航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛附吊掛機(jī)匣裂紋的產(chǎn)生原因

魏雪萊,鄭海亮,張成凱,王繼業(yè)

(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽(yáng) 110015)

風(fēng)扇是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，主要作用是提升來(lái)流壓力和溫度[1]。風(fēng)扇中的機(jī)匣具有固定靜子葉片、附件，以及構(gòu)成氣流通道和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力的重要作用，是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力框架。機(jī)匣多為尺寸精度較高的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停車、狀態(tài)變化或飛機(jī)飛行姿態(tài)變化時(shí)，機(jī)匣承受著循環(huán)載荷的作用。由于長(zhǎng)期工作在上述惡劣環(huán)境中，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全[2]。因此，如何確定裂紋產(chǎn)生的原因，并提出合理的改進(jìn)措施，一直都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

一些學(xué)者深入研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣裂紋產(chǎn)生的原因：吳宏春等[3]采用數(shù)值仿真和模態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)應(yīng)力測(cè)試等方法，分析了機(jī)匣殼體上環(huán)形支撐臺(tái)基體裂紋產(chǎn)生的原因，提出了增加加強(qiáng)筋和涂減振膠等解決措施；高志坤等[4]采用宏觀觀察和斷口分析等方法，判定了某型鑄件機(jī)匣基體裂紋的性質(zhì)，并提出了增強(qiáng)澆注液流動(dòng)性、排除冷隔缺陷和添加細(xì)化劑等改進(jìn)建議；張弛等[5]利用故障樹(shù)的方法對(duì)某型機(jī)匣支板裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究，并提出了修改傾角尺寸和增加重熔層控制等改進(jìn)措施；張博等[6]利用宏觀觀察、化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測(cè)試等方法確定了某發(fā)動(dòng)機(jī)殼體開(kāi)裂的主要原因。目前對(duì)于非整環(huán)類吊掛機(jī)匣裂紋產(chǎn)生原因的研究較少。某型發(fā)動(dòng)機(jī)飛附吊掛機(jī)匣基體產(chǎn)生了裂紋，筆者采用宏觀觀察、斷口分析、應(yīng)力分析和有限元模擬分析等方法，分析了裂紋產(chǎn)生的原因，并制定了相應(yīng)的解決措施，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該飛附吊掛機(jī)匣安裝在風(fēng)扇機(jī)匣下方，主體為扇段機(jī)匣形式，材料為鈦合金，固定在風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊和機(jī)匣的加強(qiáng)筋上。工廠完成試車后，順航向觀察，發(fā)現(xiàn)該飛附吊掛機(jī)匣左側(cè)、內(nèi)部轉(zhuǎn)角附近有裂紋，其他部位未見(jiàn)異常(見(jiàn)圖1)。

圖1 開(kāi)裂飛附吊掛機(jī)匣的宏觀形貌

圖2 斷口的宏觀形貌

1.2 斷口分析

斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見(jiàn)明顯的疲勞斷口特征，根據(jù)疲勞條帶的方向可判斷疲勞源區(qū)位于飛附吊掛機(jī)匣轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)，局部區(qū)域可見(jiàn)放射棱線。

用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行觀察，可見(jiàn)疲勞弧線和放射棱線匯聚于飛附吊掛機(jī)匣轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)，距端面約2 mm處，該處為疲勞源，呈線源特征，疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，裂紋起源部位與零件表面劃痕未重合(見(jiàn)圖3)。

圖3 斷口的SEM形貌

圖4 飛附吊掛機(jī)匣應(yīng)力分布的測(cè)試結(jié)果

1.3 應(yīng)力分析

飛附吊掛機(jī)匣所受的載荷是由側(cè)向與垂向機(jī)動(dòng)過(guò)載產(chǎn)生的慣性力，結(jié)合飛附吊掛機(jī)匣及安裝在其上的附件質(zhì)量，對(duì)整個(gè)飛附吊掛機(jī)匣的應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，可知飛附吊掛機(jī)匣的最大應(yīng)力位于吊耳與安裝板連接的螺栓孔處、非裂紋部位，且最大的應(yīng)力小于吊掛機(jī)匣的屈服強(qiáng)度。

選取周向的4個(gè)截面，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分別測(cè)量風(fēng)扇機(jī)匣與吊掛機(jī)匣安裝邊的軸向尺寸，發(fā)現(xiàn)在靠近切斷面區(qū)域，風(fēng)扇機(jī)匣與吊掛機(jī)匣的安裝邊配合有局部過(guò)盈情況。

