)而變脆而失效;氯丁橡膠適用于－40～100℃，能在150℃下短期使用;氟橡膠F275適用于－20～250℃，300℃下短期可使用;氟硅橡膠FS6161適用于－70～225℃，300℃下短期可使用;聚四氟乙烯塑料適用于－180～250℃，300℃下短期可使用［4］(5－55)。

氟橡膠在應(yīng)力和溫度共同作用下，容易產(chǎn)生撕裂;四氟乙烯材質(zhì)較硬、彈性低、摩擦系數(shù)低，易松動;FS6161作襯墊的卡箍能滿足使用要求。F是電負(fù)性最強(qiáng)的元素，C—F鍵非常穩(wěn)定，F(xiàn)元素引入硅氧烷中，使氟硅橡膠不僅具有優(yōu)良的耐熱性、耐候性，還具有含F(xiàn)化合物的耐油、耐溶劑性能。并且氟硅橡膠高溫下的力學(xué)性能優(yōu)于氟橡膠，150℃時，二者的性能相當(dāng);當(dāng)?shù)?00℃時，氟硅橡膠的性能優(yōu)于氟橡膠的2倍;到230℃時，氟硅橡膠性能優(yōu)于氟橡膠4倍以上［6］。依據(jù)設(shè)計圖紙，發(fā)動機(jī)此處的工作溫度不超過250℃，所以，F(xiàn)S6161作為襯墊的卡箍能滿足使用要求。

4 結(jié)論

1)卡箍襯墊氟橡膠F275為高溫過載撕裂失效，是由應(yīng)力和溫度共同作用下產(chǎn)生的;

2)卡箍裝配力矩偏大，所用材料耐熱性能不滿足使用要求共同導(dǎo)致卡箍襯墊失效;

3)使用FS6161氟硅橡膠，采用裝配力矩為4.4 N·m的優(yōu)選工藝，卡箍襯墊故障歸零，采取改進(jìn)措施后的生產(chǎn)過程中，無此類故障發(fā)生。

［1］HB 7647—2004固定導(dǎo)管的環(huán)形卡箍通用規(guī)范［S］.中國:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，2004.

［2］鄭敏，景綠路，孫忠志，等.新型帶墊卡箍的研究［J］.飛機(jī)設(shè)計，2008，28(4):30 －33.

［3］GJB 251—1987低壓縮永久變形氟橡膠膠料［S］.中國:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1987.

［4］董炎明.高分子材料實用剖析技術(shù)［M］.北京:中國石化出版社，1997:167－182.

［5］中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊:第8卷橡膠 密封劑［M］.2版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002:54.

［6］趙柯，邵均林，田軍昊，等.氟硅橡膠淺談［J］.浙江化工，2007，38(12):22 －24.