基于故障樹法的離心葉輪端齒裂紋故障分析

謝龍翔 盧 進(jìn) 梅 順 唐 樟

（1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南株洲 412002）

0 引言

目前，第四代戰(zhàn)斗機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用，其具有高性能、高可靠性、長壽命、低油耗、低信號、低生命周期費(fèi)用等特點(diǎn)[1]。將使其沿著性能更高、結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕、可靠性更高、費(fèi)用更低等方向發(fā)展[2]。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境十分嚴(yán)苛，轉(zhuǎn)速高、負(fù)載大，對結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常見的連接結(jié)構(gòu)主要有圓柱面定心螺栓連接結(jié)構(gòu)、花鍵連接結(jié)構(gòu)、圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)[3]。其中，圓弧端齒是一種定心、傳扭結(jié)構(gòu)，具有定心好、維護(hù)方便、傳載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圓弧端齒是在端面上分布的弧齒，分凹、凸兩種基本形式，凹齒和凸齒彼此以無側(cè)隙的形式緊密嚙合，具有自動(dòng)定心的特性、較高的同心精度、良好的互換性和尺寸重現(xiàn)性，是一種結(jié)合強(qiáng)度好且具有較大承載能力的連接結(jié)構(gòu)[4]。

在中小型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上，通常用施加裝配預(yù)緊力的中心拉桿將圓弧端齒拉緊。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，圓弧端齒要承受轉(zhuǎn)子軸向力、盤與盤之間的扭矩及自身離心力等主要載荷的循環(huán)作用，在端齒根部轉(zhuǎn)角處，由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力循環(huán)，在長期使用過程中，有可能由于該處的應(yīng)力循環(huán)而導(dǎo)致疲勞失效。

故障樹分析法（FTA），又稱為失效樹分析法，是一種以故障樹為工具、分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種路徑、對系統(tǒng)安全性或可靠性進(jìn)行評價(jià)的一種圖形演繹方法[5]。FTA已被公認(rèn)為是對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性分析的一種好方法[6]。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車后分解，離心葉輪熒光檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)零件右側(cè)端齒裂紋，本文通過對故障端齒進(jìn)行故障定位、故障樹建立、故障排查、故障機(jī)理分析等工作，準(zhǔn)確定位端齒裂紋產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)措施并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，成功解決故障問題。

1 故障概述及問題定位

1.1 故障概述

某發(fā)動(dòng)機(jī)完成第二次大修后進(jìn)行工廠試車，試車過程中未見異常。試車后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)分解，對離心葉輪進(jìn)行熒光檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)右側(cè)端齒連續(xù)3 齒（共24 齒）裂紋，如圖1 所示。

圖1 離心葉輪裂紋示意圖

1.2 問題定位

以端齒裂紋為例，分析導(dǎo)致端齒裂紋的原因，建立了端齒裂紋故障樹，如圖2 所示。

圖2 離心葉輪端齒裂紋故障樹

2 故障排查

2.1 冶金分析

2.1.1 熒光檢查

對離心葉輪端齒部位進(jìn)行熒光檢查，其中3 個(gè)連續(xù)端齒的工作面靠近齒底部位均存在熒光線性顯示（從后往前觀察順時(shí)針依次編為1～3#齒，整圈共24 個(gè)齒），熒光顯示裂紋均貫穿整個(gè)齒面寬度，沿垂直于齒面方向延伸，1#裂紋呈彎折狀，2#、3#裂紋均較平直，裂紋長度分別約7mm、7mm、3.5mm。熒光檢查示意圖如圖3 所示。

圖3 離心葉輪端齒裂紋熒光顯示形貌示意圖

2.1.2 外觀檢查

對端齒部位放大觀察，3～11#端齒工作面可見不同程度的損傷形貌（應(yīng)為二修時(shí)齒面黏結(jié)損傷，修理時(shí)未完全去除），其余端齒齒面均存在輕微嚙合痕跡。1～3#端齒的齒面裂紋部位距離齒頂?shù)母叨然疽恢隆?/p>

1～3#端齒兩側(cè)工作面在齒頂下方可見輕微擠壓痕跡，1#、2#端齒齒面裂紋靠齒底一側(cè)的邊緣可見輕微擠壓痕跡，3#端齒裂紋位于齒面黏結(jié)損傷靠齒底一側(cè)的邊緣處。斷齒裂紋示意圖如圖4 所示。

