某航空發(fā)動(dòng)機(jī)槳軸疲勞試驗(yàn)裂紋分析

劉 平，許 煉，張 達(dá)

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

1 引言

槳軸為航空渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的輸出軸，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳力構(gòu)件。工作時(shí)槳軸將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳遞給螺旋槳，并將螺旋槳的拉力、慣性力、陀螺力矩、1P力[1-2]和1P力矩[3]通過(guò)軸承[4]傳遞給減速器機(jī)匣，槳軸的受力情況復(fù)雜，零件的強(qiáng)度及壽命關(guān)系到飛行安全及可靠性，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中，需要對(duì)槳軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以考核槳軸的疲勞壽命。目前對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的疲勞壽命主要利用有限元理論計(jì)算不同循環(huán)載荷下的疲勞損傷，利用Miner線性累計(jì)損傷法得到復(fù)合在和下的累計(jì)損傷，并結(jié)合主軸的疲勞試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出安全循環(huán)壽命。主要針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)槳軸在高低周復(fù)合疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)的裂紋故障現(xiàn)象，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及槳軸強(qiáng)度的理論計(jì)算結(jié)果對(duì)裂紋故障原因進(jìn)行分析研究，確定了槳軸在疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生裂紋的原因，通過(guò)選取實(shí)測(cè)飛行載荷以及改進(jìn)試驗(yàn)邊界條件等方法等措施對(duì)槳軸進(jìn)行了應(yīng)力分析及疲勞強(qiáng)度校核，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。以某槳軸疲勞裂紋為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)裂紋部位的受力分析，理論計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，找出了裂紋產(chǎn)生原因，提出了改進(jìn)辦法，取得了較好的效果。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件的疲勞裂紋，所闡述的研究方法對(duì)后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類試驗(yàn)的強(qiáng)度分析及疲勞試驗(yàn)方法具有參考意義。

2 裂紋故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)槳軸在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)位于槳軸中部的螺紋退刀槽根部產(chǎn)生了一條周向裂紋，裂紋長(zhǎng)度約占整個(gè)周長(zhǎng)的2/5，裂紋兩側(cè)金屬未見宏觀塑性變形。將含裂紋部位整體切取后發(fā)現(xiàn)，裂紋沿壁厚方向已經(jīng)基本裂透，內(nèi)圓面裂紋呈現(xiàn)鋸齒狀，裂紋兩側(cè)金屬可見明顯的宏觀塑性變形。試驗(yàn)裝置及裂紋位置，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experiment Device

對(duì)裂紋進(jìn)行宏觀分析：裂紋區(qū)斷面呈現(xiàn)典型的疲勞斷口特征，斷面高低不平，斷面上可見多個(gè)不同時(shí)期起始的疲勞擴(kuò)展區(qū)域，單個(gè)疲勞區(qū)域內(nèi)斷面較平坦，疲勞起始于外圓面，可見多個(gè)疲勞臺(tái)階，為線源，疲勞沿徑向及周向擴(kuò)展（徑向?yàn)橹鳎?，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞弧線，如圖2所示。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic Appearance of the Crack

對(duì)裂紋進(jìn)行微觀分析：裂紋斷口呈疲勞斷裂特征，疲勞起始于外圓面退刀槽，起始部位可見加工刀痕，為線源，起始部位可見疲勞臺(tái)階，如圖3所示。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Microcosmic Appearance of the Crack

3 故障排查及數(shù)據(jù)分析

3.1 故障排查

針對(duì)槳軸的裂紋故障現(xiàn)象，從設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)等方面進(jìn)行故障樹分析，故障樹的分析，如圖4所示。

分析槳軸材質(zhì)（材料為40CrNiMoA）及熱處理工藝，根據(jù)槳軸裂紋冶金分析報(bào)告排除了故障因素X3和X4。針對(duì)故障因素X5和X6對(duì)槳軸和試驗(yàn)工裝進(jìn)行了制造符合性復(fù)查，發(fā)現(xiàn)槳軸與球軸承配合處有較大磨損，而試驗(yàn)前槳軸與工裝的配合尺寸符合設(shè)計(jì)要求，分析認(rèn)為試驗(yàn)前后尺寸的變化是在試驗(yàn)過(guò)程中造成的，排除X5因素，對(duì)于裂紋起始部位的加工刀痕（故障因素X6）是否為故障原因需進(jìn)一步分析。但是槳軸與軸承配合關(guān)系的變化，會(huì)導(dǎo)致載荷傳遞路徑發(fā)生變更，針對(duì)配合尺寸的變化情況，利用試驗(yàn)載荷對(duì)槳軸分別進(jìn)行了正常約束狀態(tài)和非正常約束狀態(tài)（與球軸承配合處由過(guò)盈變?yōu)殚g隙）下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算[5]，并對(duì)最大應(yīng)力位置和裂紋位置進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明槳軸裂紋位置在試驗(yàn)載荷下的靜強(qiáng)度滿足要求，高低周復(fù)合疲勞強(qiáng)度在正常約束狀態(tài)滿足要求，在非正常約束狀態(tài)不滿足要求。分析認(rèn)為槳軸與球軸承之間配合關(guān)系的變化，導(dǎo)致槳軸承受了非正常載荷，與故障因素X7吻合。針對(duì)故障因素X8，通過(guò)對(duì)比槳軸疲勞試驗(yàn)載荷與試飛螺旋槳載荷，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)載荷偏大。

