航空發(fā)動機(jī)滑油箱支架斷裂失效分析

喬 志，劉博志，韓振宇，蘭海強(qiáng)

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

滑油系統(tǒng)是航空發(fā)動機(jī)的重要組成部分，其功用是提供發(fā)動機(jī)滑油，降低發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件之間的摩擦與磨損，并減少高溫零部件傳遞到滑油的熱量，確保發(fā)動機(jī)內(nèi)部潤滑條件與環(huán)境，凈化由于磨損而產(chǎn)生的微粒[1]。支架作為航空發(fā)動機(jī)的重要零部件，主要起到支撐、承力、定位以及減振等作用，支架結(jié)構(gòu)形式多樣，受力因素復(fù)雜，在使用過程中經(jīng)常發(fā)生故障。其故障的失效模式及影響因素也是復(fù)雜多樣的。Thil?likkani S 等[2]利用線彈性有限元分析、斷口分析、化學(xué)成分分析以及硬度測試等方法對空客懸架的吊耳支架失效模式進(jìn)了研究，表明支架變截面和振動是導(dǎo)致疲勞的主要原因，在支架截面引入加強(qiáng)筋可大大提高支架的疲勞壽命；Vandersluis 等[3]采用宏觀和微觀斷口分析、化學(xué)分析、光學(xué)顯微鏡觀察和硬度測試對斷裂監(jiān)護(hù)支架失效原因進(jìn)行了研究，表明支架的失效歸因于支架臂長期承受的低應(yīng)力幅以及單向動態(tài)彎曲高周疲勞。失效原因包括：（1）線切割產(chǎn)生大量夾雜物、鋸齒狀邊緣和熱影響區(qū)；（2）構(gòu)件幾何形狀設(shè)計(jì)不佳，導(dǎo)致破壞位置應(yīng)力集中；（3）材料強(qiáng)度裕度不足。劉天文等[4]利用有限元方法對燃油總管支架進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算分析，表明燃油總管系有多階固有頻率落在發(fā)動機(jī)共振頻率范圍內(nèi)，嚴(yán)重不滿足設(shè)計(jì)要求，存在極大的共振可能性，其提出增加燃油總管支架剛度和支架數(shù)量的改進(jìn)建議，將燃油總管的最低共振頻率調(diào)在發(fā)動機(jī)共振頻率范圍之外，支架高周疲勞故障得以排除；佟文偉等[5-6]通過斷口分析、表面微觀檢查、截面金相檢查以及材質(zhì)分析等方法對散熱器支架進(jìn)行了失效分析，表明支架尖銳棱角和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足造成了應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致支架過早發(fā)生疲勞斷裂，振動載荷也加速了支架疲勞斷裂故障的發(fā)生。

滑油箱通過箍帶及支架固定在發(fā)動機(jī)機(jī)匣上，支架一旦發(fā)生破壞故障，將有可能造成滑油箱脫落，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其質(zhì)量在很大程度上決定了發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全[5]。某發(fā)動機(jī)在試車過程中，滑油箱支架多次發(fā)生斷裂，極大影響了發(fā)動機(jī)的試車安全以及研制進(jìn)度?；拖渲Ъ懿捎脙?yōu)質(zhì)TC4鈦合金鍛造而成，工藝流程主要為：毛料鍛件→機(jī)械加工→線切割→化學(xué)法去重熔層→熒光檢查等。

本文通過外觀檢查、斷口分析、磨損痕跡對比分析、材質(zhì)分析等手段對故障前支架的斷裂原因進(jìn)行了深入分析，并采用ANSYS 軟件計(jì)算支架應(yīng)力應(yīng)變分布情況，找出了導(dǎo)致支架發(fā)生斷裂故障的主要原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 失效分析與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

支架局部裝配如圖1 所示?；拖渫ㄟ^箍帶固定在發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣上方，箍帶通過螺栓和小軸與支架連接，并通過螺栓施加擰緊力矩。斷裂支架局部宏觀圖像如圖2 所示。斷裂部位位于支架一側(cè)吊耳根部區(qū)域（圖中紅色圓圈及箭頭所指處）。

