某型燃?xì)鉁u輪起動裝置排氣口噴火爆燃分析與改進(jìn)

朱建鋒　薛春娟

摘 要：燃?xì)鉁u輪起動裝置在使用中出現(xiàn)噴火爆燃故障，嚴(yán)重威脅用戶人身、財產(chǎn)安全，本課題從起動裝置的使用工況、工作特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合故障發(fā)生時的現(xiàn)象展開分析研究，確定故障原因，制定可行性改進(jìn)措施，消除安全隱患，及時有效預(yù)防用戶人身財產(chǎn)安全，保證試飛任務(wù)安全進(jìn)行，同時對產(chǎn)品在后期服務(wù)保障工作中提供故障診斷依據(jù)。

關(guān)鍵詞：排氣口；爆燃；分析改進(jìn)

中圖分類號：TM573 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0054-05

1 引言

該型燃?xì)鉁u輪起動裝置配裝某型大發(fā)在外場服役過程中，起動點火時排氣口處瞬間噴出明火爆燃，并伴有白煙冒出現(xiàn)象，這必然嚴(yán)重影響了戰(zhàn)事訓(xùn)練飛行任務(wù)，本文通過故障現(xiàn)象結(jié)合理論分析找出故障源，對涉及到的故障點進(jìn)行分析討論，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上確定優(yōu)化改進(jìn)方案，并通過實際工況進(jìn)一步驗證其可靠性，達(dá)到了預(yù)期效果，下面就以一臺故障起動裝置展開實例分析如下。

2 故障現(xiàn)象

燃?xì)鉁u輪起動裝置在地面正常起動大發(fā)過程中排氣口處瞬間出現(xiàn)明火爆燃，并冒出大量的白煙，嚴(yán)重時會從排氣口處噴出細(xì)小金屬顆粒，造成動力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯。經(jīng)梳理，截止目前共有13臺起動裝置在使用中出現(xiàn)類似這樣的現(xiàn)象。從13臺起動裝置外場故障發(fā)生時的現(xiàn)象分析，有兩種故障模式，即動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣上的隔熱屏、壓緊螺母及鎖片脫落或者隔熱屏、壓緊螺母及鎖片脫落，造成動力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象。

3 分解檢查

3.1 目視檢查

（1）目視檢查起動裝置內(nèi)部所有滑油密封件包括密封膠圈、封嚴(yán)篦齒、石墨環(huán)、軸承蓋板等，未見破損或漏裝。

（2）動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣滑油腔石墨封嚴(yán)裝置非工作面有少許積碳，工作面光滑未見異常。

（3）減速器機(jī)匣滑油腔中的石墨封嚴(yán)裝置非工作面局部變色，工作面光滑未見異常。

（4）附件傳動機(jī)匣中心孔封嚴(yán)鋁硅涂層有輕微接觸印痕，情況屬正常。

3.2 石墨封嚴(yán)裝置密封性試驗

按圖樣要求，對動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣、減速器機(jī)匣滑油腔封嚴(yán)用石墨封嚴(yán)裝置進(jìn)行了密封性試驗，檢查情況正常。

3.3 動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣密封性檢查

對動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣中的滑油腔及內(nèi)部滑油管路密封性檢查發(fā)現(xiàn)一號焊縫周圍存在密集起氣泡，同時此處附著有大量的黑色積碳和少量油跡。

3.4 零件故檢情況

（1）隔熱屏定位槽磨損拉傷，見圖1。

（2）壓緊螺母緊固齒根部周向被擠壓磨損整圈，出現(xiàn)金屬位移，且斷裂，見圖2。

（3）鎖緊壓緊螺母的4個T型鎖片僅有1個完整，但扭曲變形，2個斷裂，其中一邊斷裂未找到實物，另一個未找到，見圖3。

（4）動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫整圈裂紋，見圖4。

3.5 燃滑油泵調(diào)節(jié)器性能錄取及滑油回油試驗

本機(jī)燃調(diào)在承制廠進(jìn)行了性能錄取試驗，以及滑油泵回油能力試驗，考慮到燃油流量的測量精度，從錄取的數(shù)據(jù)來看，燃調(diào)供油規(guī)律基本符合技術(shù)規(guī)定要求。由表1可見，燃調(diào)一級滑油回油泵試驗實測值雖小于要求值（900L/h），但仍遠(yuǎn)大于起動裝置的滑油供油能力（增壓泵全流量420L/h），不會引起起動裝置滑油腔回油不暢。

