航空發(fā)動機離心通風器斷裂故障分析與排除

趙宏達

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所航空發(fā)動機動力傳輸重點實驗室，沈陽110015）

0 引言

離心通風器為某發(fā)動機潤滑系統(tǒng)重要部件[1]，安裝于發(fā)動機附件機匣內(nèi)，主要作用是依靠離心力的作用，將油氣中的滑油分離出來，以降低滑油系統(tǒng)排氣中的滑油含量，降低滑油系統(tǒng)的滑油消耗，從而滿足飛機的續(xù)航要求[2]。某型發(fā)動機在外場使用時離心通風器發(fā)生故障，導致飛機報CO 減小轉(zhuǎn)速信號，發(fā)動機空中停車，嚴重影響了飛行安全。國內(nèi)某型其他發(fā)動機也曾發(fā)生類似的離心通風器故障，可成河等[3]根據(jù)故障件的破壞形貌分析結(jié)果、光彈性試驗和有限元計算結(jié)果，建立了離心通風器力學模型，通過計算的名義應力，得到了結(jié)構(gòu)失效的原因，并提出了相應的解決措施。

本文針對離心通風器斷裂故障，從結(jié)構(gòu)、動態(tài)特性、動應力、強度等方面進行分析，得出故障原因，并提出改進措施。

1 故障原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

離心通風器安裝在附件機匣內(nèi)的離心通風器齒輪軸上，依靠花鍵來傳遞齒輪軸上的轉(zhuǎn)動。離心通風器與齒輪軸之間通過單側(cè)止口定位，長度僅為3.0～4.3 mm，配合定位面過短，另一側(cè)花鍵連接端采用螺母鎖片固定，螺母的擰緊力矩較小，僅為5～10 N·m。離心通風器齒輪軸組件如圖1 所示。

圖1 離心通風器齒輪軸組件

1.2 斷口分析

故障離心通風器整體斷裂為2 瓣，磨損變形嚴重，斷裂形成4 對匹配斷口[4]，對斷面進行觀察，擴展初期斷面較為平坦，棱線較為細致，隱約可見疲勞弧線，如圖2 所示。隨后由此區(qū)域發(fā)散出的棱線粗大，其外廓隱約呈弧形，在裂紋擴展區(qū)可見疲勞條帶，如圖3 所示。

圖2 斷裂區(qū)放大形貌

圖3 裂紋擴展區(qū)疲勞條帶

從圖3 中斷口觀察可見擴展區(qū)存在疲勞條帶，說明裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋[5-6]。

1.3 強度計算

1.3.1 離心通風器

在工作溫度為120 ℃、工作轉(zhuǎn)速為9280 r/min、離心通風器壓緊螺母的擰緊力矩為10 N·m 的條件下，對離心通風器施加預緊力、離心負荷及溫度載荷進行有限元分析[7]，其應力分布如圖4 所示。當應力水平較低，不超過41 MPa 時，在工作中不會發(fā)生瞬時破壞。對離心通風器進行固有頻率分析，其靜頻見表1。在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，無共振轉(zhuǎn)速。

圖4 離心通風器應力分布

表1 離心通風器靜頻

1.3.2 離心通風器齒輪

離心通風器齒輪工作轉(zhuǎn)速為6650～9280 r/min（對應發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速N2= 71%～100%），對離心通風器齒輪軸進行振動特性[8]分析，共振轉(zhuǎn)速見表2、3，坎貝爾圖如圖5 所示。由分析結(jié)果可知，離心通風器齒輪軸存在1 節(jié)徑前行波共振（N2= 72%）、2 節(jié)徑后行波共振（N2= 81%）、3 節(jié)徑后行波共振（N2=92%）。

表2 33E 激振因素下共振轉(zhuǎn)速

表3 33E/2 激振因素下共振轉(zhuǎn)速（理論）

圖5 齒輪軸坎貝爾圖

1.4 動應力測量

1.4.1 離心通風器動應力測量

對離心通風器進行動應力測量，全部應變片上振動應力測量結(jié)果均小于3 MPa，無明顯共振。

1.4.2 離心通風器齒輪軸動應力測量

對齒輪軸進行動應力測量[9-10]，測量結(jié)果顯示，離心通風器齒輪在6650～9280 r/min 工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，存在2 節(jié)徑型共振（N2= 93%）、2 節(jié)徑后行波共振、3 節(jié)徑后行波共振、4 節(jié)徑前行波共振[11]，2 節(jié)徑型共振最大振動應力為48 MPa，其坎貝爾圖如圖6 所示。

圖6 齒輪共振坎貝爾圖

離心通風器齒輪軸動應力實測值為48 MPa，雖滿足齒輪強度要求，但在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在的節(jié)徑行波共振對裝配在該軸上的離心通風器將產(chǎn)生影響。在振動作用下，離心通風器及相配合的各零件之間發(fā)生微動，導致離心通風器與齒輪軸配合處孔徑、端面、花鍵發(fā)生磨損，從而使離心通風器與齒輪軸配合精度降低。

1.5 故障分析小結(jié)