圖1 支架局部裝配

圖2 斷裂支架局部宏觀圖像

1.2 斷口分析

故障支架吊耳斷口的宏觀形貌如圖3 所示。從圖中可見，斷口表面呈灰白色，有明顯的疲勞弧線及放射棱線特征，表明支架吊耳斷口性質(zhì)為疲勞。根據(jù)疲勞弧線及放射棱線的方向判斷，疲勞起源于吊耳內(nèi)弧表面（圖中紅色圓圈所示），距離吊耳內(nèi)側(cè)棱角約為1.6 mm。該斷口主要分為3 個區(qū)域：疲勞擴(kuò)展區(qū)、快速擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)[6]，斷口擴(kuò)展較為充分，擴(kuò)展區(qū)面積約占整個斷口的80%。

圖3 斷口宏觀圖像

在掃描電鏡中觀察，斷口疲勞源區(qū)放大形貌如圖4 所示。根據(jù)疲勞弧線及放射棱線的方向判斷，疲勞起源于吊耳內(nèi)弧表面，位置為圖4（a）中箭頭所指處，呈單源特征，源區(qū)未見明顯的冶金缺陷。斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)可見清晰、細(xì)密的疲勞條帶形貌（如圖5 所示），條帶間距約為0.3～0.4 μm，進(jìn)一步表明該支架吊耳斷口為高周疲勞斷口[7]。瞬斷區(qū)為典型的韌窩形貌（如圖6所示）。

圖4 疲勞源區(qū)放大形貌

圖5 擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶形貌

圖6 瞬斷區(qū)微觀形貌

1.3 源區(qū)附近表面檢查

對支架吊耳斷口疲勞源區(qū)附近側(cè)表面放大觀察，形貌如圖7 所示。未見明顯的機(jī)械加工痕跡。

圖7 源區(qū)附近側(cè)表面形貌

1.4 磨損痕跡對比檢查

對支架內(nèi)弧表面進(jìn)行觀察，可見明顯的摩損痕跡，形貌如圖8 所示。其中未斷裂吊耳內(nèi)弧表面磨損痕跡相對較為均勻，偏摩斷裂吊耳存在偏摩現(xiàn)象，磨損區(qū)域靠近內(nèi)側(cè)。

圖8 支架吊耳內(nèi)弧磨損痕跡

在小軸螺栓孔內(nèi)壁表面與螺栓外表面同樣存在明顯的偏摩痕跡，偏摩位置位于圖2（a）圓圈處，磨損痕跡如圖9 所示。通過對上述部位表面磨損痕跡的檢查與分析結(jié)果可知，支架與小軸、小軸與螺栓之間配合面均存在偏摩現(xiàn)象，說明支架2 個吊耳在工作過程中受力不均[8]。

圖9 小軸與螺栓配合處磨損痕跡

1.5 成分分析

對故障支架基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。

表1 基體能譜分析結(jié)果 wt/%

1.6 組織檢查

在故障支架基體取樣進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果如圖10 所示。故障支架基體主要為α+β 雙態(tài)組織，未見明顯異常[10]。

圖10 故障支架基體組織形貌

1.7 重熔層檢查

故障支架吊耳源區(qū)附近表面為線切割加工面，為分析線切割重熔層微裂紋對本次故障的影響[11-12]，對故障支架進(jìn)行解剖取樣，磨拋腐蝕后的放大形貌如圖11 所示。未見明顯的重熔層形貌。

圖11 支架截面組織形貌

1.8 強(qiáng)度分析

為確定支架是否滿足靜強(qiáng)度要求，對支架進(jìn)行強(qiáng)度分析[13]。根據(jù)有限元分析結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場裝配實(shí)測數(shù)據(jù)換算出與施加的擰緊力矩對應(yīng)的預(yù)緊力，在預(yù)緊力載荷下支架變形、應(yīng)力分布分別如圖12、13 所示，強(qiáng)度儲備見表2。從圖、表中可見，滑油箱支架滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，但支架2 吊耳變形差（0.642 mm）較大，表明支架在工作過程中存在偏載；在支架螺栓處施加一定載荷后，計(jì)算出支架2 個吊耳載荷的分配比例為

