航空發動機放氣活門隨動桿斷裂故障分析

田慧清，梁 鍵，劉忠華

（中國航發西安航空發動機有限公司，西安710021）

0 引言

某航空發動機多次發生放氣活門隨動桿斷裂故障。為降低故障發生率，找出故障發生的機理和原因，需開展對隨動桿工作機理和受力狀態的動態測試研究。

以往同類故障分析往往采取外觀檢查、斷口分析、表面微觀檢查、截面金相檢查等方式[1，3]，但此類方法不能判斷出隨動桿的受力方式，無法找出隨動桿斷裂的主要原因。要找出其原因，關鍵是要對隨動桿進行動應力測試，而完成此類動態測試必須解決發動機裝配狀態空間限制、環境影響、應變計引線穿過外涵道等測試技術難題，在動測基礎上分析隨動桿斷裂故障特征，掌握隨動桿在工作狀態下的受力情況，進而找出故障發生的機理和原因，為準確排除隨動桿斷裂故障,從設計和裝配上采取針對性的改進措施提供可靠的測試分析依據。

1 放氣活門機構

放氣活門機構總體外觀如圖1所示。

1.1 隨動桿工作原理

隨動桿、從動桿均屬于放氣活門操縱桿，是某型發動機放氣機構的主要組件。放氣活門操縱桿共有4個，1個為主動桿即隨動桿，其余3個為支撐桿，主動桿對面的支撐桿為從動桿。均安裝在中介機匣的外套管中，內端用支架固定在中介機匣分隔環上，外端用圓板和螺母固定在中介機匣的安裝凸臺上，沿360°周向均布。

各操縱桿的內端有1個“U”形撥叉與放氣活門連接。隨動桿外端有外花鍵與防喘調節系統的放氣活門控制桿連接，將防喘調節系統的運動傳給主動桿（隨動桿）的撥叉，操縱放氣活門的開、關。主動桿和從動桿帶動放氣活門運動，2個支撐桿保證了放氣活門運動的平穩性，放氣活門的運動軌跡近似螺旋形。隨動桿安裝方式如圖2所示。

1.2 故障斷裂模式

故障多發生在隨動桿上，其對面的從動桿斷裂較少。隨動桿、從動桿斷裂位置和模式相同，如圖3所示。斷裂均屬疲勞斷裂，線源起始表明疲勞裂紋起始應力較大，起源于桿部退刀槽與撥叉轉接R處，屬較大應力起始，具有高周疲勞擴展特點。

2 動應力測試方案

2.1 測試方法

應力測試最簡單準確的方法，就是在需測試部位粘貼應變片直接測試。由于該發動機隨動桿故障裂紋起始位置在零件的轉接R處，并且裂紋起始面不平整，無法貼應變片，可將應變片粘貼在斷裂面的背面測試，再通過有限元計算，將測試面的應力換算到斷裂處受力。

然而，隨動桿背面處于發動機機匣內流道中，發動機工作時機匣內的溫度一般為200℃左右，同時還有較高的空氣壓力和流速。此外，因隨動桿工作時還要來回擺動以帶動放氣活門的開、關。為防止應變片在測試過程中脫落給發動機運行造成安全隱患，以及防止應變片的測試導線影響隨動桿的動作或在機匣流道內被扯斷，必須可靠固定測試用應變片及導線。采取在隨動桿中心加工1個φ2 mm通孔（如圖4所示，孔的直徑以導線能通過即可）的方式將導線引出機匣。同時選擇軍品級中溫應變片及相應的膠粘劑對應變片及導線進行粘貼、固定，將粘貼固定后的零件放入烘箱內加溫固化，保證應變片粘貼牢固。

隨動桿、從動桿結構形狀和端面尺寸相同，可以采用相同的貼片方式（圖4）。為了盡量了解斷裂部位的應力分布狀態，盡可能多的在零件表面粘貼應變片，每桿粘貼5片應變片，其中4片豎片，1片橫片。

