某型發(fā)動機(jī)金屬附件故障分析

王幫艷

（襄陽航泰動力機(jī)器廠，湖北 襄陽 441002）

某型發(fā)動機(jī)每臺配套十二件金屬噴嘴支管，該噴嘴支管由導(dǎo)管、外套螺母、平管嘴以及環(huán)形接頭組合焊接而成。在首翻修期的故檢試驗(yàn)時，即出現(xiàn)了平均每臺6件左右的金屬附件裂紋故障[1]。該裂紋故障的加劇，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在工作過程中出現(xiàn)供油不足、溫度場不均或高壓噴油而使機(jī)艙充滿燃油的嚴(yán)重事故發(fā)生。

通過對故障模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析并制訂方案，突破一個翻修期內(nèi)即會出現(xiàn)裂紋故障的技術(shù)難題，有效杜絕因裂紋故障而出現(xiàn)安全隱患。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 金屬附件結(jié)構(gòu)

圖1 噴嘴組件

噴嘴支管與噴嘴殼體、噴嘴螺母、噴口等組合成金屬附件的組件，見圖1。其安裝軸線與導(dǎo)管連接部位的軸線呈正交狀態(tài)，一端由噴嘴螺母間隙配合插入火焰筒頭部，一端由噴嘴支管外套螺母與總管接嘴連接，并通過噴嘴殼體頸部固緊在安裝盤上。

圖2 故障件

1.2 故障原因判定

為了降低加工難度，提高生產(chǎn)效率及減少材料損耗，將噴嘴支管的環(huán)形接頭外形設(shè)計成直接澆鑄成型的ZG1C18Ni9Ti鑄鋼件，而澆鑄金屬材料在一定程度上呈各向同性，澆鑄時形成氣泡、裂紋、組織偏析及其它隱性的組織缺陷，組合焊接后隱性缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大。

在發(fā)動機(jī)工作過程中，流經(jīng)燃燒室的高壓氣流及流經(jīng)噴嘴支管的高壓液流使其產(chǎn)生振動，在導(dǎo)管與環(huán)形接頭焊接組合處產(chǎn)生了較高的振動應(yīng)力，由于環(huán)形接頭本身的強(qiáng)度儲備不足從而產(chǎn)生裂紋。

1.3 裂紋斷口分析

對1件噴嘴支管故障件裂紋進(jìn)行裂紋斷口觀察，裂紋斷口形貌為疲勞斷口，疲勞起源于環(huán)形接頭裂紋頂部內(nèi)表面，由兩個線源組成，源區(qū)較平坦，呈灰黑色；裂紋由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，并沿接頭凸起處根部方向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)起伏不大；擴(kuò)展區(qū)斷面上局部可見明顯的疲勞弧線；將裂紋斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，源區(qū)未見明顯的機(jī)加缺陷。

1.4 冶金分析

選取鑄造成型的故障環(huán)形接頭，與熱軋棒材加工成型的環(huán)形接頭進(jìn)行金相對比分析；再分別插入導(dǎo)管焊接后進(jìn)行熱影響區(qū)的金相對比分析。通過測試分析表明：棒材為柱狀枝晶組織，焊接后熱影響區(qū)與基體相比晶粒無明顯變化；鑄件為胞狀加柱狀枝晶組織，焊接后熱影響區(qū)與基體相比晶粒有明顯長大。

1.5 模態(tài)計算和試驗(yàn)

通過AnsysWorkbench軟件對金屬附件的模態(tài)（計算用噴嘴組件與安裝位置采用中差配合）進(jìn)行計算，計算表明環(huán)形接頭的模態(tài)呈規(guī)律的多邊形形狀，結(jié)果見表1。

表1 模態(tài)計算結(jié)果

選取5件金屬附件進(jìn)行振動模態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)噴嘴組件的實(shí)際安裝位置，一端由金屬件螺母間隙配合插入模擬火焰筒頭部，一端由金屬件外套螺母與固定接嘴連接，并通過零件殼體頸部固緊在安裝盤上。