圖12 支架變形分布

圖13 支架應(yīng)力分布

表2 強(qiáng)度分析結(jié)果

2 分析與討論

通過斷口分析結(jié)果可知：該故障支架為疲勞斷裂失效；疲勞起源于吊耳內(nèi)弧表面，疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷，疲勞擴(kuò)展較為充分，擴(kuò)展區(qū)可見清晰、細(xì)密的疲勞條帶形貌，說明故障支架斷口為高周疲勞斷口；支架吊耳斷口疲勞源區(qū)附近側(cè)表面未見明顯的機(jī)械加工痕跡，表明支架的疲勞斷裂與機(jī)械加工無直接關(guān)系。

通過材質(zhì)分析結(jié)果可知：支架基體成分符合技術(shù)要求，基體組織為α+β雙態(tài)組織，未見明顯異常，表明支架斷裂與冶金缺陷和材質(zhì)無關(guān)[14]。故障支架吊耳采用線切割加工，而線切割重熔層往往存在微裂紋，會大大降低工件的疲勞性能[15]，由于故障支架在線切割后采用了酸洗去重熔層工序，對支架截面進(jìn)行重熔層檢查，未見明顯的重熔層形貌，排除了鈦合金重熔層微裂紋對本次故障的影響。

通過對支架吊耳、小軸以及螺栓3 個部位表面磨損痕跡的檢查與分析結(jié)果可知：支架與小軸、小軸與螺栓之間配合面均存在偏摩現(xiàn)象。有限元結(jié)果表明，支架2 吊耳變形差（0.642 mm）較大，2 個吊耳載荷的存在分配比（2.65∶1），進(jìn)一步證明支架2 個吊耳受力不均，存在偏載，使故障支架出現(xiàn)偏斜，通過應(yīng)力云圖可以確定最大受力點(diǎn)在本次故障發(fā)生位置。

綜上所述，故障支架存在懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)對螺栓施加擰緊力矩時，支架的懸臂結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生明顯的變形不協(xié)調(diào)，使支架的2 個吊耳出現(xiàn)偏載，從而使斷裂側(cè)的吊耳局部受力，支架的受力不均勻?qū)е轮Ъ芫植繎?yīng)力集中[16]。此外，在發(fā)動機(jī)試車時，支架承受了較大的振動應(yīng)力，在裝配應(yīng)力和振動應(yīng)力綜合作用下，在支架應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生了裂紋，疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致最終斷裂[17]。

3 改進(jìn)建議

根據(jù)故障原因分析，解決故障方法應(yīng)為降低振動應(yīng)力/靜應(yīng)力、消除偏載問題。綜合考慮各種方法可行性，提出了以下改進(jìn)建議：

（1）合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，將支架結(jié)構(gòu)改為跨安裝邊的橋型結(jié)構(gòu)，取消懸臂結(jié)構(gòu)以盡量消除變形不協(xié)調(diào)引起的偏載，從而解決支架原結(jié)構(gòu)2 個吊耳載荷分配不均勻的問題；

（2）降低擰緊力矩，從而減小裝配應(yīng)力；落實(shí)排故措施的改進(jìn)結(jié)構(gòu)隨發(fā)動機(jī)長試通過了考核驗(yàn)證，故檢檢查支架狀態(tài)良好，未再發(fā)生故障，證明了排故措施有效。

4 結(jié)論

（1）發(fā)動機(jī)滑油箱支架斷口為起源于吊耳內(nèi)弧表面的高周疲勞斷口。

（2）故障支架存在懸臂結(jié)構(gòu)，受力時2 個吊耳變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)偏載，使得支架局部應(yīng)力集中，是導(dǎo)致過早萌生疲勞裂紋的主要原因。

（3）支架受到的振動載荷對疲勞裂紋的萌生起到了促進(jìn)作用。

（4）合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，解決偏載問題，降低擰緊力矩，可有效避免類似故障再次發(fā)生。