主槳轂中央件限動鎖連接螺栓提前斷裂原因分析

熊鴻建 ， 高彩虹 ， 陳學(xué)軍

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

0 引言

槳轂中央件是直升機上的關(guān)鍵部件，它是直升機旋翼傳動軸與旋翼槳葉的連接結(jié)構(gòu)[1-3]。支臂限動鎖通過4個連接螺栓與中央件進行固定連接，限動鎖連接螺栓安裝位置如圖1所示。中央件疲勞壽命考核試驗中，限動鎖連接螺栓提前斷裂破壞，針對此現(xiàn)象進行原因分析并改進。

限動鎖連接螺栓的材料為35Cr2Ni4MoA超高強度鋼。該材料具有高強度、高韌性、低冷脆轉(zhuǎn)變溫度、高疲勞強度等性能，適用于制造截面較大的、承受疲勞載荷的關(guān)鍵部件，如軸類、接頭、專用螺栓、起落架零部件等[4]。

國內(nèi)外許多學(xué)者都有在直升機失效分析領(lǐng)域進行研究。F.Vigano等[5]采用譜載荷法對直升機主槳轂進行了全尺寸的疲勞試驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建，并與試驗結(jié)果取得較好的吻合；R.J.H.Wanhill[6]通過分析某架荷蘭直升機在起飛前槳葉失效，發(fā)現(xiàn)飛行實際載荷大于此種材料槳葉所能承受的載荷；SlagerA[7]對直升機主傳動螺旋錐齒輪斷裂進行一系列研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)腐蝕是其主要的失效原因。王影等[8]通過研究鳥撞蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗，建立顯式非線性鳥撞有限元模型，并對比試驗具有較好的準(zhǔn)確性；賈寶惠等[9]根據(jù)現(xiàn)役民用直升機的使用特點，建立了一個三層三級的EDR指標(biāo)評級模型，為直升機金屬結(jié)構(gòu)維修間隔評估提供工程依據(jù)；李權(quán)等[10]通過研究主動齒輪軸承失效，發(fā)現(xiàn)滾子尺寸相差較大會導(dǎo)致齒輪失效。

圖 1 限動鎖連接螺栓安裝圖Fig.1 Installation diagram of lock connection bolt

本研究通過宏觀微觀分析、斷口特征分析、硬度檢測、化學(xué)分析等手段，分析連接螺栓斷口性質(zhì)，并確定連接螺栓斷裂的原因[11-14]。

1 試驗過程與結(jié)果

槳轂中央件疲勞試驗按照相關(guān)文件要求需要進行75萬次循環(huán)載荷加載，然而在試驗過程中，限動鎖連接螺栓前后經(jīng)歷了2次提前斷裂故障，分別記為故障A、故障B。故障A發(fā)生在1.4萬次循環(huán)載荷加載時，該故障發(fā)生后，通過分析發(fā)現(xiàn)其原因為螺栓擰緊力矩未達到要求，則增加力矩后再進行疲勞試驗。在循環(huán)載荷加載2.1萬次時發(fā)生故障B。對限動鎖連接螺栓強度進行分析，經(jīng)計算限動鎖連接螺栓設(shè)計強度能夠滿足疲勞試驗載荷要求。將2次故障后的連接螺栓分別進行失效分析。

1.1 宏觀觀察

1.1.1 故障A斷裂螺栓宏觀觀察

故障A中有2根螺栓斷裂、2根螺栓彎曲，選其中 2根斷裂螺栓（A1、A2）進行分析。A1、A2螺栓及其斷口宏觀形貌如圖2所示。螺栓斷裂位置均為螺栓頭的第一個螺牙根部位置，螺栓的光桿上有較嚴(yán)重的磨損痕跡。

A1螺栓斷口呈灰色，斷面平坦，源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可辨。源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位，為長線源；裂紋擴展方向如圖2c中白色箭頭所示，沿著螺栓徑向向上擴展，擴展區(qū)占整個斷面的80%以上；上邊緣的深灰色剪切唇粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)。

A2螺栓斷口呈暗灰色，斷面高差較大，源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可辨。源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位，為長線源；裂紋擴展方向如圖2d中白色箭頭所示，沿著螺栓徑向向上擴展，約1/3斷面的較平坦區(qū)域為擴展區(qū)，可見有疲勞弧線。后面約2/3高差較大的錐形粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)。

