某型飛機(jī)防護(hù)柵套管固定螺栓斷裂原因分析

摘要： 某型飛機(jī)進(jìn)氣道防護(hù)柵轉(zhuǎn)軸與套管固定螺栓斷裂，經(jīng)過(guò)對(duì)該高強(qiáng)度斷裂螺栓斷裂面的沿晶脆性分析、材料分析以及對(duì)3個(gè)該處螺栓進(jìn)行的破壞試驗(yàn)和該螺栓受力情況的綜合分析，排除該處螺栓的制造缺陷和定力過(guò)度導(dǎo)致螺栓斷裂的原因后，認(rèn)為該處螺栓在進(jìn)行特檢和大修更換開(kāi)口銷(xiāo)時(shí)震動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致螺栓松動(dòng)引起了螺栓斷裂，是由于松動(dòng)而被打壞的。外場(chǎng)檢查時(shí)，在確定磁粉探傷無(wú)裂紋的前提下，應(yīng)采用正確的定力方法對(duì)該處螺栓進(jìn)行安裝，并確保擰緊。

關(guān)鍵詞： 進(jìn)氣道；防護(hù)柵轉(zhuǎn)軸與套管；螺栓；斷裂分析；維護(hù)建議

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 概述

某型飛機(jī)每個(gè)進(jìn)氣道內(nèi)安裝一個(gè)防護(hù)柵（如圖1），每個(gè)防護(hù)柵安裝12件螺栓，用于固定防護(hù)柵套管、壁板蒙皮等結(jié)構(gòu)與根部轉(zhuǎn)軸，材料為1Cr15Ni4Mo3N，強(qiáng)度為（1353～1569）MPa，表面處理方式為化學(xué)磷酸鹽氧化、憎水處理。飛機(jī)修理中，發(fā)現(xiàn)該處一螺栓斷裂（見(jiàn)圖5），該螺栓承受主要載荷形式為螺栓光桿部位的徑向剪切力。

2 原因分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)《某型機(jī)延長(zhǎng)首翻期特檢技術(shù)要求》中關(guān)于防護(hù)柵螺栓修理規(guī)定為：特檢時(shí)將防護(hù)柵轉(zhuǎn)軸與套管固定螺栓的原碳鋼開(kāi)口銷(xiāo)（1.6×20GB91）更換成不銹鋼開(kāi)口銷(xiāo)。根據(jù)飛機(jī)修理指南關(guān)于防護(hù)柵網(wǎng)格裂紋的檢查修理內(nèi)容，無(wú)螺栓分解檢查要求。因此，無(wú)論是特檢還是大修，只對(duì)緊固螺栓僅作原位更換開(kāi)口銷(xiāo)工作。

導(dǎo)致螺栓斷裂的原因一般包括以下三個(gè)方面：

（1）螺栓制造存在缺陷

（2）螺栓原機(jī)裝配時(shí)存在問(wèn)題

（3）抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度

（一）材料分析

發(fā)生事故后，北京航空材料研究院對(duì)斷裂螺栓斷裂面的沿晶脆性進(jìn)行了分析，排除了疲勞斷裂的可能性。同時(shí)，經(jīng)測(cè)定，該斷裂螺栓的氫含量為0.00004%，含量較低，排除了氫脆斷裂的可能性。因此，本文重點(diǎn)從修理、裝配角度進(jìn)行分析。

（二）為驗(yàn)證螺栓斷裂是否與原機(jī)螺栓裝配有關(guān)，隨機(jī)抽取在修飛機(jī)的3個(gè)該處螺栓進(jìn)行破壞試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)條件與環(huán)境

試驗(yàn)需要：廢舊的防護(hù)柵作為試驗(yàn)平臺(tái)、力矩扳手、原機(jī)拆下的墊圈、螺母（材料為1Cr17Ni2）、工藝自鎖螺母（材料30CrMnSiA）、3件螺栓使用時(shí)間小于1500飛行小時(shí)，鍍層完好，無(wú)腐蝕、變形，外觀檢查狀態(tài)良好。

（2）試驗(yàn)

第一階段：選取廢舊的防護(hù)柵作為工作平臺(tái)，使用原裝配件擰緊螺栓，做破壞試驗(yàn)，因帶開(kāi)口銷(xiāo)槽螺母強(qiáng)度較弱，在力矩分別到25N·m、30N·m，螺母打滑，試驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行（見(jiàn)圖3）。取下力矩扳手，分解螺母目視檢查發(fā)現(xiàn)螺母損傷、變形嚴(yán)重，螺母內(nèi)裂紋損壞，螺栓未見(jiàn)損傷。

第二階段：改用30CrMnSiA材料自鎖螺母代替原螺母，3件螺栓分別擰斷，但擰緊力矩?cái)?shù)值差距較大，分別在72N·m、53N·m、33N·m時(shí)細(xì)頸處發(fā)生斷裂（見(jiàn)圖4）。顯然，裝配時(shí)擰緊力矩過(guò)大，超過(guò)了螺栓材料的屈服極限，使螺栓出現(xiàn)屈服變形，進(jìn)而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析