圖4 裂紋故障樹Fig.4 Fault Tree of the Crack

圖中：X1—零件強(qiáng)度裕度不夠；

X2—設(shè)計(jì)圓角不合適，應(yīng)力集中；

X3—材料有夾雜、裂紋，影響零件強(qiáng)度；

X4—熱處理工藝不合理；

X5—尺寸超差或加工不到位；

X6—加工過(guò)程殘留有微裂紋或刀痕；

X7—非正常載荷；

X8—試驗(yàn)載荷偏大。

針對(duì)故障因素X1和X2，對(duì)槳軸進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)查，按故障因素X7中正常約束和非正常約束兩種狀態(tài)初步計(jì)算螺紋退刀槽根部應(yīng)力，在正常約束狀態(tài)下該位置不是最大應(yīng)力區(qū)，強(qiáng)度滿足要求；而在非正常約束狀態(tài)下該區(qū)域應(yīng)力水平較高，考慮裂紋區(qū)域設(shè)計(jì)尺寸公差和加工因素，不排除螺紋退刀槽根部為強(qiáng)度薄弱部位。

3.2 數(shù)據(jù)分析

針對(duì)裂紋故障分析結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)載荷利用有限元計(jì)算[6]槳軸分別在正常約束狀態(tài)和非正常約束狀態(tài)（與球軸承配合由過(guò)盈變?yōu)殚g隙）下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，如圖5所示。并對(duì)法蘭盤根部和裂紋位置的最大當(dāng)量應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，如表1所示。

而葡萄酒桶與威士忌桶各有千秋，所以要用什么樣的桶十分講究。其中，葡萄酒桶由法國(guó)或美國(guó)細(xì)紋橡木條打造，充分風(fēng)干后文火烤制而成；而由粗糙的美國(guó)橡木打造而成的威士忌酒桶比傳統(tǒng)葡萄酒橡木桶窄薄，經(jīng)過(guò)高溫迅速燒焦，產(chǎn)生自然焦糖，賦予酒液威士忌色澤和柔滑口感。葡萄酒在陳年威士忌酒桶中完成最后的熟成，窄壁橡木桶使單寧與果味在酒體呼吸間融為一體，橡木桶特有的木香更賦予酒體特殊香氣，酒體也更加馥郁、更醇厚、更順滑。

圖5 槳軸當(dāng)量應(yīng)力分布Fig.5 Von-Mises Stress Distribution of the Shaft

通過(guò)表1可以看出，在非正常約束狀態(tài)下槳軸法蘭盤根部的最大當(dāng)量應(yīng)力與裂紋位置的最大當(dāng)量應(yīng)力水平相當(dāng)；而在正常約束狀態(tài)下槳軸裂紋位置的最大當(dāng)量應(yīng)力明顯小于法蘭盤根部的最大當(dāng)量應(yīng)力。

表1 槳軸最大當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）Tab.1 Maximal Von-Mises Stress of the Shaft MPa

根據(jù)以下公式對(duì)裂紋位置進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，裂紋位置在高周及低周載荷作用下的最大當(dāng)量應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果，如表2所示。高低周復(fù)合疲勞強(qiáng)度校核結(jié)果，如表3所示。

表2 裂紋位置最大當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）Tab.2 Maximal Von-Mises Stress of the Crack Area MPa

表3 裂紋位置疲勞強(qiáng)度校核結(jié)果（單位：MPa）Tab.3 Fatigue Strength Check of the Crack Area MPa

式中：σb—材料的極限強(qiáng)度；σeqL—低周疲勞載荷作用下的最大當(dāng)量應(yīng)力；σeqH—高周疲勞載荷作用下的最大當(dāng)量應(yīng)力；σeq1—將非對(duì)稱循環(huán)的應(yīng)力σeqL按105次循環(huán)修正的Goodman曲線所轉(zhuǎn)換的當(dāng)量穩(wěn)態(tài)應(yīng)力[7]；σeq2—考慮高周疲勞載荷影響，按107次循環(huán)修正的Goodman曲線所求出的當(dāng)量穩(wěn)態(tài)應(yīng)力；kf—疲勞安全系數(shù)。

其中，σ-1，x由以下公式計(jì)算得到：

取σ-1.3=0.9σb，σ-1.6=σ-1，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，σ-1=450MPa，σb=1026MPa。

通過(guò)表3可以看出，槳軸在非正常約束狀態(tài)下裂紋位置的疲勞安全系數(shù)小于1.1，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

