某型發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索斷絲故障分析與預(yù)防

■ 王金利/四達(dá)機(jī)械制造公司

1 故障描述

在對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)普查中發(fā)現(xiàn)，19號(hào)機(jī)右發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索斷絲1根。當(dāng)年統(tǒng)計(jì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索斷絲故障外場(chǎng)共發(fā)生6起，主要集中在油門鋼索與導(dǎo)向滑輪接觸部位。

2 鋼索組成及工作原理

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)由主動(dòng)滑輪搖臂、傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)、停車聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、油門拉桿、停車?yán)瓧U等組成。該操縱系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、變換工作狀態(tài)以及操縱發(fā)動(dòng)機(jī)停車。工作中可由飛機(jī)座艙內(nèi)的“油門操縱”手柄，通過(guò)飛機(jī)上的操縱系統(tǒng)、主動(dòng)滑輪搖臂將轉(zhuǎn)矩傳至主動(dòng)滑輪，再經(jīng)過(guò)鋼索系統(tǒng)將扭矩傳至凸輪撥叉組件上的從動(dòng)滑輪，滑輪通過(guò)油門拉桿、凸輪撥叉組件、拉桿組件、停車?yán)瓧U等實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油泵調(diào)節(jié)器“油門”搖臂、“停車”搖臂的協(xié)調(diào)同步聯(lián)動(dòng)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)

2.2 傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)

傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)滑輪到凸輪撥叉組件上的滑輪形成一個(gè)封閉的“回路”，由主動(dòng)滑輪、4個(gè)導(dǎo)向滑輪組件、凸輪撥叉組件上的滑輪、鋼索等組成[1，2]，如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)

3 故障定位

3.1 故障模式

鋼索故障模式有磨損、材料缺陷、意外損傷、銹蝕等。其中，磨損包括磨粒磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損和切削磨損；材料缺陷包括鋼絲繩自身缺陷和鋼絲繩捻制不均勻；意外損傷包括制造安裝過(guò)程受損和使用維護(hù)不當(dāng)；銹蝕包括使用環(huán)境自然銹蝕和腐蝕液體腐蝕銹蝕。

3.2 故障件檢查

選取該發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索故障件（見(jiàn)圖3），開展理化分析確認(rèn)故障原因。

圖3 鋼索外觀及斷絲位置

1）宏觀檢查

在體視鏡下觀察鋼索斷絲位置，鋼絲斷口平齊，斷面基本垂直于鋼絲圓柱表面，無(wú)明顯縮頸變形。斷絲處鋼絲外側(cè)有明顯擠壓磨損痕跡，附近未斷絲鋼絲也可見(jiàn)擠壓磨損痕跡（見(jiàn)圖4）。藍(lán)圈為斷絲位置，箭頭所指為擠壓磨損痕跡。

圖4 斷絲位置及磨損外觀

在掃描電鏡下放大觀察鋼絲斷絲位置，斷絲位置形貌均類似，斷面基本位于擠壓磨損區(qū)域的中部，擠壓磨損區(qū)域表面有磨痕，擠壓為主要因素，且圓柱表面局部已變平（見(jiàn)圖5），箭頭所示為磨痕。

圖5 斷絲位置及磨損放大

2）能譜分析

對(duì)擠壓磨損區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行能譜分析，擠壓磨損區(qū)域除鋼絲主要元素Fe和C外，含有較多Ti元素。后續(xù)斷面能譜分析和金相制樣的高倍能譜分析均無(wú)Ti元素，因此Ti元素為擠壓磨損附著物。分析認(rèn)為，鋼絲表面損傷與其和鈦合金組件擠壓磨損有關(guān)。正常未磨損表面區(qū)域分析可見(jiàn)鋼絲表面為鍍鋅層。擠壓磨損區(qū)域和正常未磨損表面區(qū)域能譜分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 擠壓磨損區(qū)域和正常區(qū)域能譜分析

3）斷口分析

對(duì)斷口進(jìn)行清洗，在掃描電鏡下觀察斷口形貌，可見(jiàn)斷面磨損嚴(yán)重，如圖6所示。

從圖6可以看出，斷絲起源于箭頭所示位置（源區(qū)部分被磨損，根據(jù)擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)可判斷源區(qū)方向），該處位于鋼絲表面磨損位置的徑向正對(duì)面。斷面可見(jiàn)明顯的源區(qū)（纖維區(qū)）、擴(kuò)展區(qū)（放射區(qū)）和瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)面積約占斷面面積的25%。斷絲源區(qū)較平坦，邊緣有部分被磨損，未見(jiàn)其他冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)為解理斷絲特征，瞬斷區(qū)為撕裂韌窩形貌[3]，如圖7至圖9所示。

圖6 斷口形貌

圖7 斷絲源區(qū)形貌

圖9 斷絲瞬斷區(qū)撕裂韌窩形貌

4）金相分析

截取縱向試樣對(duì)鋼絲進(jìn)行金相組織檢查，鋼絲材料組織均勻，未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，鍍層較均勻覆蓋鋼絲表面（4μm），鍍層表面均勻覆蓋腐蝕層（3μm），如圖10至圖11所示。

圖8 斷絲擴(kuò)展區(qū)形貌

圖10 鋼絲高倍形貌（拋光）

圖11 鋼絲高倍組織（腐蝕態(tài)）

5）試驗(yàn)結(jié)果分析

從鋼絲的宏觀和微觀形貌可見(jiàn)，鋼絲斷裂處除擠壓變形外，無(wú)明顯縮頸變形，且斷口平齊，擴(kuò)展充分，與人工拉伸斷口縮頸明顯的特征相比，分析認(rèn)為鋼絲斷裂是在正常應(yīng)力水平下起源和擴(kuò)展的。

