某型發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管裂紋故障分析

黃宇生 劉肩山 舒毅 王斌

摘要：針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管裂紋故障的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析和試驗(yàn)，得出振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞斷裂是故障的主要原因，采用減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了導(dǎo)管的抗振性能，有效解決了導(dǎo)管的裂紋問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：液壓導(dǎo)管;裂紋;疲勞;共振

0引言

液壓管路是航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件的重要組成部分^[1]。在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障中，導(dǎo)管裂紋故障占全部導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車結(jié)構(gòu)故障總數(shù)的一半以上，高居結(jié)構(gòu)故障之首^[2]。盡管外部導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管路鋪設(shè)有一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)范可以參考，也不存在顯而易見(jiàn)的技術(shù)難度^[3]。但由于局部設(shè)計(jì)不合理、選材不當(dāng)、生產(chǎn)和裝配工藝不規(guī)范，以及工作溫度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)應(yīng)力不同，產(chǎn)生的故障各不相同^[4]。振動(dòng)疲勞故障是導(dǎo)管的常見(jiàn)故障現(xiàn)象，通過(guò)選用抗振、抗壓、耐磨、抗腐蝕和耐一定溫度的材料，采用合理的減振結(jié)構(gòu)，對(duì)高溫區(qū)的導(dǎo)管進(jìn)行隔熱，優(yōu)化導(dǎo)管在發(fā)動(dòng)機(jī)上的鋪設(shè)、固定和緊固卡箍的布局，準(zhǔn)確控制導(dǎo)管之間、導(dǎo)管與其他零部件之間的距離就顯得尤為重要^[5-6]。

經(jīng)過(guò)維修的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中多次發(fā)生液壓系統(tǒng)報(bào)警，油量不正常、液壓系統(tǒng)壓力降低速度過(guò)快等故障。機(jī)組操作人員將此類故障判斷為液壓油泄漏問(wèn)題，停止執(zhí)行任務(wù)處理。經(jīng)著陸檢查，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)安全活門進(jìn)口導(dǎo)管接頭處裂開(kāi)，裂紋處液壓油泄漏，漏油處周圍未發(fā)現(xiàn)其他漏油點(diǎn)^[7]。針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管的漏油故障，查閱著陸檢查記錄，從導(dǎo)管的宏觀和微觀檢查人手，開(kāi)展了故障診斷與分析研究，確定了各種故障的產(chǎn)生原因，有針對(duì)性地提出了改進(jìn)和預(yù)防措施，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1故障情況

1.1宏觀檢查

裂紋導(dǎo)管為“L”字形導(dǎo)管，一端連接安全活門，一端連接四通接頭，中間部分相對(duì)懸空，四通接頭在發(fā)動(dòng)機(jī)上無(wú)固定，安全活門固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上。導(dǎo)管規(guī)格為48mm×0.8mm，材料為航空不銹鋼，故障發(fā)生前的裝機(jī)使用壽命為10～60小時(shí)不等。與四通接頭連接的其余導(dǎo)管規(guī)格為φ12mm×1.2mm，導(dǎo)管與四通接頭基本處于一個(gè)平面內(nèi)。導(dǎo)管裂紋位于導(dǎo)管連接安全活門側(cè)的喇叭口根部，整體處于導(dǎo)管管形的平面內(nèi)，裂紋沿周向發(fā)展，閉合較好，長(zhǎng)度約為導(dǎo)管周長(zhǎng)的1/3。喇叭口靠近直管段有一定程度的彎曲，在彎曲內(nèi)緣、靠近平管嘴根部的導(dǎo)管表面有一條狀的褐色磨損痕跡。在平管嘴內(nèi)表面，靠近根部存在長(zhǎng)條狀的褐色磨損區(qū)，磨損區(qū)的形狀、尺寸與導(dǎo)管表面的磨損痕跡較為吻合，如圖1所示。導(dǎo)管其余部位未發(fā)現(xiàn)明顯損傷。

