某發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子機(jī)構(gòu)連桿斷裂故障分析

陳剛　陳凱征　郭桃都　任志遠(yuǎn)

摘 要：通過(guò)將某發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查后，發(fā)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)上半機(jī)匣靜子可調(diào)操縱機(jī)構(gòu)第3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)搭接段，與操縱支架第3級(jí)曲柄連接處球形頭連桿組合件從螺紋處斷裂，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)球形頭連桿組合件關(guān)節(jié)軸承軸向脫出。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) ；關(guān)節(jié)軸承 ；脫出

中圖分類號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 高壓壓氣機(jī)可調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)隨狀態(tài)變化帶動(dòng)0級(jí)～3級(jí)靜子葉片角度變化三級(jí)拉桿一側(cè)的球形頭連桿組合件與聯(lián)動(dòng)環(huán)連接，另一側(cè)通過(guò)三級(jí)連桿組合件與操縱支架相連，兩端連接部位均裝有關(guān)節(jié)軸承。球形頭連桿組合件與三級(jí)連桿組合件用螺紋連接，根據(jù)靜子葉片角度調(diào)節(jié)要求調(diào)整長(zhǎng)度，調(diào)整后擰緊端面螺母并打好保險(xiǎn)絲。

2 故障排查分析

故障發(fā)生后，從各方面開展復(fù)查和分析工作，列出故障樹以確定可能引發(fā)故障的各種原因，并對(duì)相關(guān)因素逐一排查。

2.1 斷口分析

2.1.1 斷口宏觀檢查

球形頭連桿沿螺紋槽底斷裂，斷口表面較平緩，從顏色上明顯地分為3種區(qū)域，最外層的呈灰褐色，中間層的呈亮灰色，中心部呈暗灰色；斷口表面可見(jiàn)到較明顯的疲勞弧線特征，初步判斷球形頭連桿斷口性質(zhì)為疲勞斷口。

2.1.2 斷口微觀檢查

在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，可見(jiàn)到較明顯的放射棱線及疲勞弧線特征，表明斷口性質(zhì)為疲勞斷口。根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，疲勞起源于球形頭連桿螺紋槽底的兩側(cè)表面，相向擴(kuò)展?？梢?jiàn)疲勞源區(qū)為多源起始，表面磨損均較嚴(yán)重，未見(jiàn)明顯的冶金缺陷。

2.1.3 材質(zhì)分析

對(duì)故障件斷口處進(jìn)行能譜分析，主要合金元素含量與標(biāo)準(zhǔn)要求基本相符，從發(fā)生斷裂的球形頭連桿螺紋段取樣進(jìn)行硬度測(cè)試及金相組織檢查，硬度測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，金相組織未見(jiàn)明顯異常。

2.1.4 斷口分析結(jié)論

（1）故障機(jī)球形連桿斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂，疲勞起源于螺紋兩側(cè)槽底的表面，相向擴(kuò)展；（2）疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，球形頭連桿組合件斷裂故障的產(chǎn)生與其材質(zhì)無(wú)直接關(guān)系。

2.2 故障件檢查

2.2.1 故障件關(guān)節(jié)軸承擴(kuò)口情況檢查

檢查故障件關(guān)節(jié)軸承，發(fā)現(xiàn)其脫出裝配位置約2mm，進(jìn)一步檢查關(guān)節(jié)軸承兩端擴(kuò)口部位未形成明顯擴(kuò)口。轉(zhuǎn)動(dòng)球形頭連桿組合件關(guān)節(jié)軸承靈活無(wú)卡滯。

進(jìn)一步檢查故障件，對(duì)比擴(kuò)口標(biāo)準(zhǔn)件與隨機(jī)抽取的庫(kù)存件球形頭連桿組合件關(guān)節(jié)軸承擴(kuò)口情況，從對(duì)比檢查結(jié)果看，擴(kuò)口標(biāo)準(zhǔn)件、庫(kù)存件形成明顯擴(kuò)口，標(biāo)準(zhǔn)件擴(kuò)口較好，庫(kù)存件擴(kuò)口不規(guī)則，故障件關(guān)節(jié)軸承外緣未形成明顯擴(kuò)口，槽底有工裝壓痕。