2.2 測試方案

為了充分了解隨動桿在發動機不同裝配狀態及不同運行狀態下隨動桿受力情況，充分了解隨動桿斷裂機理，為故障分析提供依據，試驗采取先在試驗臺上模擬發動機運行狀態，測試放氣活門工作過程中隨動桿的受力變化。再按隨動桿應變片粘貼方法，提前將隨動桿、從動桿粘貼固化好應變片裝配發動機，在試車臺進行發動機試車過程中應力對比測試，以驗證各項測試結果。具體步驟如下。

（1）試驗臺應力測試。在試驗臺上按發動機正常裝配狀態裝配放氣機構，測試放氣活門正常開關過程中隨動桿、從動桿的受力情況；調整各處間隙（隨動桿、從動桿軸向間隙，摩擦塊間隙，4連桿墊片間隙等），測試間隙變化對隨動桿受力的影響以及當活門在運動過程中存在阻塞或卡滯時，隨動桿、從動桿受力的變化情況；

（2）試車臺發動機試車狀態測試。選用正常發動機分別通過調整放氣機構4連桿第4節剛性連桿使隨動桿、從動桿處活門同時處于關閉、打開位置和使隨動桿、從動桿處活門不能同步關閉、打開位置時進行試車臺試車狀態對比測試；

（3）試車臺故障發動機對比測試。選用故障發動機更換測試用隨動桿、從動桿，測試發動機在原臺故障放氣活門且其它部件均為原臺件、原裝配狀態的故障情況下和更換合格放氣活門、其它件保持原狀態情況下，進行試車對比測試。

2.3 測試系統

測試系統如圖5所示。測試時要求發動機必須在冷機狀態下起動，為保證測試數據真實完整，采樣頻率設為10 k，整個試車過程連續采樣。

DHDAS動態信號采集分析系統主要技術指標：

測量范圍：0±2000 με；橋路電阻：50～10000Ω；

頻 響：DC-10 kHz；系統準確度：0.5%(FS)。

2.4 試車程序

測試時要求發動機必須在冷機狀態下起動。為盡可能得到各狀態試車完整數據，測試所用試車程序需盡可能涵蓋隨動桿動作的各位置，并保持各位置試車狀態工作30 s采集數據。

測試時，發動機先由低狀態向高狀態按臺階錄取1遍試車數據，再按逆順序錄取1遍試車數據；之后重復1次上述程序；最后將發動機從慢車狀態快推（≯1 s）至軍用狀態，軍用狀態工作30 s，發動機再從軍用狀態快拉（≯1 s）至慢車狀態，慢車狀態工作30 s，并采集數據，之后再重復1遍此快速推拉程序并采集數據。

3 測試結果及分析

3.1 試驗臺應力測試結果

（1）在正常情況下，放氣活門隨動桿和從動桿帶動放氣活門開關，隨動桿和從動桿會受到彎曲應力作用。

（2）如果存在阻塞或卡滯，放氣活門在即將打開和即將關閉的瞬間，隨動桿和從動桿受到的應力最大；隨著放氣活門開度的不斷增大或減小，隨動桿和從動桿承受的應力不斷減小。

（3）通過改變放氣活門隨動桿、從動桿軸向間隙、放氣活門止動塊位置、摩擦塊間隙、4連桿墊片間隙、作動筒行程變化，測試放氣活門隨動桿、從動桿在帶動放氣活門開關的過程中的應變變化，發現應力變化不明顯，初步說明上述間隙的變化對隨動桿撥叉處應力變化影響較小。

