某型航空發(fā)動機點火電纜金屬編織套斷裂故障分析

范旭東

（海裝駐常州地區(qū)軍事代表室，江蘇 常州213022）

0 引 言

某型航空發(fā)動機例行試驗至469 h，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機右側(cè)點火電纜的金屬編織套銅絲出現(xiàn)斷裂，斷裂位置在安裝點火電嘴一端處于焊合和未焊的過渡區(qū)域，如圖1所示。

1 點火電纜簡介

1.1 點火電纜結(jié)構(gòu)及功用

航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)是發(fā)動機地面起動及空中再啟動的核心部件，主要作用于點燃燃燒室內(nèi)的油氣混合物，電點火系統(tǒng)主要由點火裝置、點火電嘴和點火電纜組成，其中點火電纜是電點火系統(tǒng)的主要部件[1-2]。

該型發(fā)動機點火電纜主要由彈性接頭、芯線、氟塑料套管和電纜保護套等組成，主要功能是將點火器產(chǎn)生的高壓電能脈沖傳輸給點火電嘴。其中，電纜保護套由金屬軟管和接頭組成，金屬軟管與兩端接頭通過手工火焰釬焊連接。

航空發(fā)動機用屏蔽軟管的外層為雙層黃銅編織套24錠，4股，φ0.3 mm黃銅絲（簡稱金屬編織套），內(nèi)層為航空發(fā)動機用不銹鋼軟管，兩端通過手工火焰釬焊合在一起后形成金屬軟管。金屬軟管的主要功能是保護芯線、電磁屏蔽和降低線路電阻。

1.2 點火電纜結(jié)構(gòu)及功用

圖1 金屬編織套斷裂圖

每臺該型發(fā)動機安裝兩根點火電纜，分別在燃燒室機匣上方的左、右兩側(cè)。點火電纜的一端與點火器連接，另一端與點火電嘴連接。其中，左側(cè)點火電纜的金屬軟管折彎半徑較大且由支架固定，右側(cè)點火電纜的金屬軟管折彎半徑較小且無固定措施，為懸臂狀態(tài)。

此次為右側(cè)點火電纜的金屬編織套在靠近點火電嘴處斷裂，如圖2所示。

圖2 點火電纜的安裝位置

2 故障金屬編織套復查

2.1 失效分析

對金屬編織套斷裂位置斷口進行了金相組織、硬度檢測等方面檢查，可以分析得出：

1）點火電纜金屬編織套在焊接與未焊接處斷裂，斷裂斷口無塑性變形，斷口上擴展棱形清晰，局部位置可見細密的疲勞條帶，因此點火電纜金屬編織套斷裂性質(zhì)為疲勞。

2）從金屬編織套上銅絲的組織檢查結(jié)果來看，銅絲存在結(jié)晶粒度不一的現(xiàn)象，其焊接部分結(jié)合面積也有所不同，銅絲組織的不均勻性和焊接質(zhì)量可能影響金屬編織套的疲勞抗力。

2.2 故障樹建立

為了找出可能導致點火電纜金屬編織套斷裂故障的原因，從發(fā)動機點火電纜金屬編織套的質(zhì)量情況、受應(yīng)力等方面進行了梳理，并建立故障樹[3-4]，最終確定7個底事件，如圖3所示。

圖3 點火電纜金屬編織套斷裂故障樹

2.3 焊接缺陷

電纜保護套焊接和金屬軟管焊接均為手工火焰釬焊，針對焊接缺陷底事件，從人、機、料、法、環(huán)五個方面進行排查[5]。

1）人員方面。該批金屬軟管、電纜保護套的焊接人員具備焊接資質(zhì)，未發(fā)生變化，該因素可以排除。

2）設(shè)備方面。該批金屬軟管、電纜保護套的焊接使用的設(shè)備為H01-2型火焰釬焊焊槍，未發(fā)生變化，設(shè)備經(jīng)檢定合格且在有效期內(nèi)，該因素可以排除。

3）材料方面。該批金屬軟管、電纜保護套的焊接使用釬料為HL312，經(jīng)復查合格，該因素可以排除。

4）方法方面。通過復查工藝規(guī)程、隨件單及實物對焊接方法進行驗證，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：a.金屬軟管設(shè)計圖樣要求焊接有效長度為13 mm，實際有效長度約為30～40 mm，釬焊設(shè)計圖樣要求僅在接頭與金屬軟管連接處進行焊接，零件實際加工后焊縫長度為28～38 mm（故障件為30 mm）；b. 工藝規(guī)程規(guī)定加工過程中火焰釬焊焊槍需加熱軟管至600 ℃進行焊接，由于火焰釬焊焊槍無法定量控制溫度，實際焊接時由工人目視觀察釬料的熔化狀態(tài)進行焊接。該因素不可以排除。

5）環(huán)境方面。對該批次金屬軟管、金屬保護套焊接的環(huán)境和條件進行調(diào)查，火焰釬焊工序在同一廠房焊接間進行，按焊接溫度、濕度要求實施控制，未發(fā)生變化，該因素可以排除。

