某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)高空修正器膜盒組件故障分析

王 豪，何志良，徐 輝

（1.海裝駐長沙地區(qū)軍事代表室,湖南 長沙，410000;2.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室,江西 南昌，330024）

2021 年6 月，某部隊(duì)在訓(xùn)練時(shí)發(fā)生一起發(fā)動機(jī)空中停車飛行事故征候?，F(xiàn)場檢查確認(rèn)發(fā)動機(jī)空中停車的原因是燃油調(diào)節(jié)器內(nèi)部故障，導(dǎo)致貧油停車。經(jīng)返廠檢查，燃油調(diào)節(jié)器故障原因是高空修正器組件中的膜盒組件失效、膨脹變長，使流量擺活門開度增大，燃油泵回油量變大，燃油調(diào)節(jié)器計(jì)量油針前后壓差減小，供油量變小，最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)貧油停車。

1 產(chǎn)品簡述

膜盒組件（以下簡稱膜盒）裝在與某型發(fā)動機(jī)配套的燃油調(diào)節(jié)器上,通過感受進(jìn)氣道總壓輸出力與位移修正燃油調(diào)節(jié)器油針壓差，起到改變供油量作用。

膜盒屬于焊接膜盒串結(jié)構(gòu)的真空敏感元件，由10 個(gè)零件組成共9 道焊縫，全部零件均采用真空電子束焊接設(shè)備焊接。焊接時(shí)，先將底座與外膜片焊接，然后進(jìn)行時(shí)效處理，再與內(nèi)膜片進(jìn)行外圓焊接，最后將中心桿焊接，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 膜盒組件結(jié)構(gòu)圖

2 故障初步檢查

2.1 外觀檢查

檢查合格證，核對膜盒編號，文實(shí)相符。對膜盒進(jìn)行體視鏡檢查，外觀良好。

2.2 性能復(fù)測

按照產(chǎn)品規(guī)范要求對膜盒長度測量。在750mmHg時(shí)，膜盒長度為30.83mm，超出規(guī)范要求mm)。

對膜盒進(jìn)行0℃～95℃溫度位移測試，實(shí)測結(jié)果為大于0.8mm（已超量程無測量值），超出規(guī)范要求（≤0.08mm）。

對膜盒進(jìn)行壓力—位移性能測試，總位移變小為1.835mm，超出規(guī)范要求（4.16mm±0.30mm）。

上述測試結(jié)果表明，膜盒內(nèi)腔已明顯進(jìn)入空氣，導(dǎo)致膜盒長度變長、溫度位移變大、壓力—位移特性超差，判定膜盒泄漏。

2.3 著色檢查

對膜盒進(jìn)行著色探傷檢查，在底座與外膜片焊接部位圓周方向產(chǎn)生約3mm 的紅色痕跡（無標(biāo)印面），見圖2，疑似膜盒泄漏部位，其他部位未見異常。

圖2 膜盒著色檢查

2.4 氣泡法氣密性檢查

在故障膜盒標(biāo)印面鉆孔并焊接導(dǎo)氣管，將故障膜盒置入航空汽油內(nèi)，通過接嘴毛細(xì)管向膜盒內(nèi)腔緩慢加氣壓，進(jìn)行泄漏檢查，發(fā)現(xiàn)膜盒無標(biāo)印面底座與外膜片焊縫部位有大量氣泡溢出，見圖3。膜盒其他部位未發(fā)現(xiàn)氣泡。確定故障膜盒泄漏部位為無標(biāo)印面底座與外膜片焊縫部位,即為膜盒著色檢查的疑似部位。

圖3 外膜片泄漏檢查圖

2.5 電鏡檢查分析

利用掃描電子顯微鏡，對故障膜盒泄漏部位進(jìn)行觀察，該部位有圓周方向裂紋長約14mm，約占整個(gè)焊縫周向長度的四分之一，見圖4（a）。將裂紋部位局部放大，可見裂紋已張開，見圖4（b）。裂紋部位無外來損傷。

圖4 膜盒電鏡圖

2.6 故障初步分析結(jié)論

經(jīng)過以上故障試驗(yàn)分析，在對泄漏部位進(jìn)行定性、定位分析的基礎(chǔ)上，判定膜盒在外場發(fā)生的泄漏故障為膜盒的外膜片與底座局部焊縫開裂引起。

3 膜盒泄漏故障樹分析

3.1 故障樹建立

針對膜盒泄漏故障可能原因，建立故障樹進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 膜盒組件泄漏故障樹