（4）通過改變4連桿靠近從動桿處第4節剛性連桿（4連桿中只有此節可以調整）的長度，控制放氣活門在隨動桿和從動桿位置處的開度，測試在正常和存在阻塞或卡滯情況下放氣活門隨動桿和從動桿受力情況。結果表明：4連桿在正常情況下，在隨動桿和從動桿位置處放氣活門開度沒有明顯差異，2桿斷裂部位承受的應力均能滿足零件許用的要求。當4連桿長度較正常位置縮短或伸長時，隨動桿、從動桿處活門會出現關不緊，使活門關、開運動出現阻塞、卡滯現象，從而使隨動桿、從動桿斷裂處應力變大。而當隨動桿與從動桿部位活門開度相差達到一定數值以上時，隨動桿與從動桿所承受的應力的分配出現明顯差異，隨動桿受力明顯增大，根據測試結果，最大可為從動桿應力的5倍。在調整、測試的過程中還發現，多數情況下隨動桿受力較大，從動桿受力較小；少數情況下出現了從動桿受力比隨動桿大的現象。

3.2 試車臺試車應力測試結果

對試驗臺測試結果分別進行試車狀態下驗證試驗。在試車臺分別進行了正常發動機使隨動桿、從動桿處放氣活門能或不能同時處于關閉、打開位置的試驗；故障發動機在故障放氣活門和更換合格放氣活門時隨動桿、從動桿所受應力對比試驗測試。

通過試驗可知：各次對比測試，隨動桿、從動桿在整個試車過程中受力情況與試驗臺測試結果大致相同，所受應力時域曲線（如圖6所示，圖中較粗曲線段為高壓轉速在放氣活門動作轉速附近）趨勢相同，但隨動桿、從動桿所受應力變化明顯。經分析，隨動桿、從動桿在發動機運行過程中主要承受靜應力、振動應力和沖擊應力[8]。

3.2.1 靜應力分析

靜應力主要由隨動桿機械力、溫度及氣流靜壓分量等引起，以應力平均值表示。

由各次試車數據和時域曲線可知，隨動桿承受的靜應力受溫度影響變化明顯，這也與測試方式有關。在測試時，應變片接線采取半橋的接線方式，即1片工作片、1片補償片，但補償片僅起橋路平衡的作用，由于試車時測試部位無法放置補償片，所以在測試過程中應變片的溫度無法補償。隨著溫度的升高，隨動桿測點位置受溫度變化受力分析如下。

（1）隨動桿（或從動桿）受熱自由伸長。形成測點的拉應變特征的第1種可能性是隨動桿（或從動桿）受熱延如圖7所示方向伸長，這種拉應變是否能產生拉應力，取決于連接結構是否有約束。

由于隨動桿、從動桿的撥叉與活門相連，活門上端無約束，活門運動有足夠的行程，此行程可以消除隨動桿、從動桿受熱產生的自由伸長量（隨動桿與放氣活門連接裝配如圖1所示）。因此，該狀態所顯現的拉應變特性并未使隨動桿、從動桿產生應力。

（2）隨動桿（或從動桿）受熱產生向右彎曲應力。形成測點的拉應變特征的第2種可能性是隨動桿（或從動桿）受如圖7所示的向右的彎曲應力。

隨著溫度的升高，測點拉應力增大，向右的彎曲應力也會增大，該應力使隨動桿（或從動桿）起始裂紋處產生壓應力，而壓應力受力方向顯然與隨動桿（或從動桿）斷裂模式不相符。因此，這種受力狀態不會造成隨動桿（或從動桿）發生如圖3所示的斷裂。

綜上分析，靜應力不是造成隨動桿斷裂主要因素。

3.2.2 振動應力分析

振動應力主要由隨動桿、從動桿振動及氣流動壓分量等引起，以應力峰峰值表示。

通過對不同裝配狀態時正常發動機及其與故障發動機進行對比測試，隨動桿的主動桿、從動桿振動應力最大值位置均在放氣活門即將關閉或打開轉速附近。從不同發動機不同裝配狀態下，放氣活門動作轉速附近隨動桿主動桿、從動桿所受動應力值可得到以下結論：

表1 隨動桿3#測點、從動桿2#測點活門動作轉速附近振動應力

（1）發動機高壓轉速在放氣活門即將關閉或打開轉速時（對于IGV35%～IGV45%），隨動桿、從動桿2桿所受應力最大。

（2）通過調整4連桿第4節剛性連桿，使隨動桿、從動桿處活門同時處于關閉、打開位置2桿斷裂處應力明顯小于4連桿調長或調短使2桿不能處于同時關閉、打開位置時連桿斷裂處應力。