4 改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 理論分析

針對(duì)故障分析結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，初步認(rèn)為導(dǎo)致槳軸疲勞裂紋的主要原因?yàn)槠谠囼?yàn)載荷偏大，同時(shí)由于載荷偏大導(dǎo)致了槳軸與球軸承之間出現(xiàn)磨損進(jìn)而產(chǎn)生了非正常載荷，槳軸提前失效。在第2件槳軸疲勞試驗(yàn)中采取了以下改進(jìn)措施：首先調(diào)整槳軸疲勞試驗(yàn)載荷：采用螺旋槳裝機(jī)條件下的推力、1P力、1P力矩、陀螺力矩及不平衡載荷等作為第二件槳軸的疲勞試驗(yàn)載荷；其次，在試驗(yàn)裝置中的軸承采用型號(hào)軸承以更好模擬槳軸實(shí)際工作中的邊界條件，如圖1所示。

對(duì)裂紋位置進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，有限元計(jì)算得到低周載荷作用下裂紋位置的最大當(dāng)量應(yīng)力為220MPa，高周載荷作用下的最大當(dāng)量應(yīng)力為162MPa。根據(jù)式（1）～式（4）對(duì)裂紋位置進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，調(diào)整試驗(yàn)載荷后裂紋位置的疲勞安全系數(shù)大于1.1，滿足試驗(yàn)要求。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

利用液壓伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)對(duì)槳軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片，如圖6所示。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)槳軸法蘭盤根部和原裂紋位置附近各沿周向均勻粘貼4個(gè)應(yīng)變計(jì)測(cè)量軸線方向應(yīng)變，采用DEWETRON應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變，貼片方案，如圖7所示。應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，如表4所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 Field Photograph

圖7 試驗(yàn)貼片圖Fig.7 Strain Gauge Distribution

表4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果（單位：με）Tab.4 Strain Test Resultμε

從試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可以看出，法蘭盤根部與裂紋位置附近應(yīng)力水平相當(dāng)，該結(jié)果與故障分析中非正常約束狀態(tài)下的槳軸應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果接近。分析認(rèn)為：彎矩、扭矩載荷能夠通過(guò)球軸承繼續(xù)向槳軸根部傳遞，螺紋退刀槽根部為強(qiáng)度薄弱區(qū)域。因此推斷第一件槳軸在螺紋退刀槽根部產(chǎn)生裂紋的原因?yàn)椋涸谠搹?qiáng)度薄弱區(qū)域承受了偏大的試驗(yàn)載荷，同時(shí)由于存在刀痕等加工質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致該部位提前失效。

針對(duì)故障分析中認(rèn)為載荷偏大造成槳軸軸承配合面磨損嚴(yán)重導(dǎo)致非正常約束的問(wèn)題，結(jié)合上述分析認(rèn)為在對(duì)槳軸進(jìn)行理論計(jì)算分析時(shí)，宜將槳軸與軸承內(nèi)環(huán)結(jié)合計(jì)算，考慮軸承游隙[9]對(duì)載荷傳遞所帶來(lái)的影響（即軸承內(nèi)環(huán)與滾珠之間本身存在間隙）。針對(duì)第二件槳軸試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，按該方法對(duì)槳軸法蘭盤根部和裂紋位置進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，法蘭盤根部最大當(dāng)量應(yīng)力值為330MPa，裂紋位置最大當(dāng)量應(yīng)力值為324MPa，如圖8所示。兩處當(dāng)量應(yīng)力水平相當(dāng)，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果也更為接近，證明采用該種計(jì)算方法更為接近真實(shí)情況。

采取以上改進(jìn)措施后，第二件槳軸通過(guò)了疲勞試驗(yàn)考核。槳軸的邊界條件對(duì)軸本身強(qiáng)度及壽命的影響必須進(jìn)行充分考慮和分析，通過(guò)計(jì)算分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出所述的試驗(yàn)和分析方法有效可行。該方法對(duì)其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件的強(qiáng)度分析和試驗(yàn)具有較好借鑒意義。

5 結(jié)論

針對(duì)槳軸疲勞試驗(yàn)裂紋故障，通過(guò)理論分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證確定了故障原因，并形成結(jié)論如下：

（1）通過(guò)應(yīng)力計(jì)算可以看出，裂紋位置即螺紋退刀槽根部與法蘭盤根部同為大應(yīng)力點(diǎn)，考慮裂紋位置截面的尺寸因素[10]，該部位為槳軸的薄弱部位，建議在設(shè)計(jì)及加工中重點(diǎn)保證；

（2）在槳軸等軸類零件的理論計(jì)算時(shí)，不能簡(jiǎn)單的將軸承作為固定約束，應(yīng)考慮軸承游隙對(duì)載荷傳遞所造成的影響；

（3）彎矩載荷對(duì)槳軸疲勞壽命影響較大，在選取試驗(yàn)載荷譜時(shí)，對(duì)彎矩載荷作用下槳軸的強(qiáng)度薄弱部位應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。