根據(jù)故障發(fā)生時的現(xiàn)象和整機(jī)分解零件受損以及驗證情況來看，初步判斷整機(jī)排氣口噴火、爆燃原因為起動裝置內(nèi)部滑油系統(tǒng)回油不暢或封嚴(yán)失效所致。

4 冶金分析

4.1 外觀檢查

動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣：表面呈淺棕色，一號焊縫中心區(qū)域可見一條貫穿焊縫周向的裂紋，焊縫附近無異常磨損、擊傷等缺陷。（見圖4）

鎖片：鎖片表面呈棕色，鎖片翻轉(zhuǎn)R部位無異常，一端“T”形臺階斷裂，兩端“T”臺階轉(zhuǎn)接部位可見明顯擠壓痕跡?？看舐菽敢粋?cè)距R部位約3mm處存在兩道平行的掛擦痕跡，深度約為0.2mm。鎖片翻轉(zhuǎn)R部位擠壓變形明顯，兩端“T”形臺階均斷裂，斷裂的“T”形臺階轉(zhuǎn)接部位可見明顯擠壓痕跡（見圖3）。

4.2 斷口分析

動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣：為疲勞斷裂，斷面呈棕色，疲勞起始于零件第一道焊縫根部，為線源，見圖5，源區(qū)存在大量擦傷痕跡，擴(kuò)展區(qū)平坦，可見明顯疲勞條帶。

壓緊螺母縱向斷口基本與軸向呈45°方向，斷面部位可見明顯的縮頸現(xiàn)象，斷面較粗糙，擦傷嚴(yán)重，無疲勞特征，在掃描電鏡下觀察，斷口微觀特征為韌窩。

1#鎖片：為疲勞斷裂，斷面平坦，呈棕色，斷裂起始于鎖片“T”形臺階轉(zhuǎn)接部位表面，為線源，見圖6，源區(qū)擦傷嚴(yán)重，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞條帶。

3#鎖片：R部位擠壓變形嚴(yán)重，無斷裂特征；兩端“T”形臺階部位斷裂均為疲勞斷裂，斷裂起始于“T”形臺階轉(zhuǎn)接部位表面，為線源，見圖7，源區(qū)擦傷嚴(yán)重，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞條帶。

4.3 金相分析

動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣：焊縫熔寬為3.4mm，有效熔深為1.2mm，存在未焊透現(xiàn)象，動力渦輪導(dǎo)向器及內(nèi)罩組合顯微組織正常。

鎖片：沿鎖片軸向剖切進(jìn)行金相檢查，晶粒度為4級，存在大量孿晶，顯微組織為奧氏體+碳化物+少量形變馬氏體。

4.4 成份分析

對斷裂動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣（材質(zhì)為K4648）、內(nèi)罩組合（材質(zhì)為GH648）及鎖片材質(zhì)進(jìn)行分析（鎖片為能譜分析，動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣組件為化學(xué)分析），結(jié)果均符合相關(guān)技術(shù)條件要求。

4.5 測試硬度

0.2HV193、0.2HV196、0.2HV191滿足技術(shù)條件要求。

4.6 冶金結(jié)論

動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣、鎖片材質(zhì)及冶金質(zhì)量正常，渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫及鎖片斷裂均為疲勞斷裂，壓緊螺母斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

5 滑油系統(tǒng)工作原理及封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

5.1 滑油系統(tǒng)工作原理

潤滑系統(tǒng)是用來保證起動裝置軸承和齒輪的潤滑與冷卻，起動裝置滑油系統(tǒng)不是獨立的，它與飛機(jī)發(fā)動機(jī)共用一個滑油箱，主要由燃滑油泵調(diào)節(jié)器、減速器回油泵、粗油濾、噴嘴及外部管路組成。

5.2 回油系統(tǒng)

附件傳動機(jī)匣、燃?xì)鉁u輪軸承腔及減速器腔各設(shè)有一個回油泵，并且附件傳動機(jī)匣及減速器腔出口還分別設(shè)有粗油濾以保護(hù)回油泵，三個回油泵的回油匯合后送到飛機(jī)外置附件機(jī)匣。