2.2.2 表面磨痕檢查

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)故障件球形頭連桿表面存在兩處磨痕，對(duì)與故障件配合的三級(jí)連桿組合件、三級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)搭接段及三級(jí)曲柄進(jìn)行檢查，對(duì)應(yīng)表面也存在磨損痕跡。

2.2.3 故障件檢查結(jié)果

通過(guò)對(duì)故障件進(jìn)行仔細(xì)檢查，結(jié)合故障件裝配位置及與周圍零組件之間的配合關(guān)系以及斷口分析結(jié)論，初步分析認(rèn)為：（1）關(guān)節(jié)軸承軸向脫出，擴(kuò)口部位未形成明顯擴(kuò)口；（2）關(guān)節(jié)軸承脫出后工作過(guò)程中與相配件存在干涉，磨痕情況與斷口檢查發(fā)現(xiàn)的雙向疲勞擴(kuò)展斷裂形貌有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 質(zhì)量復(fù)查

故障發(fā)生后，故障分析組對(duì)故障件同批次球形頭連桿裝機(jī)情況進(jìn)行復(fù)查，同時(shí)對(duì)具備檢查條件的批產(chǎn)和科研發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)節(jié)軸承脫出及擴(kuò)口情況進(jìn)行了全面檢查。

2.3.1 實(shí)物復(fù)查

故障件同批次件復(fù)查。復(fù)查56件操縱支架組合件裝機(jī)情況，關(guān)節(jié)軸承擴(kuò)口實(shí)際質(zhì)量狀況參差不齊，目視關(guān)節(jié)軸承外緣未形成明顯擴(kuò)口的較多，同時(shí)存在局部擴(kuò)口、擴(kuò)口不規(guī)則等情況，存在軸向脫出現(xiàn)象的關(guān)節(jié)軸承外緣均未形成明顯擴(kuò)口。

2.3.2 裂紋件檢查

對(duì)存在關(guān)節(jié)軸承脫出的球形頭連桿組合件均進(jìn)行熒光檢查，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承脫出量最大的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)上半機(jī)匣三級(jí)拉桿球形頭連桿組合件螺紋段存在裂紋，脫出量小于1.5mm的其余件未見(jiàn)異常。

對(duì)該新發(fā)現(xiàn)故障件進(jìn)行仔細(xì)檢查及斷口分析，并與故障機(jī)故障件進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下： （a）該故障件關(guān)節(jié)軸承軸向脫出1.78mm，比故障機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障件脫出量略小，兩者脫出方向一致；（b）在該故障件上發(fā)現(xiàn)兩處異常磨損，位置與故障機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障件相同；（c）該故障件表面裂紋為雙向疲勞裂紋，裂紋斷口源區(qū)未見(jiàn)材質(zhì)冶金缺陷，金相組織及材料硬度檢查也未見(jiàn)異常，斷口檢查結(jié)果與故障機(jī)故障件斷口分析結(jié)論一致。

2.3.3 生產(chǎn)和工藝復(fù)查

對(duì)整改前球形頭連桿組合件擴(kuò)口的工藝和實(shí)施情況進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下：（1）故障件批次擴(kuò)口工序使用的工裝圖紙未保留，實(shí)物已報(bào)廢，均不可追溯?，F(xiàn)場(chǎng)使用的工裝是測(cè)繪舊工裝后設(shè)計(jì)加工的；（2）擴(kuò)口工裝尺寸不進(jìn)行檢查，也未規(guī)定可加工零件的數(shù)量，以加工出的零件是否滿足要求判定；（3）擴(kuò)口工裝定位芯棒與擴(kuò)口錐面無(wú)同軸度要求，可能導(dǎo)致擴(kuò)口時(shí)位置存在偏差，會(huì)造成擴(kuò)口形狀不規(guī)則；（4）連桿組合件關(guān)節(jié)軸承擴(kuò)口后，檢測(cè)軸向載荷的工裝存在不足，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.3.4 質(zhì)量復(fù)查小結(jié)

