滑油散熱器爆裂失效分析

孫護國，李 斌，謝鎮(zhèn)波

(1.海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東 青島 266041;2.海軍駐貴陽地區(qū)航空軍事代表室，貴陽 561102）

0 引言

直升機的空氣－滑油散熱器主要功用是利用迎面氣流冷卻滑油系統(tǒng)的滑油，自動保持滑油溫度在允許的范圍內(nèi)，保證滑油在整個飛行包線內(nèi)都可以正常進行潤滑和散熱。如果滑油工作溫度超過最大允許值，其氧化作用會急劇增強，理化性質(zhì)發(fā)生變化(黏度增大，酸值提高等)，嚴重時會產(chǎn)生焦化現(xiàn)象，在零部件結合面處析出瀝青沉淀物，滯塞運動機件，使發(fā)動機的修理維護工作變得復雜而昂貴［1-4］。

2011年3月，某直升機配套研制的滑油散熱器在做周期工作地面壓力校驗時，散熱器殼體發(fā)生爆裂，該滑油散熱器屬強制氣冷式。爆裂損壞情況如圖1所示，右端板組件爆開，組件蓋板與端板連接處(圖1中A處)焊縫爆開，開口尺寸為65 mm，經(jīng)分析研究確認該處是失效起源;端板組件與芯子組件連接焊縫(圖1中B處)裂開，裂開長度約為278 mm;集油池殼體端板組件呈較嚴重的鼓起變形(圖1中C處)，實測變形量為4～5 mm。橡膠大風道損壞(圖1中D處)，凹槽邊緣開裂，風機殼體嚴重碰傷，碰傷凹槽尺寸約為70 mm(長)×30 mm(寬)×4 mm(深)。

1 故障件顯微分析

首先參考文獻［4］對失效起源即組件端板位置的焊縫進行熒光檢查，在焊縫周圍沒有發(fā)現(xiàn)焊接裂紋等缺陷。斷口和金相檢查情況如下:

圖1 失效滑油散熱器外觀狀態(tài)Fig.1 External appearance of failure exchanger

1.1 斷口檢查

低倍斷口形貌見圖2，斷面齊平，無塑性變形，斷口呈脆性斷裂。斷口微觀形貌如圖3所示，斷面主要有解理、韌窩和沿晶特征。

圖2 斷口低倍形貌Fig.2 Macroscopic pearance of fracture surface

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Microscopic pearance of fracture surface

1.2 金相檢查

對焊縫交接處進行金相檢查，焊縫處一側組織為枝晶(圖4)，過渡區(qū)局部晶粒粗大、晶界平直，有過熱現(xiàn)象(圖5)。

圖4 焊接枝晶Fig.4 Welding arborescent crystal

圖5 晶界Fig.5 Grain boundary

斷口周圍未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，焊縫附近局部有過熱現(xiàn)象，對失效無影響;斷口呈脆性斷裂特征。

2 故障件的復查及強度校核［5-8］

2.1 故障件復查情況

1)原材料復查。散熱器爆裂部位為右端蓋組件，該組件由2個零件組成:右端蓋及端板，經(jīng)對所涉及的材料、焊絲等所有材料入廠復驗各項指標均合格，無代用情況。

2)生產(chǎn)過程復查。操作者(焊接及鈑金)均為高級技師;電焊機、氣密試驗臺等設備功能、儀表均有效;焊絲直徑及氬氣流量、焊接電流等符合工藝規(guī)程要求;路線卡等資料記錄齊全，符合要求。

3)試驗記錄。散熱器經(jīng)氣密工序檢查，檢查參數(shù)為:充入1.7 MPa低壓空氣，保壓5 min，散熱器無泄漏和其他異常現(xiàn)象，合格。

2.2 強度設計校核

端蓋材料采用5A02型材(σb=225 MPa)，通過有限元分析，得到散熱器端蓋的應力及應變云圖(圖6、圖7)。

圖6 端蓋應力云圖Fig.6 Stress nephogram of end cap

圖7 端蓋應變云圖Fig.7 Strain nephogram of end cap

從應力云圖可以看出，端蓋應力值平均在60 MPa左右，端蓋邊緣處應力值比較大，最大值為123 MPa，最大應變?yōu)?.56 ×10－6。散熱器的試驗壓力為1.7 MPa，取最大工作壓力2.1 MPa為分析點，取安全系數(shù)為1.5，許用應力225/1.5=150 MPa，分析結果顯示，零件在最大工作壓力下的應力值小于材料的許用應力，故散熱器結構強度滿足使用要求。

3 爆破試驗驗證

為驗證該散熱器結構的強度，抽取一套同批次的散熱器組件進行爆破試驗。用于試驗的芯子組件是經(jīng)壓力試驗(1.7 MPa，保壓5 min)合格的芯子組件。試驗共分5個階段進行，分別為1.7、2.5、3.0、3.5、3.8 MPa，每次加壓后保壓 5 min，觀察散熱器的氣密性，同時檢測各端蓋的變形量。當壓力達到2.5 MPa時散熱器出現(xiàn)輕微變形，當加壓至3.8 MPa時下端蓋組件中，端板與下端蓋連接處出現(xiàn)裂紋，裂紋長約100 mm(圖8)，殼體未爆開。試驗數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 滑油冷卻裝置芯子組件爆破試驗記錄表Table 1 Abruption test data of air-to-oil heat exchanger mandrel

經(jīng)進一步分析發(fā)現(xiàn):外場使用的滑油冷卻裝置測試設備為臨時搭建的簡易試驗臺，壓力源為高壓氣瓶，壓力通過控制閥、管路、壓力表直接作用到被測散熱器上。氣瓶正常壓力為12 MPa，試驗壓力為1.7 MPa，在正常壓力與試驗壓力之間無4 MPa左右減壓閥，即在控制管路上無二級減壓設計。當加壓至3.8 MPa時，試驗件端蓋組件端板處失效，與故障件的失效位置相同;變形量為1.6 mm，此種結構在承受3.8 MPa壓力后變形量≤2 mm，而失效的故障件實際發(fā)生的變形量≥4 mm，說明發(fā)生故障的產(chǎn)品在試驗中所承受的壓力遠大于 3.8 MPa。

4 結論

1)滑油散熱器的強度設計、材料、焊接質(zhì)量均滿足設計要求。

圖8 爆破試驗裂縫Fig.8 Cracks of abruption test

2)造成散熱器故障的主要原因為試驗設備設計不合理，無二級減壓閥，加上操作人員試驗過程中操作失誤，導致壓力過大(12 MPa)，遠大于試驗壓力(3.8 MPa)，從而瞬間將散熱器打爆。

3)建議建立專業(yè)化測試試驗臺，編制專用試驗規(guī)程，開展相應的培訓，正確指導試驗操作，消除安全隱患。

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