5.3 減速器輸出超越離合器的潤滑

減速器輸出超越離合器的潤滑是由飛機(jī)發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)提供滑油，滑油從飛機(jī)外置附件機(jī)匣進(jìn)入，潤滑后的滑油直接漏回飛機(jī)外置附件機(jī)匣。

5.4 滑油系統(tǒng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

5.4.1 附件機(jī)匣滑油腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

附件傳動機(jī)匣滑油腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖8，包括兩道封嚴(yán)篦齒，在輸出軸上采用皮碗密封，接合面及固定密封處采用的是密封墊和O型膠圈密封。

5.4.2 動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣、減速器機(jī)匣滑油腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣、減速器機(jī)匣滑油腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖9、圖10，均為石墨接觸式動態(tài)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、及軸承蓋板靜態(tài)密封。起動裝置正常工作時，通過接觸式石墨并引入壓氣機(jī)后封嚴(yán)氣體將滑油腔與外界隔離。如圖10所示，減速器機(jī)匣滑油腔與輸出軸離合器腔被皮碗、膠圈及軸承蓋板隔開，成為2個獨立的密封腔體。

結(jié)合圖8、9、10以及第3.4條零件故檢情況可知，三大滑油腔體封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，封嚴(yán)膠圈及蓖齒完好，起動裝置工作中不存在滑油泄露，由表2中各機(jī)匣滑油供回油比關(guān)系，不會導(dǎo)致滑油系統(tǒng)堵塞而從封嚴(yán)處泄露造成冒煙噴火現(xiàn)象。

6 原因分析

綜合以上目視檢查、試驗驗證、冶金分析可判定起動裝置排氣口噴火爆燃現(xiàn)象為動力渦輪渦輪軸承滑油腔一號焊縫裂紋密封失效所致。

（1）從分解的銅墊圈壓痕表象來看，銅墊圈壓入封嚴(yán)槽底部相對較少，隔熱屏底部邊緣0.3mm的凸臺與銅墊圈的接觸面過小，導(dǎo)向器封嚴(yán)槽深0.3mm，（原型機(jī)槽深0.52mm），銅墊圈的壓痕很淺，造成整個封嚴(yán)面接觸面積少，封嚴(yán)效果不佳。從分解的情況看，隔熱屏處有約1/4弧長區(qū)域處有大量積碳，在使用中起動裝置只會出現(xiàn)輕微的冒煙現(xiàn)象，不會造成明火，但這是后期出現(xiàn)明火乃至大量白煙的前兆。（見圖11）

（2）隔熱屏壓緊螺母上的鎖片安裝不到位，擰緊壓緊螺母時外螺紋必將會剪切鎖片，致使鎖片表面損傷，由于振動應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，在損傷處會產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過一定的工作時間后，鎖片從損傷處斷裂失效，失去鎖緊力后壓緊螺母松動，隔熱屏失去壓緊力。（見圖12）

未預(yù)彎鎖片R1按公式R1= SQRT（R2-（L/2）2）-t計算

其中：R=Ф72+0.19 0/2，L=16±0.35，t=0.5±0.05（鎖片厚度）

計算得：R1max=34.7866，R1min=34.5095

未預(yù)彎鎖片與壓緊螺母外徑配合間隙δ=R1-D2/2（D2為螺母外徑Ф70（0-0.18））

則δmax=R1max=34.7866-69.82/2=-0.1234

δmin=34.5095-70/2=-0.4905

結(jié)論：計算結(jié)果表明，鎖片在未預(yù)彎情況下，鎖片與壓緊螺母外徑螺紋處存在干涉。

（3）動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫處金相分析檢查（見圖13），測量一號焊縫有效熔深1.6mm，1.5mm，存在未焊透現(xiàn)象。該焊縫處壁厚2mm，計算可得未焊透為0.4、0.5mm，1號焊縫填料較少，焊縫強(qiáng)度不夠，在轉(zhuǎn)子的徑向應(yīng)力和振動應(yīng)力作用下，一號焊縫未焊透處出現(xiàn)疲勞裂紋，致使隔熱屏處后移，造成轉(zhuǎn)靜子間隙向變小趨勢發(fā)展。