打開(kāi)裂紋進(jìn)行觀察，裂紋斷面平坦細(xì)密、顏色灰亮，斷口整體與導(dǎo)管軸線垂直。在體視顯微鏡下觀察斷口，可見(jiàn)由外表面向內(nèi)表面發(fā)展的弧線，說(shuō)明裂紋起源導(dǎo)管外表面、向內(nèi)表面擴(kuò)展，如圖2所示。由圖1和圖2可看出裂紋源區(qū)與導(dǎo)管彎曲方向/磨痕的相對(duì)位置，說(shuō)明了裂紋沒(méi)有起始于導(dǎo)管彎曲變形的外緣區(qū)域。

1.2微觀檢查

通過(guò)掃描電子電鏡，低倍觀察裂紋斷口，可以發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞弧線和放射棱線，放射棱線如圖3所示。高倍下顯示有清晰的疲勞條帶，如圖4所示。觀察裂紋源區(qū)，發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)1.1mm、寬0.03mm的條狀區(qū)域，沿周向分布，略帶波紋狀的溝痕狀特征，裂紋源即為疲勞源。在裂紋主源區(qū)兩側(cè)有一些尺寸更小的次疲勞源，源區(qū)也可見(jiàn)波紋狀的溝痕特征，源區(qū)附近未見(jiàn)冶金缺陷和腐蝕特征。在源區(qū)附近的導(dǎo)管表面，可見(jiàn)較多波紋狀的溝痕特征，形貌與源區(qū)溝痕相似，如圖5所示。

1.3硬度測(cè)試

將導(dǎo)管取樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)得導(dǎo)管的顯微HRC硬度約為33.6，折合抗拉強(qiáng)度638MPa，符合GJB-3816-1999無(wú)縫鋼管抗拉強(qiáng)度≥550MPa的要求。經(jīng)過(guò)金相分析，未發(fā)現(xiàn)金相組織明顯異常。

2故障分析與討論

裂紋故障導(dǎo)管屬于同一型號(hào)導(dǎo)管的同一位置，斷口形貌相同，斷面在宏觀上平坦細(xì)密、顏色灰亮，有弧線和放射棱線特征，微觀上有細(xì)密的疲勞條帶。裂紋為高周疲勞開(kāi)裂性質(zhì)，起始于導(dǎo)管外表面的溝痕。影響故障導(dǎo)管疲勞開(kāi)裂的相關(guān)因素可能包括以下幾個(gè)方面。

2.1導(dǎo)管表面質(zhì)量的影響

GJB-3816-1999中對(duì)壁厚≤1.5 mm、直徑≤30mm的導(dǎo)管表面質(zhì)量要求為：表面粗糙度Ra≤1.2 5μm，外表面允許有深度不超過(guò)0.015mm的局部擦傷和個(gè)別壓痕存在。導(dǎo)管裂紋源區(qū)的溝痕深度為0.03mm，超出了規(guī)定的要求。通過(guò)查閱修理工廠的工作流程，得知導(dǎo)管人廠后僅做擴(kuò)口加工，不對(duì)導(dǎo)管做其他的表面處理。結(jié)合溝痕的形貌比較，源區(qū)較深的溝痕屬于導(dǎo)管人廠擴(kuò)口加工前產(chǎn)生的可能性較大。而表面的溝痕會(huì)形成應(yīng)力集中，增加導(dǎo)管缺口的敏感性對(duì)導(dǎo)管疲勞裂紋的萌生具有一定的促進(jìn)作用，尤其是靠近喇叭口的溝痕。

2.2導(dǎo)管安裝和矯形的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，兩根故障導(dǎo)管均未發(fā)現(xiàn)裝配偏差。通過(guò)測(cè)量接頭處導(dǎo)管的同軸度，故障導(dǎo)管喇叭口附近的直管段略微彎曲，但是裂紋源區(qū)并未出現(xiàn)在彎曲的外緣?？梢?jiàn)故障導(dǎo)管未發(fā)現(xiàn)明顯的安裝應(yīng)力，該處彎曲對(duì)裂紋的萌生沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響。

2.3管系結(jié)構(gòu)和振動(dòng)環(huán)境

從整個(gè)管系結(jié)構(gòu)來(lái)看，四根導(dǎo)管基本位于一個(gè)平面，中間四通接頭無(wú)固定，作為一個(gè)集中載荷存在，故障導(dǎo)管是其中最細(xì)一根，且故障導(dǎo)管無(wú)固定。四通接頭上方的導(dǎo)管連接液壓泵出口，故障導(dǎo)管連接安全活門，安全活門平時(shí)常關(guān)，屬于液壓流動(dòng)的盲點(diǎn)，導(dǎo)致故障導(dǎo)管持續(xù)受到液作泵出口的脈沖影響。另一方面，故障導(dǎo)管安裝框下方是發(fā)動(dòng)機(jī)的左主支承點(diǎn)，承受發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

