某型飛機發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落故障診斷與分析

劉龍園，張 斌，付細能，張向前

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引 言

航空發(fā)動機是飛機的 “心臟” ，是航空機械設備中故障率最高、調(diào)整最復雜、維護工作量最大的系統(tǒng)，其工作狀態(tài)的好壞直接影響到飛機的安全可靠與運行[1]。

某型飛機在使用過程中，出現(xiàn)了前罩圈（用于連接飛機進氣道和發(fā)動機端面的過渡段）鉚釘頭裂紋和脫落的故障，如圖1和圖2所示，鉚釘頭脫落進入發(fā)動機，可能引起發(fā)動機葉片損傷。

1 發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落故障原因分析

1.1 發(fā)動機前罩圈結(jié)構(gòu)

前罩圈是進氣道與發(fā)動機之間的過渡段，用于實現(xiàn)發(fā)動機與進氣通道氣流的平滑過渡。

圖1 發(fā)動機前罩圈鉚釘頭脫落故障示意圖

沿航向，前罩圈通過帶板（LY12-δ1.2 鋁板）與進氣道后端連接（第1、2 圈鉚釘與進氣道后端連接，第3、4 圈鉚釘與前罩圈連接）； 第6 圈鉚釘與30 框連接，第5、7 圈鉚釘與加強型材鉚接；鉚釘均為HB6316-3×L，材料為LY10，每圈鉚釘約80 個，如圖3 所示。

圖2 發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋故障示意圖

1.2 發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落故障原因

國內(nèi)其他飛機進氣道鉚釘均采用HB8066-4×8鉚釘和1.5mm 厚蒙皮的設計，目前暫未出現(xiàn)鉚釘頭脫落的現(xiàn)象，而某型飛機發(fā)動機前罩圈采用鉚釘均為HB6316-3×L，蒙皮厚度為1.2mm，鋁板出現(xiàn)鉚釘裂紋和脫落，從而可定位發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落的原因如下：

圖3 前罩圈結(jié)構(gòu)及鉚釘脫落分布

1）前罩圈蒙皮厚度和鉚釘選用不匹配，在锪窩鉚接時產(chǎn)生 “刀口” 現(xiàn)象，如圖4 所示，易對鉚釘表面造成損傷。另外，由于锪窩深度存在一定的分散性，形成 “刀口” 的程度不同，使用過程中對鉚釘造成的損傷程度也不完全相同，從而造成發(fā)動機前罩圈鉚釘鉚接質(zhì)量具有分散性。

圖4 “刀口” 現(xiàn)象

2）某型飛機進氣道載荷與發(fā)動機前罩圈載荷一致，某型飛機進氣道選用HB8066-4×L 鉚釘，未出現(xiàn)鉚釘頭裂紋和脫落現(xiàn)象，而發(fā)動機前罩圈出現(xiàn)鉚釘頭裂紋和脫落現(xiàn)象，說明HB6316-3×L 鉚釘拉脫力不夠，選用不合理，滿足不了進氣道氣流交變載荷和噪聲作用下的疲勞強度要求，出現(xiàn)裂紋和脫落。

在發(fā)動機狀態(tài)改變或飛行條件發(fā)生變化導致進氣道氣流壓力交變和發(fā)動機噪聲載荷作用下，前罩圈蒙皮會產(chǎn)生鼓動，蒙皮 “刀口” 易損傷鉚釘，且鉚釘拉脫力偏小時，在上述載荷作用下，易導致鉚釘頭出現(xiàn)疲勞裂紋和脫落。

2 發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落解決措施

根據(jù)上述故障的產(chǎn)生原因，借鑒國內(nèi)其他飛機和某型飛機進氣道鉚接設計 （采用1.5mm 厚度蒙皮及HB8066-4×L 鉚釘）情況，對于某型飛機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落問題，采取以下改進措施：