3.2 故障樹底事件排查分析

3.2.1 底事件X1（材料選用不滿足要求）排查

經(jīng)核查，從研制初期至今，膜盒中的外膜片、底座材料未發(fā)生設(shè)計(jì)變更，且這兩種材料均可在空氣中正常使用，廣泛應(yīng)用于類似產(chǎn)品中。在-55℃～+80℃環(huán)境下均能可靠使用，能夠滿足技術(shù)協(xié)議中規(guī)定的環(huán)境濕度95+3%、溫度為40℃±2℃的要求。

結(jié)論：可以排除底事件Xl（材料選用不滿足要求）對故障的影響。

3.2.2 底事件X2（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不滿足要求）排查

經(jīng)核查，該膜盒于20 世紀(jì)90 年代初參考俄制樣件研制，為測仿產(chǎn)品。經(jīng)對2 件俄制樣件、11 件不同批次的國產(chǎn)膜盒分別從產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝方法、焊縫形貌等五個(gè)方面進(jìn)行對比分析，形成結(jié)論如下：

1）國產(chǎn)膜盒與俄制樣件功能性能相當(dāng)。

2）國產(chǎn)膜盒與俄制樣件整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成相同，但實(shí)際形成的焊縫結(jié)構(gòu)具有較大差異，國產(chǎn)結(jié)構(gòu)不利于焊縫的良好成形。

3）對比故障膜盒與俄制樣件，膜片材料均為彈性合金，底座材料均為奧氏體不銹鋼。硬度、晶粒度對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 晶粒度硬度對比

對比以上數(shù)據(jù)可得，俄制樣件材料組織晶粒細(xì)、硬度高，綜合機(jī)械性能優(yōu)于國產(chǎn)膜盒材料。

4）對比焊接工藝，俄制樣件中膜片與膜片的連接方式為電阻縫焊，國產(chǎn)膜盒為電子束焊，其余焊縫均為電子束焊。分析認(rèn)為，電阻縫焊與電子束焊焊接方式不影響膜盒性能。

5）焊縫形貌對比：一是國產(chǎn)膜盒焊縫形貌不一致且不規(guī)則，說明零件尺寸的分散度以及焊接前的裝夾分散度都比較大；二是國產(chǎn)膜盒焊縫熔寬分布不一致，說明不同零件外膜片與底座焊縫焊接過程中熱輸入點(diǎn)分散度較大；三是底座凸臺殘余高度不一致，說明不同零件外膜片與底座焊接過程中熱輸入量分散度較大?？梢哉J(rèn)為國產(chǎn)膜盒零件加工、焊接裝夾分散度較大，熔焊過程不穩(wěn)定。與俄制樣件相比，底座焊接凸臺設(shè)計(jì)寬度僅為0.2mm，焊接時(shí)難以達(dá)到俄制樣件熔寬成形狀態(tài)，設(shè)計(jì)不夠合理。

結(jié)論：不能排除底事件X2（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不滿足要求）對故障的影響。

3.2.3 底事件X3（熱處理工藝缺陷）排查

在故障膜盒裂紋端切割取樣，進(jìn)行金相組織檢查，故障膜盒的膜片晶粒度、硬度，故障膜盒的底座晶粒度、硬度符合工藝要求，未見異常。

結(jié)論：可以排除底事件X3（熱處理工藝缺陷）對故障的影響。

3.2.4 底事件X4(焊接工藝缺陷）排查

針對故障膜盒進(jìn)行焊接工藝分析，分析焊縫是否存在工藝缺陷。經(jīng)外觀檢查確認(rèn)，焊縫成型良好，不存在焊偏、焊歪等現(xiàn)象。故障膜盒金相組織分析表明，膜盒標(biāo)印面和無標(biāo)印面焊接部位焊菇形狀、焊縫與底座過渡狀態(tài)等焊縫形態(tài)存在明顯差異，反映出焊接質(zhì)量存在一定的分散性。經(jīng)查，同批膜盒焊接合格率僅為71%，相較其他批次明顯偏低。

結(jié)論：通過對以上兩方面的分析，不能排除底事件X4（焊接工藝缺陷）對故障的影響。

3.2.5 底事件X5（外膜片材料缺陷）排查

針對故障膜盒所屬批次（“17-1”批）進(jìn)行核查，總計(jì)交付16 件膜盒。從流動卡、隨卡記錄等信息分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)核查，未發(fā)現(xiàn)異常，生產(chǎn)符合工藝要求。故障件產(chǎn)品所用外膜片（“17-1”批）原材料入廠復(fù)驗(yàn)記錄檢驗(yàn)合格，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，且無材料代用情況。

結(jié)論：可以排除底事件X5（外膜片材料缺陷）對故障的影響。

3.2.6 底事件X6（底座材料缺陷）排查

故障件產(chǎn)品所用底座（“檢外1611-11”批）原材料入廠復(fù)驗(yàn)記錄檢驗(yàn)合格，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，且無材料代用情況。