從管系結(jié)構(gòu)上來(lái)看，裂紋主體處于管系中剛度最低的平面內(nèi)，裂紋擴(kuò)展與垂直管系平面方向上的振動(dòng)有著直接的關(guān)系。四通接頭在整個(gè)管系平面中間無(wú)固定，容易激起垂直于平面方向上的振動(dòng)，且管系所處振動(dòng)環(huán)境比較嚴(yán)苛。綜合來(lái)看，故障導(dǎo)管是整個(gè)管系中最弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，且在垂直于管形平面的方向上剛度最低。表1為故障導(dǎo)管及同型號(hào)導(dǎo)管的地面測(cè)振情況，從測(cè)振結(jié)果來(lái)看，振動(dòng)應(yīng)力值雖然未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，但其在同批次出廠的14根導(dǎo)管測(cè)振值中偏高，接近標(biāo)準(zhǔn)控制值40MPa。由此可知，故障導(dǎo)管在同部位、同方向?qū)掖伟l(fā)生高周疲勞振動(dòng)開(kāi)裂，與導(dǎo)管所受振動(dòng)應(yīng)力水平偏高有關(guān)。

3改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GJB-3816-1999《航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)通用技術(shù)要求》的內(nèi)容，φ8mm的液壓導(dǎo)管在正常振動(dòng)環(huán)境下的最大支撐間距為450mm，在嚴(yán)酷振動(dòng)環(huán)境下的最大支撐間距為280mm，導(dǎo)管與結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)留有6mm間隙，卡箍處至少有3mm，導(dǎo)管連接要求，直接頭、彎接頭、三通接頭等零件一端或另一端的管路在150mm內(nèi)應(yīng)有支撐。對(duì)于在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際導(dǎo)管鋪設(shè)，應(yīng)按要求設(shè)置支撐點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)由四通接頭傳至故障導(dǎo)管，使其產(chǎn)生共振是該導(dǎo)管故障的主要因素。由于故障導(dǎo)管無(wú)任何中間支撐，可在導(dǎo)管振幅較大處增加一個(gè)支撐點(diǎn)減小或消除導(dǎo)管共振，支撐點(diǎn)的安裝位置如圖6所示。

增加支撐點(diǎn)后，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施了更換故障導(dǎo)管、更換液壓油、清洗油濾和安全活門、增加導(dǎo)管連接卡箍等措施。經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)地面開(kāi)車、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和停車，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車、加減速、停車的振動(dòng)測(cè)試，表明該導(dǎo)管的共振現(xiàn)象已經(jīng)得到有效控制，且其他相關(guān)導(dǎo)管和結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)有害共振。并對(duì)后續(xù)同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施了此種排故方法，經(jīng)過(guò)一定臺(tái)次的使用，飛行狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果表明，此項(xiàng)改進(jìn)措施有效地解決了此類導(dǎo)管疲勞裂紋問(wèn)題。

4結(jié)論

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)多起導(dǎo)管裂紋的性質(zhì)均為振動(dòng)疲勞的高周疲勞開(kāi)裂，裂紋分別位于喇叭口根部和平管嘴根部對(duì)應(yīng)的導(dǎo)管表面，故障的裂紋主體均位于導(dǎo)管管形的平面內(nèi)。導(dǎo)致液壓導(dǎo)管產(chǎn)生裂紋的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在特定工作環(huán)境下，使相互連接的導(dǎo)管產(chǎn)生共振。試驗(yàn)結(jié)果表明，液壓導(dǎo)管管壁外表面較深的原始加工溝痕對(duì)疲勞裂紋的萌生有促進(jìn)作用。在液壓導(dǎo)管振幅較大的位置增加一個(gè)支撐點(diǎn)，可以提高液壓導(dǎo)管的抗振性能，解決液壓導(dǎo)管的共振問(wèn)題，有效預(yù)防后續(xù)同機(jī)型同位置液壓導(dǎo)管的疲勞裂紋故障。

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