（3）故障發動機在放氣活門動作轉速附近時的振動應力遠大于正常發動機該轉速附近時的應力，應力量值為正常發動機的100%以上，測試數據見表1。3#為隨動桿受力較大點，2#為從動桿受力較大。從表中數據可見，故障發動機使用故障放氣活門進行試驗測試時隨動桿所受最大應力為315 MPa，而當故障發動機更換了合格的放氣活門后測試，隨動桿所受最大應力為56 MPa。

故障發動機活門及活門處相關零件的磨損情況如圖8～10所示。對分解下的活門等零件磨損情況及位置進行分析可知，放氣活門的磨損位置與放氣活門即將關閉或打開的位置對應，故其磨損主要與放氣活門的振動有關。

由以上結果可得出：放氣活門磨損、變形及隨動桿、從動桿運動不同步是導致放氣活門隨動桿或從動桿斷裂的主要原因。發動機應避免長時間在放氣活門動作轉速左右工作，頻繁的開、關放氣活門轉速區間內工作是導致隨動桿或從動桿斷裂的影響因素。

3.2.3 沖擊應力分析

通過試車時域曲線和數據可知，發動機在加、減速過程中，隨著操縱桿的動作，在轉速達到放氣活門將要關閉和打開的瞬間，隨動桿、從動桿均有瞬間的沖擊應力，沖擊應力時域曲線如圖11～13所示。發動機上推過程沖擊應力較下拉過程跨越活門開啟瞬間的大，且發動機油門桿快速推拉時的沖擊應力比慢推慢拉的略大，但慢推慢拉時，隨動桿在該轉速的振動應力較大。對比試車從慢車到軍用，從軍用到慢車沖擊應力測試數據見表2。

表2 隨動桿3#測點、從動桿2#測點不同試車狀態沖擊應力

由沖擊應力時域曲線圖、表可得出如下結論：

安裝合格放氣活門發動機無論隨動桿、從動桿處活門是否能同步關閉和打開，隨動桿所受沖擊應力大小相當，從動桿所受沖擊應力大小也相當，并且隨動桿受力要大于從動桿的。但當發動機放氣活門磨損發生故障時，2桿所受沖擊應力明顯增大，且隨動桿、從動桿受力相當，更換正常活門后明顯改善。

上述現象表明，隨動桿更容易發生斷裂故障，當放氣活門磨損2桿所受沖擊應力大小相當時，從動桿也會發生斷裂故障。

3.2.4 頻譜分析

選取振動應力較大的放氣活門動作轉速狀態段作頻譜分析，頻譜如圖14所示。

從圖中可見，在此轉速附近時振動應變的特征頻率均為發動機高壓轉子工作頻率，且在該轉速下特征頻率幅值均低于35με，幅值較低不會發生共振。

4 結論

（1）在發動機運行過程中，在放氣活門即將關閉或打開轉速附近即高壓轉速NH=84%附近（對應IGV35%～IGV45%）時，放氣活門隨動桿、從動桿承受較大的振動應力；

（2）在發動機運行過程中，在放氣活門關閉或打開動作的瞬間，隨動桿、從動桿均承受大的沖擊應力；

（3）當放氣機構運行卡滯或運行不正常時會帶來較大的應力，該應力會使放氣機構零件磨損從而使隨動桿、從動桿承受更大的振動應力和沖擊應力，在振動應力和沖擊應力的疊加作用下，會導致隨動桿、從動桿發生斷裂故障。

5 建議

（1）發動機不要在放氣活門動作轉速附近長時間工作，同時避免放氣活門頻繁的開、關。

（2）在放氣機構裝配過程中，盡量保證隨動桿、從動桿處活門同時關閉、打開（可通過劃線等措施，使隨動桿、從動桿裝配后與發動機軸線平行）。

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