圖4 端齒裂紋形貌示意圖

2.1.3 斷口分析

將1#、2#、3#端齒裂紋打開后進(jìn)行斷口觀察，3 個(gè)斷面均呈棕色，1#裂紋斷口較粗糙，存在較大高低差，2#、3#裂紋斷口均較平坦，可見明顯的疲勞弧線及放射棱線，3 個(gè)斷面均為疲勞斷裂，疲勞均起始于端齒齒面，呈線性多源（1#、2#）或單源（3#），源區(qū)側(cè)面均可見輕微擠壓痕跡，裂紋垂直于齒面沿斜下方擴(kuò)展，1#、2#裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)長度基本一致，3#裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)長度相比1#、2#裂紋略短，人工打開斷口呈金屬色。斷口宏觀形貌如圖5 所示。

圖5 斷口宏觀形貌

通過電鏡掃描觀察到，源區(qū)位置斷面均存在擠壓擦傷現(xiàn)象，未見冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞條帶，人工打開斷口呈韌窩形貌，疲勞源區(qū)形貌如圖6 所示。

圖6 疲勞源區(qū)形貌

2.1.4 金相檢查

在端齒附近取樣進(jìn)行金相檢查，齒面及心部顯微組織均正常，為初生α 相+β 轉(zhuǎn)變組織，初生α 相含量約45%，顯微組織符合GJB2220 的要求。

2.1.5 成分分析

離心葉輪化學(xué)成分分析結(jié)果符合相應(yīng)材料技術(shù)條件要求。

2.1.6 硬度檢測

在端齒附近取樣進(jìn)行硬度檢查，硬度結(jié)果符合技術(shù)條件要求。

2.1.7 燒傷檢測

切取部分端齒進(jìn)行表面腐蝕檢查（鈦合金藍(lán)色陽極化處理），齒面均未見明顯磨削燒傷現(xiàn)象。

2.1.8 冶金分析結(jié)論

離心葉輪材質(zhì)及冶金質(zhì)量符合技術(shù)條件要求。端齒部位齒面未見明顯磨削燒傷現(xiàn)象。

從上述檢查可判斷離心葉輪端齒裂紋性質(zhì)均為疲勞，疲勞起始于端齒齒面，源區(qū)附近存在輕微擠壓痕跡，未見明顯微動(dòng)磨損。

2.2 修理質(zhì)量復(fù)查

修理手冊中，離心葉輪的損傷模式、判別準(zhǔn)則及處理如表1 所示。

表1 離心葉輪外觀/尺寸檢查表

故障機(jī)的離心葉輪在完成長久試車后，后端齒黏結(jié)嚴(yán)重，在修理至規(guī)定極限尺寸（返修量接近L）后，仍有部分齒面存在較重黏結(jié)。為滿足總壽命驗(yàn)證試驗(yàn)的需要，同時(shí)對端齒修理進(jìn)行深度研究，根據(jù)《離心葉輪后端齒修磨量》規(guī)定，“離心葉輪后端齒軸向累計(jì)修磨量最大值暫定為L+0.1mm”，本次發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪修磨量允許加大修至L+0.1mm。

2.3 故障件檢查

對離心葉輪進(jìn)行計(jì)量檢查發(fā)現(xiàn)，端齒在修理過程中未對齒頂面進(jìn)行加工。復(fù)查現(xiàn)有的修理工藝規(guī)程，規(guī)定僅對工作面進(jìn)行修理，齒頂面不加工；齒底面僅隨工作面進(jìn)行磨削，有可能加工不到位。

這種修理方式會導(dǎo)致齒頂高隨修理量增加而變大。而齒頂?shù)菇窃絹碓叫。诙她X修磨量較大時(shí)，可能與對象件（燃?xì)鉁u輪端齒）發(fā)生干涉。經(jīng)過尺寸鏈計(jì)算及繪圖檢查，在該發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪端齒修理程度較重的情況下，此時(shí)齒頂?shù)菇沁^小已無法計(jì)量，離心葉輪端齒齒頂與對象件端齒齒底倒角存在干涉。該發(fā)動(dòng)機(jī)故障件與對象件端齒嚙合情況見圖7，未經(jīng)修理的端齒嚙合情況見圖8。由圖可見二者在端齒嚙合后的齒頂和齒底間隙存在明顯差異。