由此可知，A1、A2連接螺栓的斷裂前期宏觀形貌特征基本一致，主要表現(xiàn)為疲勞擴展，而斷裂

圖 2 故障A斷裂螺栓及斷口形貌Fig.2 Fracture bolt and fracture morphology in fault A

圖 3 故障B斷裂螺栓及斷口形貌Fig.3 Fracture bolt and fracture morphology in fault B

B1螺栓斷面源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位，為線源；裂紋擴展方向如圖3c白色箭頭所示，沿著螺栓徑向向上擴展，較大平坦區(qū)域為擴展區(qū)，約占整個斷面的80%；上邊緣的粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)。B2螺栓斷面源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位，為線源；裂紋擴展方向如圖3d白色箭頭所示，沿著螺栓徑向向上擴展，較大平坦區(qū)域為擴展區(qū)，約占整個斷面的60%；上邊緣的粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)，約占整個斷面的40%。

1.2 斷口微觀觀察

將超聲清洗后的斷裂螺栓放在掃描電鏡下微觀觀察斷口形貌。

1.2.1 故障A斷口微觀觀察

A1連接螺栓斷口微觀形貌見圖4。由圖可知：源區(qū)位于邊緣外側(cè)部位，為長線源起源，高倍觀察可見有磨損磨平形貌和黑色的磨損氧化產(chǎn)物，未見冶金缺陷；擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌，可見有二次裂紋；瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。后期的A2螺栓則為過載斷裂特征，這是因為，在A1螺栓斷裂之后，由于載荷加載失穩(wěn)偏心，導(dǎo)致A2螺栓受到較大的拉伸載荷作用而引起過載斷裂。

1.1.2 故障B斷裂螺栓宏觀觀察

取故障B中2根斷裂螺栓（B1、B2）進行分析。B1、B2螺栓及其斷口宏觀形貌如圖3所示。兩螺栓斷裂位置是在螺栓頭部的圓弧倒角過渡位置，螺栓的光桿上有較嚴(yán)重的磨損痕跡。螺栓整個斷口呈灰色，斷口斷面平坦，源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可辨。

A2連接螺栓斷口微觀形貌與A1斷口形貌類似，斷口源區(qū)位于邊緣外側(cè)部位，為長線源，且多源起源，高倍下可見多條交匯的疲勞臺階，未見冶金缺陷；擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌，也可見二次裂紋；瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。

1.2.2 故障B斷口微觀觀察

B1連接螺栓斷口微觀形貌見圖5。由圖可知：源區(qū)位于右邊邊緣外側(cè)部位，為長線源高倍下可見多條交匯的疲勞臺階，未見冶金缺陷；擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌，且可見一些二次裂紋；瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。

B2連接螺栓斷口微觀形貌與B1斷口形貌類似。源區(qū)位于左上方邊緣外側(cè)部位，為長線源，且多源起源；高倍下可見多條交匯的疲勞臺階，未見冶金缺陷；擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌，可見一些二次裂紋；瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。

1.3 化學(xué)成分分析

選取其中一個斷口進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?；瘜W(xué)成分符合材料要求。

圖 4 A1連接螺栓斷口微觀形貌Fig.4 Fracture micromorphology of bolt A1

圖 5 B1連接螺栓斷口微觀形貌Fig.5 Fracture micromorphology of bolt B1

1.4 金相組織檢查

從A1、A2、B1、B2連接螺栓上切取金相試樣（橫向切?。?，進行磨制拋光后腐蝕。金相組織為回火索氏體組織[15-17]，組織未見異常（圖6）。

1.5 硬度檢查

對4個連接螺栓的金相試樣進行硬度檢測，測試結(jié)果見表2。由表可知，4個螺栓硬度值基本一致，按照GB/T 1172—1999碳鋼及合金鋼硬度換算值表[18-19]換算后，符合HBS 363～415的技術(shù)要求。