（1）離心通風器的裂紋性質(zhì)屬于疲勞裂紋；

（2）疲勞裂紋起源于離心通風器花鍵齒根；

（3）離心通風器斷裂的主要原因是：離心通風器與齒輪軸之間采用單側(cè)止口定位、配合定位面寬度較窄，并且軸向壓緊力不足，不能保證在發(fā)動機全工況條件下有效固定離心通風器，離心通風器在工作中因振動而松動，與齒輪軸的定位面發(fā)生微動磨損，齒輪軸花鍵與離心通風器花鍵反復撞擊，在離心通風器花鍵齒根萌生疲勞裂紋并擴展直至斷裂。

2 改進措施與驗證

2.1 改進措施

（1）將離心通風器材料由ZL114A 更改為2A70，并將單側(cè)止口定位改為雙側(cè)止口定位，前端增加定位配合為過盈0.02～0.06 mm[12]。

（2）將離心通風器齒輪軸的材料由12Cr2Ni4A 更改為16Cr3NiWMoVNbE，并增加齒輪軸輻板厚度，取消輻板上的減重孔[13]，達到改變零件固有頻率的目的，以消除工作中的共振。

（3）加大擰緊螺母的擰緊力矩。

2.2 改進措施分析驗證

2.2.1 材料性能對比分析

改進前、后材料拉伸性能[14]數(shù)據(jù)見表4，疲勞性能數(shù)據(jù)見表5。從表中可見，改進后的材料拉伸性能、抗疲勞性能均大幅提升。

表4 材料拉伸性能（σb/MPa）數(shù)據(jù)

表5 材料疲勞性能數(shù)據(jù)

2.2.2 強度計算分析

2.2.2.1 通風器強度分析

在工作溫度為120 ℃、工作轉(zhuǎn)速為9280 r/min、離心通風器壓緊螺母的擰緊力矩為10 N·m 的條件下，對離心通風器施加預緊力、離心負荷及溫度載荷進行有限元分析，應力分布如圖7 所示。從圖中可見，離心通風器改進結(jié)構(gòu)應力水平較低，由原來的41 MPa降低至36 MPa，更換2A70 材料后，其強度裕度提高約22%。

圖7 改進后離心通風器應力計算

對離心通風器的靜頻進行計算，自由狀態(tài)離心通風器的靜頻見表6。結(jié)果分析表明：離心通風器自身不存在共振。

2.2.2.2 離心通風器齒輪軸計算分析

對改進結(jié)構(gòu)的離心通風器齒輪軸進行計算，在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速內(nèi)不存在共振點，計算結(jié)果見表7，坎貝爾圖如圖8 所示。

表6 離心通風器靜頻

表7 齒輪軸改進方案共振轉(zhuǎn)速

2.2.2.3 裝配應力計算分析

在常溫狀態(tài)下，離心通風器與齒輪軸間徑向為過盈配合，對離心通風器裝配后在最大過盈量為0.06 mm 時所受的裝配應力進行有限元仿真計算分析，應力分布如圖9 所示。

由分析計算可知，離心通風器與齒輪軸的徑向配合為0.06 mm 過盈時，最大裝配應力為108.3 MPa，小于材料的許用應力[15]，強度儲備裕度為3.4 倍；且離心通風器在發(fā)動機起動后，環(huán)境溫度升高，在工作過程中該裝配應力很低，滿足使用要求。

2.2.3 動應力測量

2.2.3.1 改進葉輪動應力測量

對改進后的離心通風器動應力進行測量，最大值為4 MPa，且無共振。

圖9 直徑過盈為0.06 mm 時周向應力分布

2.2.3.2 改進離心通風器齒輪軸動應力測量

對改進后的離心通風器齒輪動應力進行測量，最大值為27 MPa，坎貝爾圖如圖10 所示。

圖10 齒輪軸改進結(jié)構(gòu)坎貝爾圖

根據(jù)改進結(jié)構(gòu)齒輪動測結(jié)果及理論分析結(jié)果可見，改進結(jié)構(gòu)齒輪成功地消除了激振因素33E/2 激起的2 節(jié)徑、33E 激起的2 節(jié)徑后行波、2×33E 激起的3 節(jié)徑后行波共振，改進效果明顯，但仍存在激振因素33E×3/2 激起的3 節(jié)徑后行波、2×33E 激起的4節(jié)徑后行波共振，3 節(jié)徑后行波最高為27 MPa，4 節(jié)徑后行波最高為21 MPa，振動應力水平均較低。

2.2.4 擰緊力矩改進驗證

為了驗證增大裝配擰緊力矩對離心通風器強度的影響，在工作溫度下對離心通風器的應力進行計算分析。計算出在150 ℃工作條件下，離心通風器的最大應力，見表8。從表中可見，擰緊力矩從10 N·m 增大到60 N·m，離心通風器最大工作應力（壓應力）僅增大了3 MPa，變化很小。說明擰緊力矩增大對離心通風器強度的影響很小，不會造成通風器應力變大失效。

表8 在不同擰緊力矩下應力計算值

2.2.5 部隊外場飛行驗證

改進后的離心通風器交付外場使用超過800 臺，累計使用16 萬h，使用情況良好，未再發(fā)生離心通風器斷裂故障。

3 結(jié)束語

離心通風器斷裂是由于離心通風器與軸定位面過短，壓緊螺母擰緊力矩不足，離心通風器齒輪軸共振導致的，明確故障機理后，針對故障原因采取在離心通風器增加定位面，調(diào)整齒輪結(jié)構(gòu)降低振動，增大裝配擰緊力矩一系列措施，經(jīng)驗證有效、合理可行，能有效解決離心通風器斷裂故障，保障外場飛行安全。