圖7 故障件與對象件端齒嚙合情況

圖8 正常件端齒嚙合情況

2.4 強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)端齒存在干涉及零件實(shí)物，模擬該特征對端齒應(yīng)力的影響，進(jìn)行了對比計(jì)算。對比模型為2 個(gè)，第1 個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)模型（面接觸），第2 個(gè)為模擬端齒干涉的模型（線接觸），見圖9 ～圖11。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)模型與故障件模型示意圖

圖10 標(biāo)準(zhǔn)模型和模擬故障件模型當(dāng)量應(yīng)力分布

圖11 標(biāo)準(zhǔn)模型和模擬故障件模型接觸應(yīng)力分布

通過計(jì)算結(jié)果可得出以下結(jié)論。

（1）端齒最大當(dāng)量應(yīng)力位于端齒根部R 角處，低循環(huán)疲勞壽命滿足要求，對應(yīng)裂紋位置最大當(dāng)量應(yīng)力水平較低；（2）故障機(jī)端齒裂紋位置與最大當(dāng)量應(yīng)力位置不一致；（3）離心葉輪完成了低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，分解檢查無異常；（4）未修理端齒的發(fā)動(dòng)機(jī)長久試車后，離心葉輪分解檢查無異常；（5）通過模擬端齒干涉進(jìn)行對比計(jì)算，端齒裂紋位置的當(dāng)量應(yīng)力增大4 倍，干涉狀態(tài)下壽命很短，容易發(fā)生故障。

3 故障定位及機(jī)理分析

3.1 底事件排查匯總

通過上述分析匯總，底事件排查結(jié)果如表2 所示。

表2 底事件排查匯總表

3.2 故障機(jī)理分析

根據(jù)冶金分析、修理質(zhì)量復(fù)查、裝配質(zhì)量復(fù)查及強(qiáng)度壽命驗(yàn)算結(jié)果分析認(rèn)為，某發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪端齒修理深度研究不夠充分，修理中部分尺寸未進(jìn)行加工或加工不到位，在端齒修理量較大時(shí)，可能會導(dǎo)致離心葉輪端齒齒頂?shù)菇桥c對象件端齒根部圓角發(fā)生干涉。該故障機(jī)離心葉輪端齒在進(jìn)行第二次大修時(shí)，修理不到位，造成離心葉輪端齒齒頂?shù)菇桥c對象件端齒根部圓角發(fā)生干涉，使得部分端齒嚙合不良，齒面受力不均，在嚙合區(qū)下緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致端齒產(chǎn)生疲勞裂紋。

4 改進(jìn)措施及驗(yàn)證情況

4.1 改進(jìn)措施

根據(jù)故障分析措施及結(jié)論，擬采取以下改進(jìn)措施。

（1）明確端齒修理的相關(guān)技術(shù)要求細(xì)節(jié)。（2）完善端齒修理工序，嚴(yán)格控制修理和檢驗(yàn)質(zhì)量。（3）在其他發(fā)動(dòng)機(jī)上繼續(xù)開展端齒修理深度研究，按照完善后的修理工藝，將離心葉輪端齒修至≥L+0.1mm（沿軸向）后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 安全分析及驗(yàn)證情況

（1）尺寸鏈計(jì)算。離心葉輪端齒修理時(shí)，如未加工齒頂面，即使無齒頂?shù)菇?，在修磨量＜L時(shí)，離心葉輪端齒也不會與對象件端齒發(fā)生干涉。（2）清查了至今所有離心葉輪的修理情況，實(shí)際使用中各臺份發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)生類似問題。（3）離心葉輪端齒裂紋故障是由于端齒修理深度研究不夠充分，改進(jìn)措施實(shí)施后，可以滿足設(shè)計(jì)圖樣的技術(shù)要求。（4）發(fā)動(dòng)機(jī)更換離心葉輪已開展長久試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)問題。

5 結(jié)語

某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)離心葉輪端齒裂紋原因是端齒修理深度研究不夠充分。由于端齒修理深度研究不足，離心葉輪進(jìn)行第二次大修時(shí)，端齒齒頂、齒根未進(jìn)行相應(yīng)修理。在修理量較大的情況下，造成離心葉輪端齒齒頂?shù)菇桥c對象件端齒底部圓角發(fā)生干涉，使得部分端齒嚙合不良，在嚙合區(qū)下緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致端齒萌生裂紋并擴(kuò)展。