第一階段用原機(jī)螺母試驗(yàn)，螺栓未見(jiàn)明顯變化時(shí)螺母已損壞；第二階段換用自鎖螺母試驗(yàn)，3件試驗(yàn)螺栓與斷裂螺栓斷裂位置相同，都在退刀槽處斷裂，且試驗(yàn)螺栓發(fā)生斷裂時(shí)的擰緊力矩遠(yuǎn)超定力標(biāo)準(zhǔn)[注：標(biāo)準(zhǔn)定力要求為（6.3±0.63）N·m]，符合承載零件在薄弱處損壞的一般規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)，初步分析該件螺栓斷裂與原機(jī)定力過(guò)大沒(méi)有直接關(guān)系。

（三）從螺栓的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度方面分析螺栓斷裂原因

（1）螺栓斷裂不是因?yàn)槁菟ǖ目估⒖辜魪?qiáng)度不足

以該處螺栓為例進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)σ=F/S，該處螺栓能夠承擔(dān)的最小抗拉載荷F=σ·S=1353×106×π×（3×10-3）2=38235N=3901kgf，不難看出，它的重量只有0.05kg，而它的最小抗拉載荷是3.9t，高達(dá)自身重量的7.8萬(wàn)倍。因此，螺紋緊固件的抗拉強(qiáng)度是足夠的，不可能因?yàn)槁菟ǖ膹?qiáng)度不夠而損壞。同樣，在無(wú)松動(dòng)、緊配合承載徑向抗剪力的螺栓其抗剪強(qiáng)度（相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度90%）也是十分可靠的。

（2）螺栓的斷裂不是因?yàn)槁菟ǖ钠趶?qiáng)度不足

螺紋緊固件在橫向振松試驗(yàn)中只需100次即可松動(dòng)，而在疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中需反復(fù)震動(dòng)100萬(wàn)次。換句話說(shuō)，螺紋緊固件在使用其疲勞強(qiáng)度的萬(wàn)分之一時(shí)即松動(dòng)了，我們只使用了它大能力的萬(wàn)分之一，所以說(shuō)螺栓緊固件的松動(dòng)也不是因?yàn)槁菟ㄆ趶?qiáng)度，該處621所的沿晶脆性分析也證明了這一觀點(diǎn)。

3 結(jié)論

螺紋緊固件損壞的真正原因是松動(dòng)，螺紋緊固件松動(dòng)后，產(chǎn)生巨大的動(dòng)能mv2，這種巨大的動(dòng)能直接作用于緊固件及設(shè)備，致使緊固件損壞，緊固件損壞后，設(shè)備無(wú)法在正常狀態(tài)下工作，進(jìn)一步導(dǎo)致設(shè)備損壞。受軸向力作用的緊固件，螺紋被破壞，螺栓被拉斷。受徑向力作用的緊固件，螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。

排除該處螺栓的制造缺陷和定力過(guò)度導(dǎo)致螺栓斷裂的原因后，認(rèn)為該處螺栓在進(jìn)行特檢和大修更換開(kāi)口銷(xiāo)時(shí)震動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致螺栓松動(dòng)引起了螺栓斷裂，是由于松動(dòng)而被打壞的。

4 后續(xù)修理采取措施及外場(chǎng)維護(hù)檢查建議

（一）由于防護(hù)柵轉(zhuǎn)軸與套管固定螺栓斷裂造成損失和影響較大，因此對(duì)后續(xù)飛機(jī)增加如下修理內(nèi)容：

（1）固定分解防護(hù)柵轉(zhuǎn)軸與套管固定螺栓進(jìn)行磁粉探傷，對(duì)探傷不合格螺栓報(bào)廢、換新。

（2）對(duì)分解前、后螺栓、螺母、平墊圈、弧形墊圈目視檢查其完好性，按通用要求以（6.3±0.63）N·m力矩對(duì)槽型螺母進(jìn)行定力擰緊。

螺栓調(diào)在下限定力值5.7N·m刻度，用定力扳手旋動(dòng)槽型螺母，當(dāng)聽(tīng)到表示達(dá)到定力要求的“嘀嘀”聲，取下定力扳手，此時(shí)查看槽型螺母切口與開(kāi)口銷(xiāo)孔偏移情況，將定力扳手調(diào)至規(guī)定定力范圍的上限6.9N·m， 用定力扳手旋動(dòng)槽型螺母，調(diào)整開(kāi)口銷(xiāo)孔與槽型螺母切口位置至能保證順利穿入開(kāi)口銷(xiāo)。當(dāng)用上述方式仍達(dá)不到要求或開(kāi)口銷(xiāo)孔與切口位置偏移太大時(shí)，則可補(bǔ)加厚度不大于1.5mm的平墊圈或適當(dāng)銼修原有墊圈，以滿足安裝和定力要求。

（二）由于外場(chǎng)防護(hù)柵拆卸不便，因此外場(chǎng)維護(hù)可采用原位目視或借助扳手、螺刀等工具檢查防護(hù)柵轉(zhuǎn)軸與套管固定螺栓完好性。

參考資料：

[1] 亓國(guó)紅，碳鋼及合金鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，紡織機(jī)械常用材料手冊(cè)，2013，112-113

[2] 屈紹波，材料結(jié)構(gòu)與性能，材料工程 北京航空材料研究院 2002，54-57

[3] 濮良貴、紀(jì)名剛，高強(qiáng)度鋼，機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版），2001，150-155

[4] 劉多樸等，結(jié)構(gòu)鋼 不銹鋼，中國(guó)航空材料手冊(cè)（第2版） 第1卷 ，2002，88-92

[5] 李亮宇等，試驗(yàn)方法，飛機(jī)金屬材料標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法匯編，1981，66-68