（4）動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫裂紋后，轉(zhuǎn)靜子間隙尺寸變化，前面分析T型鎖片失去鎖緊力后壓緊螺母出現(xiàn)松動，在振動應(yīng)力的作用下反向旋轉(zhuǎn)松脫，M70×1-5h6h壓緊螺母每旋轉(zhuǎn)1圈后移1mm，加之動力渦輪導(dǎo)向器一號焊縫裂紋后的變化量，同時，由于起動裝置熱態(tài)下轉(zhuǎn)靜子間隙會進(jìn)一步較小，由于起動次數(shù)頻繁，起動中燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子軸向顫動，加之高溫高壓燃?xì)獾臎_擊，加快了動力渦輪導(dǎo)向器一號焊縫處裂紋的擴(kuò)展，必然致使軸承座腔體變形且后移，進(jìn)而縮小了與轉(zhuǎn)子間的間隙。

（5）隨著動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展惡化，動力渦輪轉(zhuǎn)子輪盤中心Φ65尺寸處與壓緊螺母內(nèi)徑Φ63擠壓接觸碰磨，且壓緊螺母的松動方向與動力渦輪轉(zhuǎn)子的正常工作旋轉(zhuǎn)方向一致，從圖1、2、3看隔熱屏、壓緊螺母以及T型鎖片受損表象判斷，瞬間外沖擊力大，來自于高速旋轉(zhuǎn)的動力渦輪轉(zhuǎn)子瞬間施加力矩破壞鎖緊力，最終導(dǎo)致隔熱屏徹底脫落，滑油大量泄漏到排氣口處，滑油遇高溫燃燒，排氣口處必然會出現(xiàn)大量的噴火現(xiàn)象，停車后冒白煙，當(dāng)再次起動時將會出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。

7 結(jié)論

綜合以上分析得出，燃?xì)鉁u輪起動裝置排氣口噴火、爆燃主要原因為動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫裂紋后腔體滑油泄露所致。

8 措施

（1）對動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣軸承座處60°的V型槽更改為寬度為1.0±0.1、深度為0.6±0.1封嚴(yán)槽，使得寬2.5的銅墊子能完全壓入槽內(nèi)，起到良好的密封效果，并將壓緊螺母的擰緊力矩由98N.m～100N.m增加至200～210N.m，保證此處的最佳封嚴(yán)效果。（見圖14）

（2）裝配鎖片時，首先目視檢查或用3～5倍放大鏡檢查鎖片正反兩面是否存在異常微裂紋等現(xiàn)象，再對T型鎖片左右兩腳預(yù)彎一定的弧度，同時涂抹少量凡士林，使得完全切合在動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣的鎖片槽內(nèi)，然后手工旋緊壓緊螺母到不動為止后，而后再將壓緊螺母手動退出，并目視檢查鎖片表面是否有壓緊螺母旋轉(zhuǎn)造成的表面劃傷痕跡，無異常后方可裝配，通過200N.m力矩緊固壓緊螺母后，再次手動鎖片應(yīng)在鎖片槽內(nèi)動作，表明鎖緊鎖片未被壓緊螺母的螺牙擠壓剪貼。

（3）優(yōu)化動力渦輪導(dǎo)向器一號焊縫的焊接工藝，采用HGH3113焊絲、雙層焊接工藝，第一層焊接（焊接電流60～70A）完冷卻后，刷光焊縫表面的氧化色，并用丙酮擦拭干凈進(jìn)行第二層焊接（31±3A），為保證有效熔深≥3mm，焊接第二層時采用小電流焊接，有效避免一號焊縫裂紋，阻止了裂紋后造成轉(zhuǎn)靜子間隙變小而發(fā)生碰磨現(xiàn)象，導(dǎo)致鎖片瞬間松脫或斷裂，引起隔熱屏脫落漏油。

9 效果驗證

優(yōu)化動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫焊接工藝貫改后，并在批產(chǎn)交付長試機(jī)上完成了1000次起動長試考核，過程中未見噴火爆燃現(xiàn)象，根據(jù)分解檢查情況來看，改進(jìn)后的動力渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣一號焊縫未見裂紋，轉(zhuǎn)靜子未出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象，截止目前已累計配套裝機(jī)120余臺交付外場使用，最長起動次數(shù)為610次，至今未因類似起動噴火爆燃故障而返廠檢查，確保用戶使用安全，減少了起動裝置返廠臺數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]航空維修與工程，2012，（1）：50-52.

[2]某型燃?xì)鉁u輪起動裝置技術(shù)說明書，608研究所 XX66ASM-1第一版.

[3]某型燃?xì)鉁u輪起動裝置使用維護(hù)手冊，608研究所 XX66.SM.1080.