結(jié)論：可以排除底事件X6（底座材料缺陷）對故障的影響。

3.2.7 底事件X7（工作載荷異常）排查

經(jīng)排查，燃油調(diào)節(jié)器中的壓力工作載荷未見異常。

結(jié)論：可以排除底事件X7（工作載荷異常）對故障的影響。

3.3 故障定位

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致故障的主要原因。一方面底座與膜片搭接焊接處存在尖角，尖角結(jié)構(gòu)形式會產(chǎn)生高應(yīng)力集中；另一方面現(xiàn)有焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式易造成焊縫熔寬或熔深小的焊接成形不充分情況，結(jié)構(gòu)整體疲勞抗力低。焊縫尖角處應(yīng)力水平高，疲勞抗力不足，導(dǎo)致膜盒使用過程中產(chǎn)生疲勞裂紋。

2）焊接工藝不完善是導(dǎo)致故障的次要原因。膜盒零件加工、焊接裝夾公差大，電子束能量調(diào)控頻次不夠，不同批次膜盒焊縫中心分散于膜片與底座，一致性差。

3）檢測方法不完善是導(dǎo)致故障的相關(guān)原因。焊縫質(zhì)量判定方法標(biāo)準(zhǔn)未量化，沒有熔深、熔寬等焊接成形質(zhì)量檢驗(yàn)的相關(guān)具體要求，導(dǎo)致質(zhì)量檢驗(yàn)中不能有效檢出焊接成形異常的產(chǎn)品。

4 故障機(jī)理及原因

膜盒故障現(xiàn)象為：底座與外膜片焊縫部位出現(xiàn)穿透裂紋,導(dǎo)致膜盒泄漏、性能超差。

由于底座與外膜片部位搭接焊接處存在尖角，尖角結(jié)構(gòu)形式會產(chǎn)生高應(yīng)力集中；另一方面，現(xiàn)有焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式易造成焊縫熔寬或熔深小的焊接成形不充分情況，結(jié)構(gòu)整體疲勞抗力低。焊縫尖角處應(yīng)力水平高，疲勞抗力不足，導(dǎo)致膜盒使用過程中產(chǎn)生疲勞裂紋。

5 膜盒泄漏故障復(fù)現(xiàn)

為復(fù)現(xiàn)故障，抽取1 件工作時(shí)間為619h 的膜盒，按照GJB15O.16 條要求進(jìn)行振動試驗(yàn)，采用正弦振動試驗(yàn)方法，振動恒加速度值按10g 進(jìn)行控制，試驗(yàn)曲線選擇圖A1 中D 曲線,在進(jìn)行完第二個(gè)方向振動后，發(fā)現(xiàn)膜盒泄漏變長。將該膜盒取樣進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)膜盒開裂部位為底座與外膜片焊縫位置（見圖6），與此次膜盒泄漏故障開裂部位基本相同，故該故障進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。

圖6 膜盒開裂部位金相圖

6 糾正措施

此次膜盒泄漏故障為設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量問題，為提高后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量，參考俄制樣件對焊接接頭開展焊接接頭尺寸優(yōu)化，同時(shí)，加嚴(yán)公差和膜片配合尺寸，后續(xù)探索開展焊接接頭形式改進(jìn)為外膜片不沖孔的整體點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工藝方面，改進(jìn)工裝、增加焊接燈絲和焦點(diǎn)控制要求，增加焊縫焊后抽樣破壞檢測，保證焊縫的熔深（≥0.4mm）和熔寬（≥0.5mm）一致性，改進(jìn)焊接質(zhì)量和提高焊接工藝穩(wěn)定性。

改進(jìn)后的5 個(gè)膜盒組件隨發(fā)動機(jī)地面試車、高空試飛后，各項(xiàng)參數(shù)均正常，改進(jìn)措施有效。

7 舉一反三

針對此次故障，為消除潛在質(zhì)量安全隱患，膜盒承制廠開展了“發(fā)動機(jī)配套產(chǎn)品的舉一反三”工作，共梳理出88 項(xiàng)發(fā)動機(jī)配套彈性元件類產(chǎn)品，波紋管類產(chǎn)品59 項(xiàng)、膜盒類產(chǎn)品29 項(xiàng)。其中與故障膜盒焊接接頭類似的產(chǎn)品共18 項(xiàng)，從樣件測仿分析、焊接接頭設(shè)計(jì)、外廠故障發(fā)生情況、焊接工藝過程確認(rèn)、熔深檢測要求以及例行試驗(yàn)等方面對這些產(chǎn)品進(jìn)行了清查工作，有效保障了產(chǎn)品質(zhì)量。