為了排查飛附吊掛機(jī)匣在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)應(yīng)力情況，對(duì)裂紋部位進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋部位的動(dòng)應(yīng)力水平較低(見(jiàn)表1)。

表1 裂紋部位的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

2 有限元模擬分析

安裝飛附吊掛機(jī)匣時(shí)，在吊耳處產(chǎn)生了附加載荷，從而在飛附吊掛機(jī)匣上產(chǎn)生應(yīng)力。針對(duì)這一情況，建立了飛附吊掛機(jī)匣的有限元模型(見(jiàn)圖5)，約束飛附吊掛機(jī)匣與風(fēng)扇機(jī)匣連接螺栓孔位移，在吊耳處施加載荷。為分析不同方向載荷的影響，施加各方向載荷，并測(cè)量不同方向載荷下裂紋部位的應(yīng)力，可知在吊耳處施加載荷，裂紋部位基本無(wú)應(yīng)力。裝配過(guò)程中，飛附吊掛機(jī)匣與風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊配合尺寸發(fā)生局部干涉，配合部位不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致裝配螺栓時(shí)，飛附吊掛機(jī)匣上產(chǎn)生了應(yīng)力。

圖5 飛附吊掛機(jī)匣的有限元模型示意

在飛附吊掛機(jī)匣裂紋側(cè)取樣進(jìn)行有限元模擬分析，約束長(zhǎng)邊螺栓孔以及短邊靠近中部螺栓孔位移，在短邊最外側(cè)螺栓孔處施加0.1 mm的強(qiáng)制位移，位移方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)軸向，飛附吊掛機(jī)匣的有限元分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：裂紋附近的應(yīng)力為59.8 MPa，且應(yīng)力與強(qiáng)制位移呈線性關(guān)系，即在裝配過(guò)程中，產(chǎn)生的強(qiáng)制位移越大，應(yīng)力越大。

圖6 飛附吊掛機(jī)匣的有限元分析結(jié)果

3 綜合分析

根據(jù)斷口分析結(jié)果，飛附吊掛機(jī)匣的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞起源于轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)表面，且與表面劃痕未重合，疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯冶金缺陷。該飛附吊掛機(jī)匣的材料選擇、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備和生產(chǎn)過(guò)程均無(wú)異常。零件在整環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行尺寸加工和測(cè)量，切割后切斷面附近會(huì)發(fā)生變形。安裝前未對(duì)配合尺寸進(jìn)行測(cè)量、選配，使得吊掛機(jī)匣裝入風(fēng)扇機(jī)匣的過(guò)程中發(fā)生局部干涉，相對(duì)位置不易調(diào)整，定位銷孔不易對(duì)準(zhǔn)，裝配銷釘時(shí)需用較大外力將銷釘砸入，導(dǎo)致吊掛機(jī)匣的安裝邊發(fā)生較大的強(qiáng)制位移。

吊掛機(jī)匣為扇段結(jié)構(gòu)，零件尺寸均是在整環(huán)狀態(tài)下加工到位并進(jìn)行測(cè)量與檢驗(yàn)的。環(huán)形零件切割、切斷后，零件整體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，隨著零件應(yīng)力釋放，切斷面附近會(huì)發(fā)生變形。裝配前未對(duì)吊掛機(jī)匣的尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)及選配，導(dǎo)致與風(fēng)扇機(jī)匣裝配過(guò)程中干涉。

4 結(jié)論及建議

飛附吊掛機(jī)匣產(chǎn)生疲勞裂紋的原因?yàn)椋涸陲w附吊掛機(jī)匣與風(fēng)扇機(jī)匣裝配時(shí)，用外力將定位銷敲入銷釘孔，導(dǎo)致吊掛機(jī)匣的安裝邊產(chǎn)生了局部變形，在裂紋部位形成較大的初始應(yīng)力，在振動(dòng)環(huán)境下，飛附吊掛機(jī)匣產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。

建議裝配前根據(jù)零件測(cè)量尺寸，計(jì)算裝配尺寸，裝配尺寸控制在間隙范圍內(nèi)，以保證吊掛機(jī)匣裝配能自由地推進(jìn)，若無(wú)法滿足要求，需對(duì)吊掛機(jī)匣進(jìn)行校正復(fù)檢；裝配定位銷前，先使用工藝螺釘預(yù)先固定吊掛機(jī)匣，防止裝配銷釘時(shí)產(chǎn)生位移；將銷釘冷凍后進(jìn)行裝配，并保證能手動(dòng)將銷釘按進(jìn)孔位且裝配到位。