1）增加前罩圈蒙皮厚度，由1.2mm 改為1.5mm，向流道內(nèi)增加0.3mm，材料牌號不變；

2）將前罩圈蒙皮鉚釘由HB6316-3×L改 為HB8066-4×L。（HB6316-3×L 鉚釘可承受的拉力為563.5N，單面最小破壞剪力為1725N；HB8066-4×L 鉚釘可承受的拉力為3386N，單面最小破壞剪力為3080N，分別是原鉚釘?shù)?.0 倍和1.78倍）；

3）進氣道后端蒙皮不更換，由于進氣道后端蒙皮第1 圈鉚釘和第2 圈鉚釘已按HB6316-3×L 锪窩，需特制鉚釘頭并重新锪窩，如圖5 所示，該特制鉚釘頭角度由90°改為100°，鉚釘頭直徑由5.7mm 改為6.2±0.1mm，其余技術(shù)要求與HB8066-4×L 鉚釘一致，特制鉚釘尺寸及技術(shù)要求見圖6。

圖5 特制鉚釘锪窩

圖6 特制鉚釘尺寸和技術(shù)要求

3 措施方案強度分析

3.1 前罩圈與HB8066-4×L 鉚釘強度

在有限元模型中將鉚釘單元直徑由3mm 改為4mm，蒙皮厚度有1.2mm 改為1.5mm。

壓力情況和吸力情況下蒙皮應力云圖分別見圖7 和圖8。

圖7 壓力情況應力云圖

圖8 吸力情況應力云圖

蒙皮材料：LY12 σb=390MPa，最大應力見圖7，σ=95.6MPa

鉚釘載荷最大載荷：

模型共510 個鉚釘單元，吸力情況最大剪力為30210 單元（剪力120.9N，軸力-36.5N），最大軸力為30224 單元（剪力31.6N，軸力45.8N）；壓力情況最大剪力為30210 單元（剪力324.6N，軸力98.1N），最大軸力為30367 單元（剪力256.4N，軸力-122.7N）。單元位于蒙皮圓筒搭接附近。

鉚釘HB8066-4×L 單面最小破壞剪力為3080N，單只HB6316-3×L 鉚釘頭抗拉載荷為3386N。

鉚釘剪切安全余量大于3：

鉚釘抗拉安全余量大于3:

3.2 特制鉚釘強度

由于特制鉚釘是參照HB8066-4×L 鉚釘進行設計，僅鉚釘頭圓錐面角由90°改為100°，鉚釘頭直徑由5.7mm 改為6.2±0.1mm，其他尺寸相同。鉚釘受剪時，特制鉚釘?shù)募羟忻婷娣e相同，擠壓面積稍大于標準鉚釘，特制鉚釘承載能力稍強。

4 驗證情況

某型飛機發(fā)動機前罩圈機上更換工作在工廠某架飛機上進行了更換通路和工藝可行性實施，改裝結(jié)果表明，前罩圈機上更換工藝可行。某架飛機改裝結(jié)束后進行多架次飛行驗證，未出現(xiàn)發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

針對某型飛機發(fā)動機前罩圈鉚釘頭裂紋和脫落故障現(xiàn)象，通過對比其他飛機類似結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)某型飛機發(fā)動機前罩圈鉚釘直徑選用過小和蒙皮選用過薄，在锪窩鉚接時產(chǎn)生 “刀口” 現(xiàn)象，在發(fā)動機狀態(tài)改變或飛行條件發(fā)生變化導致進氣道氣流壓力交變和發(fā)動機噪聲載荷作用下，前罩圈蒙皮會產(chǎn)生鼓動，蒙皮 “刀口” 損傷鉚釘外表面；同時，長時間在進氣道氣流壓力交變和發(fā)動機噪聲的載荷作用下，鉚釘頭也會出現(xiàn)疲勞裂紋和脫落。

某型飛機發(fā)動機前罩圈通過選用牌號為HB8066、直徑為4mm 的鉚釘和蒙皮厚度增加為1.5mm 的解決措施，經(jīng)理論分析、工藝改裝驗證和空中飛行驗證，解決了發(fā)動機前罩圈鉚釘脫落的故障。