2.4 金屬軟管不合格

金屬軟管原材料為航空發(fā)動機用屏蔽軟管材料，執(zhí)行Q/HYAP13-91標準，針對航空發(fā)動機用屏蔽軟管不合格，從原材料、產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品出廠試驗等方面進行排查。其中，通過對相關(guān)原始資料復查，可以排除原材料不合格和產(chǎn)品尺寸不合格兩個因素。而在檢查產(chǎn)品出廠試驗時發(fā)現(xiàn)存在問題：按照材料標準Q/HYAP13-91要求，航空發(fā)動機用屏蔽軟管出廠前應(yīng)進行氣密性試驗和彎曲性能試驗，廠家提供的報告僅記錄氣密性試驗，無彎曲性能試驗記錄。產(chǎn)品彎曲性能試驗不合格會導致在使用過程中出現(xiàn)金屬編織套破損的現(xiàn)象，該因素不可排除。

2.5 金屬軟管受應(yīng)力過大

2.5.1 安裝應(yīng)力過大

點火電纜在發(fā)動機上的安裝情況如圖2所示，為懸臂結(jié)構(gòu)，且存在180°折彎，點火電纜安裝后應(yīng)力集中主要在折彎處及焊合與非焊的交界處。經(jīng)設(shè)計復查，該點火電纜在外場使用過程中出現(xiàn)過干涉現(xiàn)象，其長度由原來的430 mm縮短為370 mm，金屬軟管縮短使得點火電纜安裝應(yīng)力更為集中，可能會在焊合與非焊的交界處出現(xiàn)應(yīng)力過大[6]的情況。

裝配工藝文件中未明確規(guī)定點火電纜安裝時先安裝點火電嘴端還是點火器端，若先將點火器端安裝固定，在安裝點火電嘴一端時，由于這一端存在一段彎管，為保證點火電嘴安裝角度合適，可能會將點火電纜進行扭轉(zhuǎn)，這就使得點火電纜存在一定的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，導致在焊合與非焊的交界處出現(xiàn)應(yīng)力過大的情況。

2.5.2 振動應(yīng)力過大

1）發(fā)動機振動異常。該發(fā)動機在整個長試過程中按要求對燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子、自由渦輪轉(zhuǎn)子的振動進行全程動態(tài)跟蹤監(jiān)控。發(fā)動機在穩(wěn)定狀態(tài)下運轉(zhuǎn)及加、減速變換功率狀態(tài)過程中均未出現(xiàn)異常振動或振動值突變現(xiàn)象。即使在測功器出現(xiàn)負載波動的期間，重點關(guān)注了發(fā)動機自由渦輪振動水平，振動水平很低，未見異常。該因素可排除。

2）發(fā)動機工作過程中點火電纜發(fā)生共振。對點火電纜自由狀態(tài)下的振動頻率進行測量，一階振動頻率約為39 Hz，在發(fā)動機工作過程中發(fā)生共振的可能性較小，該因素可排除。

3）懸臂結(jié)構(gòu)增加斷裂位置的振動應(yīng)力。點火電纜金屬編織套在焊接和未焊接的交界處出現(xiàn)疲勞斷裂，斷口起源于銅絲表面，呈現(xiàn)兩側(cè)對稱疲勞起源擴展，源區(qū)無冶金缺陷。從右側(cè)點火電纜在發(fā)動機上的安裝方式看，點火電纜兩端分別連接點火器和點火電嘴，中間很長一段懸空，點火電纜為金屬件，有一定的質(zhì)量，這種懸臂結(jié)構(gòu)在隨發(fā)動機工作的情況下，自重會導致在兩頭固定處出現(xiàn)較大的振動應(yīng)力。此外，金屬編織套在固定處的具體斷裂位置上，正好處于焊合和未焊的交界處，此位置對于通過焊接將金屬編織套固定在不銹鋼波紋管上的結(jié)構(gòu)來說，是金屬編織套自由和約束狀態(tài)的分界點，即金屬編織套的承力點，因此點火電纜金屬編織套的疲勞斷裂應(yīng)與點火電纜懸臂結(jié)構(gòu)帶來的振動有關(guān)。該因素不可排除。

3 故障結(jié)論

上述7個底事件排查結(jié)果見表1。通過故障分析可知，該發(fā)動機點火電纜金屬編織套斷裂的主要原因為：1）在焊接與非焊接的交界處存在較大應(yīng)力集中；2）焊接長度過長，同時焊接溫度、位置、時間等因素無法定量控制導致金屬軟管焊接質(zhì)量差，降低了金屬編織套的抗疲勞能力；3）在外部振動條件下產(chǎn)生疲勞斷裂。

4 故障措施

4.1 近期措施

1）適當增加金屬軟管長度；2）加強對金屬軟管材料質(zhì)量管控，材料入廠時對尺寸、出廠性能等試驗項目進行復驗；3）控制金屬軟管焊接長度，通過工藝試驗調(diào)整焊接工藝參數(shù)，保證在合適長度內(nèi)進行焊接作業(yè)；4）細化焊接工藝，納入釬焊操作指導書，進行工藝試驗，規(guī)定火焰位置、零件受熱位置、乙炔流量、零件受熱時間等參數(shù)；5）細化點火電纜裝配工藝，安裝點火電纜時，先安裝點火電嘴端，后安裝點火器端，減少點火電纜安裝時的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

表1 故障原因確認表

4.2 后期措施

1）研究點火電纜增加安裝固定支架的可行性；2）開展點火電纜改進設(shè)計工作，主要改進措施為采用金屬編織套為不銹鋼材料的金屬軟管，采用氬弧焊焊接。