1.6 故障B螺栓頭與螺桿的過渡區(qū)倒角檢測

查找連接螺栓工藝設(shè)計要求發(fā)現(xiàn)，螺栓頭與螺桿的過渡區(qū)要求加工為0.8 mm倒圓弧，因此對螺栓的倒角部分進行檢測。用顯微鏡對2件有裂紋的螺栓倒角部位進行檢測，測得B1螺栓倒角為44°20'，B2 螺栓倒角為 43°50'，故可以得出連接螺栓過渡區(qū)倒角為45°，沒有達到設(shè)計要求。

表 1 連接螺栓化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition analysis of connecting bolts（mass fraction /%）

2 分析與討論

圖 6 連接螺栓金相組織形貌Fig.6 Metallographic morphology of connecting bolts

表 2 連接螺栓硬度檢測結(jié)果Table 2 Hardness test results of connection bolts

由以上分析可知，A1、A2連接螺栓的斷裂部位都是在螺栓頭的第一個螺牙根部位置，源區(qū)起源于螺栓第一個螺牙根部一側(cè)外表面，沿螺栓徑向擴展，源區(qū)為長線源，擴展區(qū)上微觀可見明顯的疲勞條帶和二次裂紋，由此可判斷，A故障兩連接螺栓的斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。且A1、A2連接螺栓為槳轂中央件2號支臂左側(cè)上、下的兩個連接螺栓，從A1螺栓斷面主要為擴展區(qū)疲勞形貌特征和A2螺栓斷面主要為瞬斷區(qū)韌窩形貌特征可判斷，A2連接螺栓是在A1連接螺栓斷裂失效后，載荷加載失穩(wěn)偏心，導(dǎo)致A2連接螺栓受到較大的拉伸載荷作用而過載斷裂。另外，兩連接螺栓的金相組織和硬度未見異常，符合技術(shù)要求，說明其失效與材質(zhì)無關(guān)。B1、B2連接螺栓的斷裂部位都是在螺栓頭部的倒角過渡位置，源區(qū)起源于螺栓根部一側(cè)外表面，沿螺栓徑向擴展，源區(qū)為長線源且多源，擴展區(qū)上微觀可見明顯的疲勞條帶和二次裂紋，由此可判斷，B故障兩連接螺栓的斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。兩連接螺栓的金相組織和硬度未見異常，符合技術(shù)要求，說明其失效與材質(zhì)無關(guān)。

A故障連接螺栓的斷裂部位為螺栓受剪切應(yīng)力最大的部位，且加上螺紋在此處的界面變化產(chǎn)生較大的的應(yīng)力集中，導(dǎo)致A1、A2連接螺栓易在此部位發(fā)生疲勞斷裂。B故障連接螺栓的倒角過渡位置的界面變化會產(chǎn)生較大的的應(yīng)力集中，加上該部位所受剪切應(yīng)力的作用，導(dǎo)致B1、B2連接螺栓易在此部位發(fā)生疲勞斷裂。

3 改進措施

針對此次連接螺栓故障，進行以下改進：

1）增大限動鎖連接螺栓擰緊力矩；

2）限動鎖連接螺栓螺紋及螺栓頭部R區(qū)進行倒圓弧滾壓強化；

3）在光桿表面增加碳化鎢噴涂，增加其耐磨性以減少試驗過程中的表面磨損。

此外，雖然限動鎖連接螺栓設(shè)計強度能夠滿足疲勞試驗載荷要求，但是出于安全性考慮，也適當(dāng)從加工工藝、外徑等方面增強螺栓強度：將限動鎖連接螺栓棒材材料加工工藝更改為Ⅱ類鍛件，將限動鎖連接螺栓直徑從φ10 mm增加到φ12 mm。經(jīng)改進后的連接螺栓在周期性載荷加載下進行75萬次疲勞試驗，不再發(fā)生提前斷裂。

4 結(jié)論

1）連接螺栓斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。

2）A故障連接螺栓斷裂主要原因是由于擰緊力矩小、試驗載荷大造成結(jié)構(gòu)螺紋承受過大試驗載荷，造成螺栓頭的第一個螺牙根部位置的應(yīng)力集中；B故障連接螺栓斷裂主要原因是局部連接細(xì)節(jié)設(shè)計不佳，同時倒圓存在加工質(zhì)量不佳，造成螺栓頭部倒角過渡位置的應(yīng)力集中。