質(zhì)量復(fù)查的主要結(jié)論如下：（1）存在軸向脫出現(xiàn)象的關(guān)節(jié)軸承外緣均未形成明顯擴(kuò)口；（2）故障球形頭連桿組合件所在批件擴(kuò)口工序使用的工裝圖紙及實(shí)物均不可查；（3）新發(fā)現(xiàn)的關(guān)節(jié)軸承故障件情況與故障機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障件一致，可按同一故障處理；（4）生產(chǎn)和工藝復(fù)查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題可能導(dǎo)致實(shí)際加工產(chǎn)品關(guān)節(jié)軸承外緣未形成明顯擴(kuò)口。

2.4 連桿斷裂分析

通過(guò)斷口分析及實(shí)物復(fù)查，故障件斷裂可能是由零組件之間相互干涉引起的雙向疲勞擴(kuò)展，下面對(duì)產(chǎn)生干涉的原因及故障件斷裂的機(jī)理進(jìn)行分析。

3 故障原因分析

通過(guò)上述復(fù)查、試驗(yàn)和分析工作，對(duì)于故障機(jī)號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子機(jī)構(gòu)球形頭連桿斷裂故障原因分析結(jié)論如下：（1）故障件關(guān)節(jié)軸承擴(kuò)口不滿足要求，不能對(duì)軸承起到軸向定位的作用，導(dǎo)致可調(diào)靜子操縱機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中關(guān)節(jié)軸承脫出，造成連桿工作時(shí)活動(dòng)空間減小，當(dāng)關(guān)節(jié)軸承脫出嚴(yán)重后使零組件之間發(fā)生嚴(yán)重的干涉和碰磨。（2）零組件之間的干涉會(huì)導(dǎo)致球形頭連桿除承受正常的拉壓載荷外，還承受附加的雙向周期性變化的彎矩作用，經(jīng)一定工作時(shí)間的累積，干涉發(fā)展變嚴(yán)重時(shí)，附加彎矩會(huì)隨之迅速增大，最終引起拉桿的螺紋段出現(xiàn)初始裂紋。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，在上述附加載荷和工作振動(dòng)等因素的共同作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致拉桿在螺紋段斷裂。

4 排故措施

針對(duì)本次故障，通過(guò)分析討論，制定相關(guān)排故及改進(jìn)措施如下：（1）改進(jìn)擴(kuò)口模具及檢測(cè)工裝，增加防錯(cuò)措施，減少人為因素的影響；（2）加強(qiáng)擴(kuò)口模具及檢測(cè)工裝的管理，建立使用檔案，定期對(duì)其進(jìn)行檢定；（3）優(yōu)化工藝參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行固化，并納入工藝規(guī)程； （4）加強(qiáng)并落實(shí)產(chǎn)品出廠前各項(xiàng)檢驗(yàn)，軸向載荷檢查和擴(kuò)口形貌嚴(yán)格按照要求驗(yàn)收。

5 故障危害性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高壓壓氣機(jī)靜子可調(diào)機(jī)構(gòu)0級(jí)～3級(jí)拉桿帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)靜子葉片角度的目的。當(dāng)關(guān)節(jié)軸承脫出嚴(yán)重時(shí)，拉桿與配合零件間產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉和碰磨，對(duì)連桿施加較大的附加載荷，導(dǎo)致相對(duì)薄弱的連桿螺紋底部產(chǎn)生裂紋，擴(kuò)展后造成拉桿斷裂。

當(dāng)單級(jí)一側(cè)拉桿斷裂后，會(huì)對(duì)該級(jí)可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)可靠性產(chǎn)生一定影響；單級(jí)拉桿兩側(cè)斷裂時(shí)，導(dǎo)致該級(jí)可調(diào)靜子葉片角度失控；同時(shí)拉桿斷裂可能引起調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡滯，也使靜子葉片角度不可控，會(huì)直接引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，危害發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘培道，盧影峰.中國(guó)航空材料手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]楊勇剛，張力.幾種搖臂與聯(lián)動(dòng)環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)比分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2012，38（6）：34-37.

[3]陳懋章.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)發(fā)展的幾個(gè)問(wèn)題[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2006，32（2）：5-11.