從斷裂位置分析，斷裂源位于鋼絲擠壓磨損的中間部位的徑向正對(duì)面，說(shuō)明擠壓磨損在鋼絲外表面形成的應(yīng)力導(dǎo)致鋼絲局部變形過(guò)度，且由于磨損后鋼絲材料表面鍍層和基體均受到損傷，降低了鋼絲的強(qiáng)度，所以在擠壓磨損的正對(duì)面產(chǎn)生微裂紋成為斷裂的起源。能譜分析顯示鋼絲擠壓磨損表面有大量的Ti元素，說(shuō)明鋼絲表面損傷與其和鈦合金組件的相互擠壓磨損有關(guān)[4，5]。

6）失效分析結(jié)論

鋼絲表面受到擠壓磨損后，局部變形過(guò)大而產(chǎn)生微裂紋起源，在正常工作應(yīng)力作用下緩慢擴(kuò)展產(chǎn)生應(yīng)力斷裂；鋼絲斷裂與其表面受到鈦合金組件擠壓磨損有關(guān)。

3.3 故障定位

根據(jù)故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)及該發(fā)動(dòng)機(jī)故障件檢查結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索故障模式主要為疲勞磨損，表現(xiàn)形式為斷絲，多發(fā)生在鋼索與滑輪接觸部位。

4 故障原因分析

4.1 環(huán)境因素

根據(jù)鋼索理化分析結(jié)論，鋼索附近存在的沙粒、金屬屑等硬質(zhì)異物使鋼索受到不同程度的磨損，在鋼索局部表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)降低了鋼索的疲勞性能，對(duì)鋼索斷絲的影響較大。

4.2 鋼索個(gè)體差異

鋼索結(jié)構(gòu)為7根絲擰為1股，再由7股擰為1根鋼索，截面如圖12所示。鋼索絲材為碳素鋼，表面鍍鋅。由于油門鋼索為連續(xù)生產(chǎn)，僅能在首尾對(duì)原料鋼絲、半成品繩股和成品油門鋼索進(jìn)行力學(xué)和化學(xué)檢驗(yàn)，材質(zhì)及捻制時(shí)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致油門鋼索在使用中出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的疲勞斷絲。

圖12 鋼索截面示意圖

4.3 使用頻次

該型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于某型飛機(jī)上，經(jīng)常使用的N2轉(zhuǎn)速范圍為79%～86%，此轉(zhuǎn)速范圍恰好能使飛機(jī)達(dá)到常用的平飛速度進(jìn)行投彈、降落等，但此轉(zhuǎn)速范圍正處于放氣活門關(guān)閉轉(zhuǎn)速到流量調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器交接的轉(zhuǎn)速范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)不具有穩(wěn)定性，飛行員需要時(shí)刻調(diào)整油門桿來(lái)保證相應(yīng)轉(zhuǎn)速。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，日常使用中每飛行小時(shí)油門鋼索操作約50次，密集編隊(duì)時(shí)每飛行小時(shí)油門鋼索操作約900次。由于外場(chǎng)頻繁調(diào)整油門，油門鋼索與鈦合金滑輪之間反復(fù)摩擦，導(dǎo)致油門鋼索疲勞磨損，在擠壓力作用下產(chǎn)生裂紋后擴(kuò)展為斷絲。

5 措施制定

5.1 廠內(nèi)控制措施

1）基于該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用特點(diǎn)和故障原因，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索可靠性，制造廠和修理廠對(duì)原鋼索修理標(biāo)準(zhǔn)（目視檢查應(yīng)無(wú)斷絲、銹蝕、磨損；檢查合格后裝機(jī)使用，與生產(chǎn)廠家大修手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致）進(jìn)行修訂，在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)對(duì)油門鋼索換新。

2）由制造廠和修理廠結(jié)合外場(chǎng)故障處理和巡檢巡修時(shí)機(jī)，對(duì)斷絲鋼索材質(zhì)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3）對(duì)于前期大修時(shí)未更換油門鋼索但已交付的發(fā)動(dòng)機(jī)，由制造廠和修理廠前往部隊(duì)對(duì)油門鋼索進(jìn)行更換。

5.2 日常性維護(hù)措施

1）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索與滑輪接觸部位進(jìn)行檢查時(shí)，可用抹布握住鋼索輕輕來(lái)回捋動(dòng)。當(dāng)感覺(jué)到抹布有被掛住現(xiàn)象時(shí)，可借助電筒和反光鏡進(jìn)行檢查。輕微轉(zhuǎn)動(dòng)鋼索，以便檢查到鋼索背面，確認(rèn)是否存在斷絲。如果鋼索出現(xiàn)斷絲，則進(jìn)行更換。

2）采用以綢布擦拭油門鋼索及滑輪的方式進(jìn)行清潔，嚴(yán)禁用汽油、煤油、酒精等清潔油門鋼索及滑輪。清潔干凈后，由兩人配合對(duì)鋼索涂抹薄薄一層滑油（太多油脂會(huì)吸附大量灰塵、雜質(zhì)、水分，導(dǎo)致鋼索磨損、腐蝕），由一人在前艙反復(fù)推拉油門手柄，避免鋼索與滑輪接觸段潤(rùn)滑不到位。

3）發(fā)現(xiàn)鋼索銹蝕要用不帶留纖維的布?jí)K浸蘸YH-15液壓油進(jìn)行擦拭。如果無(wú)法擦除銹跡，應(yīng)更換鋼索。

5.3 周期性維護(hù)措施

增加飛機(jī)（100±20）h周期工作，對(duì)油門鋼索進(jìn)行檢查。檢查鋼索的張力值，應(yīng)符合鋼索張力與環(huán)境溫度關(guān)系曲線要求。如果鋼索出現(xiàn)斷絲，應(yīng)進(jìn)行更換。