滑油箱支架断裂故障研究

学术论文李丰丰 陶传戈等 2018-11-07 14:33:33
    0 引言
    某航空发动机试车过程中检查发动机密封性时,发现位于滑油箱后上部,用于固定后段箍带的支架断裂,形貌如图1所示。我们对故障件开展了理化分析、相关检查测量、应力计算对比分析、加工及装配过程复查等工作。通过与故障件的相配销轴尺寸对比检查发现,销轴存在凸出台阶,不符合设计要求。
    1 故障件理化分析
    1.1 宏观检查
    支架在发动机前侧的吊耳发生断裂,断口呈灰色,断口附近无明显的塑性变形。隐约可见一条弧线且可见放射棱线,应为裂纹源,断口为疲劳断口,疲劳区域占断口面积约3/4。
    断裂位于吊耳内弧面与平面的交界处,吊耳内弧面断口附近有磨损痕迹,磨痕的轻重程度不均匀,裂纹源正好位于磨痕较重的位置。在吊耳端头非接触面还可见有金属光泽的损伤磨痕。观察与支架配合的销子,除断裂的吊耳配合的一侧除小端有一处1.2mm左右宽度台阶外,在大端面上还有一磨痕。该侧销子大端面头部与已断裂的吊耳配合面均存在对应的磨痕。
    1.2 微观检查
    将断裂的吊耳断口放入扫描电镜观察,源区未见冶金缺陷,扩展区可见疲劳条带,进一步表明断口为疲劳断口,瞬断区为韧窝形貌。
    在支架断口附近磨制金相试样进行观察,为等轴α+β转双态组织,未见组织异常,疲劳源区附近表面未见重熔层。
    1.3 观察结果分析
    断口宏观和微观特征表明支架吊耳断裂为疲劳断裂,疲劳源位于支架吊耳内弧面与平面交界处;源区磨痕较重,有微裂纹,表明疲劳起始应力较大,扩展速度快。疲劳裂纹的萌生和扩展应与多次装配存在差异相关。
    销子与支架两个吊耳都有两次磨痕,这是造成装配差异的表象。销轴的大端面两端与支架两个吊耳内侧有1.5mm左右间隙,当装配销子靠紧未断的吊耳一侧时,销轴加工残留凸台未对断裂吊耳的受力情况产生影响。反之,当装配销轴靠紧断裂一侧的吊耳时,由于销轴加工残留凸台影响,理论上销轴只有1mm左右的宽度与吊耳接触,箍带拧紧后改变吊耳的受力分布,使裂纹萌生处产生较大应力。
    断裂支架内侧及销子大端面头部均存在对应的磨痕,这些痕迹应是吊耳断裂后,销子偏置导致的。在断裂一侧销子大端面上的磨痕与断裂吊耳端頭非接触面的损伤磨痕相对应,这是吊耳疲劳开裂后,吊耳开口张大,销子大端面进入吊耳内与吊耳端头反复碰磨形成的。
    2 尺寸检查及应力计算
    2.1 尺寸检查
    对吊耳及相关定位尺寸进行了测量。断裂处与未断处的吊耳内环直径尺寸、外环直径尺寸,吊耳中心对下方孔定位尺寸均满足设计图要求。
    对销轴两处配合尺寸进行了测量。外圆表面距根部约0.8mm范围之内,存在一处0.01mm~0.015mm的台阶。从数据上看,台阶处的尺寸虽未超差,但台阶上下应保持同一直径,而不应存在台阶。
    2.2 应力计算
    根据故障件形貌,制定两组方案,采用有限元软件ANSYS对两组方案进行静应力对比分析。
    方案一:销轴与支架吊耳正常贴合;
    方案二:销轴与支架吊耳不完全贴合。假设支架吊耳配合处直径尺寸为φ12mm,销轴直径尺寸为φ12.2mm,不完全贴合时,销轴与支架吊耳由原来的面接触变为两处点或小曲面接触。
    通过仿真对比分析可得:
    方案一:正常贴合时,大应力区域在悬臂梁根部。
    方案二:销轴与支架吊耳不完全贴合时,因载荷情况发生变化,对支架的整体应力分布产生影响。大应力区域由正常贴合时的吊耳悬臂梁根部变为吊耳内弧面与平面的交界处,即在支架实际失效故障部位附近。且该部位应力水平增大为原来的4倍。
    2.3 箍带动应力测试
    在发动机上更换新品支架后,试车过程中测量滑油箱箍带的动应力,设置了8个贴片位置作为测量点,其中1、2测点为油箱前箍带与销轴连接部分,5、6测点为油箱后箍带与销轴连接部分,3、4测点为后上支架的两侧,7、8为前上支架的两侧。动应力测试结果(见表1)表明,滑油箱箍带在发动机工作过程中的应力水平较低。
    3 工艺过程复查
    3.1 机加过程复查
    经复查支架及销轴的加工工艺、制定的检验方法及生产过程记录,发现支架加工工艺设计和采用粗糙度对比样块检查零件表面粗糙度的方法不能满足设计图要求。
    3.2 装配过程复查
    断裂的支架位于油箱的后上部,用于固定后段箍带。将支架用螺栓、螺母固定在三级机匣安装边上,拧紧力矩为9N·m~10N·m。固定箍带的螺栓拧紧力矩为5.5N·m~6.5N·m。经复查装配油箱支架、油箱和箍带的工艺文件及实际装配过程符合设计要求。通过复查其他类似型发动机油箱箍带安装形式及拧紧力矩,表明故障件配装的该型发动机箍带螺栓拧紧力矩较大。
    支架断口理化分析结果表明支架受力较大,疲劳裂纹扩展速度快,支架疲劳裂纹的萌生和扩展是由于销轴的加工凸台与支架多次装配时存在差异,使支架承受较大的装配应力导致。支架表面粗糙度不符合设计要求和设计给定的箍带螺栓拧紧力矩较大是支架断裂的诱因。
    4 制定改进措施
    改进支架加工工艺路线和表面粗糙度检验方法。将现行的以线切割加工主导的工艺路线改为铣加工,保证所有表面均为机加直接形成,确保所有表面粗糙度均满足要求。重新确定表面粗糙对比检查的标准样块。
    加工中及时测量,发现问题及时解决。加强过程检验,特别是零件外观检查,防止不合格零件流出。
    与设计部门协商,参照其他发动机型减小箍带螺栓的拧紧力矩。
    结语
    本文通过对故障件相关的工艺及试制过程复查、理化分析、应力计算对比分析等工作开展,探究故障原因,找出销轴的加工凸台与支架多次装配存在差异为裂纹萌生进而断裂的主要因素,以及支架表面粗糙度不满足设计要求、设计给定的箍带螺栓拧紧力矩较大为支架断裂的诱因,为制定改进措施,完善优化工艺,提升支架和销轴加工质量打下坚实基础。
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