高壓前機(jī)匣操縱機(jī)構(gòu)連桿斷裂故障分析

摘 要：針對發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子操縱機(jī)構(gòu)球形頭連桿組合件斷裂故障，對故障件進(jìn)行斷口分析、材料分析和故障形貌檢查，模擬操縱機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)分析連桿受力情況，計算連桿承受的載荷，查找故障產(chǎn)生的機(jī)理，最終確定故障原因。

關(guān)鍵詞：故障；分析；機(jī)理

1 故障描述

可調(diào)靜子操縱機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)工作時隨狀態(tài)變化帶動高壓壓氣機(jī)0～3級靜子葉片角度變化，每臺發(fā)動機(jī)有2個操縱支架組合件，每個操縱支架上有4個可調(diào)節(jié)長度的拉桿，拉桿兩側(cè)各有1個軸承，每臺發(fā)動機(jī)共有16個關(guān)節(jié)軸承。每級拉桿一側(cè)的球形頭連桿組合件與聯(lián)動環(huán)連接，另一側(cè)通過各級連桿組合件與操縱支架相連，兩端連接部位均裝有關(guān)節(jié)軸承。發(fā)動機(jī)經(jīng)過長時間試車會出現(xiàn)可調(diào)靜子操縱機(jī)構(gòu)聯(lián)動環(huán)與操縱支架曲柄連桿斷裂的故障，這種故障的斷裂現(xiàn)象基本上都發(fā)生在球形頭連桿根部，同時伴有關(guān)節(jié)軸承脫出。

2 故障分析

2.1 故障件檢查

2.1.1 故障件關(guān)節(jié)軸承情況檢查

按設(shè)計要求球形頭連桿組合件的關(guān)節(jié)軸承裝配在球形頭連桿內(nèi)，兩者之間的配合按國標(biāo)選取，采用過渡配合。關(guān)節(jié)軸承裝配到球形頭連桿后，要求軸承外圈兩端擴(kuò)口，擴(kuò)口后軸承轉(zhuǎn)動力矩、擺動力矩和軸向負(fù)荷通過專用的檢測工具檢查；擴(kuò)口按標(biāo)準(zhǔn)件驗收，擴(kuò)口處不允許有裂紋，軸承轉(zhuǎn)動連續(xù)，無卡滯、突跳。檢查故障件的關(guān)節(jié)軸承，發(fā)現(xiàn)其軸承脫出，進(jìn)一步檢查關(guān)節(jié)軸承兩端擴(kuò)口部位未形成明顯擴(kuò)口。

2.1.2 表面磨痕檢查

2.2 斷口分析

2.2.1 斷口理化檢查

在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，斷口低倍形貌見圖3。可見到較明顯的放射棱線及疲勞弧線特征，表明斷口性質(zhì)為疲勞斷口。根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，疲勞起源于球形頭連桿螺紋槽底的兩側(cè)表面，對應(yīng)區(qū)域斷口上、下兩側(cè)的1區(qū)，相向擴(kuò)展。

2.2.2 材質(zhì)分析

2.2.3 斷口分析結(jié)論

（1）該球形連桿斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂，疲勞起源于螺紋兩側(cè)槽底的表面，相向擴(kuò)展；（2）疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷，球形頭連桿組合件斷裂故障的產(chǎn)生與其材質(zhì)無直接關(guān)系。

2.2.4 結(jié)論

通過斷口分析及實物復(fù)查，故障件斷裂可能是由零組件之間干涉引起的雙向疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致連桿斷裂。

3 故障產(chǎn)生機(jī)理分析

3.1 零組件干涉原因分析

3.1.2 連桿干涉受力分析

在正常工作狀態(tài)下，操縱機(jī)構(gòu)在工作時，拉桿是一個典型的“二力桿”。如圖7中所示，拉桿的兩個受力點(diǎn)分別為兩個關(guān)節(jié)軸承的球心。理論上，拉桿除了承受傳遞的拉壓力和自身重力外，不受其它力。但由于關(guān)節(jié)軸承脫出，導(dǎo)致拉桿在多個區(qū)域與其他零件之間干涉和碰磨，承受了除“二力桿”傳遞的拉壓力外的其它作用力。

當(dāng)靜子葉片處于開角狀態(tài)時，由于零組件之間的干涉，拉桿故障件在干涉區(qū)域1和干涉區(qū)域2會受到擠壓應(yīng)力，兩個干涉區(qū)域?qū)瓧U產(chǎn)生的作用力可以分為彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個部分，如圖8所示。

從拉桿故障件模型在開角和閉角狀態(tài)下受力和彎矩的定性分析可知，當(dāng)關(guān)節(jié)軸承嚴(yán)重脫出時，產(chǎn)生的附加應(yīng)力較大。在可調(diào)靜子操縱機(jī)構(gòu)工作過程中，故障件在球形頭連桿螺紋薄弱區(qū)上下兩側(cè)受到的拉壓應(yīng)力是周期性變化的，而螺紋齒根屬于應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力較大。在循環(huán)應(yīng)力的作用下，螺紋底部形成初始裂紋區(qū)，在工作過程中不斷擴(kuò)展，最終拉桿斷裂。這一受力過程分析與斷口形態(tài)一致。

3.2 分析結(jié)論

通過上述檢查、試驗和分析工作，對于可調(diào)靜子機(jī)構(gòu)球形頭連桿斷裂故障原因分析結(jié)論如下：

3.2.1 可調(diào)靜子操縱機(jī)構(gòu)工作過程中關(guān)節(jié)軸承脫出，造成連桿工作時活動空間減小，當(dāng)關(guān)節(jié)軸承脫出嚴(yán)重后使零組件之間發(fā)生嚴(yán)重的干涉和碰磨。

3.2.2 零組件之間的干涉會導(dǎo)致球形頭連桿除承受正常的拉壓載荷外，還承受附加的雙向周期性變化的彎矩作用，經(jīng)一定工作時間的累積，干涉發(fā)展并嚴(yán)重時，附加彎矩會隨之迅速增大，最終引起拉桿的螺紋段出現(xiàn)初始裂紋。

3.2.3 發(fā)動機(jī)工作過程中，在上述附加載荷和工作振動等因素的共同作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，并最終拉桿在螺紋段斷裂。綜上所述確認(rèn)關(guān)節(jié)軸承軸向脫出引起干涉造成的附加載荷，在此載荷作用下經(jīng)過一定時期的非正常狀態(tài)工作，是導(dǎo)致球形頭連桿最終斷裂的原因。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996（2）.