通過振動試驗(yàn)器的CRAS模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)對零件支管模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

1.6 振動應(yīng)力測量

觀察金屬件環(huán)形接頭故障件的裂紋位置及走向，裂紋多起源于焊接處凸臺邊緣，裂紋呈樣條線狀沿外壁軸向根部擴(kuò)展，且裂紋總是出現(xiàn)在環(huán)形接頭的兩個對稱平面上。可見其工作時主要發(fā)生為四邊形振動，模態(tài)計算和模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果也表明這一點(diǎn)。

在發(fā)動機(jī)試車臺上進(jìn)行振動應(yīng)力測量，測量結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6500r/min以下幾乎沒有信號；從6500r/min到最高轉(zhuǎn)速16500r/min內(nèi)，環(huán)形接頭處于4邊形振動的信號，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到14800r/min時測到最大應(yīng)變，此時頻率為463Hz，振動應(yīng)變值達(dá)162με，換算成室溫下的振動應(yīng)力值為152.4MPa，工作溫度250℃下為134.8MPa。

2 故障原因確定

故障件環(huán)形接頭材料為ZG1Cr18Ni9Ti鑄件，經(jīng)查詢材料手冊，與1Cr18Ni9Ti熱軋棒材進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能對比分析，得出熱軋棒材1Cr18Ni9Ti性能（特別是焊接性能）明顯優(yōu)于其它鑄件的結(jié)論。

ZG1Cr18Ni9Ti在250℃工作溫度下σb=598Mpa，σ-1=320Mpa。金屬鑄造成零件后，因?yàn)樾挝徽`差的影響其抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度會下降8%左右，因焊接的原因會下降6%左右，因此環(huán)形接頭在250℃工作溫度下σb=514.28Mpa，σ-1=275.2Mpa。

由于噴嘴支管一端由外套螺母連接，支點(diǎn)就在環(huán)形接頭的焊接處，再加上鑄件壁厚差異較大，工作時在振動應(yīng)力的作用下，這些影響越來越明顯，在轉(zhuǎn)速達(dá)到14800r/min時，振動頻率達(dá)到463Hz，模態(tài)計算和模態(tài)試驗(yàn)均證明了這一點(diǎn)。

此時最大振動應(yīng)力為134.8MPa，噴嘴支管的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為2.04（nb=275.2/134.8=2.04），理論上能滿足使用要求。

但從冶金分析、尺寸檢測和實(shí)際結(jié)果來看，因?yàn)殍T造缺陷、外形尺寸誤差、焊接處厚薄不均造成應(yīng)力集中以及焊接殘余應(yīng)力的存在很大程度上降低了環(huán)形接頭的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致其機(jī)械性能大幅下降，從而造成裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。

3 故障排除措施

從圖2可看出故障環(huán)形接頭由于鑄造精度低，各非加工面處壁厚不均勻，且環(huán)形供油通道粗糙，壁上布滿油污。為此，將環(huán)形接頭材料由ZG1Cr18Ni9Ti鑄件更換為焊接性能更佳的熱軋棒材1Cr18Ni9Ti；提高其內(nèi)部環(huán)形供油通道的加工精度，以保證供油暢通無阻滯；各連接部位圓滑轉(zhuǎn)接排除應(yīng)力集中。

設(shè)計專用焊接夾具，保證導(dǎo)管軸線與環(huán)形接頭安裝面的位置關(guān)系，以確保噴嘴支管安裝時能自由安裝，避免產(chǎn)生安裝應(yīng)力。

4 結(jié)論

通過改變結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)化焊接參數(shù)，減小焊接殘余應(yīng)力等措施，徹底根除一個翻修期內(nèi)即會出現(xiàn)裂紋故障的技術(shù)難題，有效杜絕因裂紋故障而引起機(jī)械運(yùn)行事故發(fā)生。