某型發(fā)動機金屬附件故障分析

王幫艷

（襄陽航泰動力機器廠，湖北 襄陽 441002）

某型發(fā)動機每臺配套十二件金屬噴嘴支管，該噴嘴支管由導管、外套螺母、平管嘴以及環(huán)形接頭組合焊接而成。在首翻修期的故檢試驗時，即出現了平均每臺6件左右的金屬附件裂紋故障[1]。該裂紋故障的加劇，會導致發(fā)動機在工作過程中出現供油不足、溫度場不均或高壓噴油而使機艙充滿燃油的嚴重事故發(fā)生。

通過對故障模擬系統(tǒng)進行分析并制訂方案，突破一個翻修期內即會出現裂紋故障的技術難題，有效杜絕因裂紋故障而出現安全隱患。

1 試驗過程與結果

1.1 金屬附件結構

圖1 噴嘴組件

噴嘴支管與噴嘴殼體、噴嘴螺母、噴口等組合成金屬附件的組件，見圖1。其安裝軸線與導管連接部位的軸線呈正交狀態(tài)，一端由噴嘴螺母間隙配合插入火焰筒頭部，一端由噴嘴支管外套螺母與總管接嘴連接，并通過噴嘴殼體頸部固緊在安裝盤上。

圖2 故障件

1.2 故障原因判定

為了降低加工難度，提高生產效率及減少材料損耗，將噴嘴支管的環(huán)形接頭外形設計成直接澆鑄成型的ZG1C18Ni9Ti鑄鋼件，而澆鑄金屬材料在一定程度上呈各向同性，澆鑄時形成氣泡、裂紋、組織偏析及其它隱性的組織缺陷，組合焊接后隱性缺陷進一步擴大。

在發(fā)動機工作過程中，流經燃燒室的高壓氣流及流經噴嘴支管的高壓液流使其產生振動，在導管與環(huán)形接頭焊接組合處產生了較高的振動應力，由于環(huán)形接頭本身的強度儲備不足從而產生裂紋。

1.3 裂紋斷口分析

對1件噴嘴支管故障件裂紋進行裂紋斷口觀察，裂紋斷口形貌為疲勞斷口，疲勞起源于環(huán)形接頭裂紋頂部內表面，由兩個線源組成，源區(qū)較平坦，呈灰黑色；裂紋由內表面向外表面擴展，并沿接頭凸起處根部方向擴展，疲勞擴展區(qū)起伏不大；擴展區(qū)斷面上局部可見明顯的疲勞弧線；將裂紋斷口置于掃描電鏡下進行觀察，源區(qū)未見明顯的機加缺陷。

1.4 冶金分析

選取鑄造成型的故障環(huán)形接頭，與熱軋棒材加工成型的環(huán)形接頭進行金相對比分析；再分別插入導管焊接后進行熱影響區(qū)的金相對比分析。通過測試分析表明：棒材為柱狀枝晶組織，焊接后熱影響區(qū)與基體相比晶粒無明顯變化；鑄件為胞狀加柱狀枝晶組織，焊接后熱影響區(qū)與基體相比晶粒有明顯長大。

1.5 模態(tài)計算和試驗

通過AnsysWorkbench軟件對金屬附件的模態(tài)（計算用噴嘴組件與安裝位置采用中差配合）進行計算，計算表明環(huán)形接頭的模態(tài)呈規(guī)律的多邊形形狀，結果見表1。

表1 模態(tài)計算結果

選取5件金屬附件進行振動模態(tài)試驗，根據噴嘴組件的實際安裝位置，一端由金屬件螺母間隙配合插入模擬火焰筒頭部，一端由金屬件外套螺母與固定接嘴連接，并通過零件殼體頸部固緊在安裝盤上。

通過振動試驗器的CRAS模態(tài)試驗系統(tǒng)對零件支管模態(tài)進行試驗，試驗結果見表2。

表2 模態(tài)試驗結果

1.6 振動應力測量

觀察金屬件環(huán)形接頭故障件的裂紋位置及走向，裂紋多起源于焊接處凸臺邊緣，裂紋呈樣條線狀沿外壁軸向根部擴展，且裂紋總是出現在環(huán)形接頭的兩個對稱平面上。可見其工作時主要發(fā)生為四邊形振動，模態(tài)計算和模態(tài)試驗結果也表明這一點。

在發(fā)動機試車臺上進行振動應力測量，測量結果表明：發(fā)動機轉速6500r/min以下幾乎沒有信號；從6500r/min到最高轉速16500r/min內，環(huán)形接頭處于4邊形振動的信號，當發(fā)動機的轉速達到14800r/min時測到最大應變，此時頻率為463Hz，振動應變值達162με，換算成室溫下的振動應力值為152.4MPa，工作溫度250℃下為134.8MPa。

2 故障原因確定

故障件環(huán)形接頭材料為ZG1Cr18Ni9Ti鑄件，經查詢材料手冊，與1Cr18Ni9Ti熱軋棒材進行化學成分和力學性能對比分析，得出熱軋棒材1Cr18Ni9Ti性能（特別是焊接性能）明顯優(yōu)于其它鑄件的結論。

ZG1Cr18Ni9Ti在250℃工作溫度下σb=598Mpa，σ-1=320Mpa。金屬鑄造成零件后，因為形位誤差的影響其抗拉強度和疲勞強度會下降8%左右，因焊接的原因會下降6%左右，因此環(huán)形接頭在250℃工作溫度下σb=514.28Mpa，σ-1=275.2Mpa。

由于噴嘴支管一端由外套螺母連接，支點就在環(huán)形接頭的焊接處，再加上鑄件壁厚差異較大，工作時在振動應力的作用下，這些影響越來越明顯，在轉速達到14800r/min時，振動頻率達到463Hz，模態(tài)計算和模態(tài)試驗均證明了這一點。

此時最大振動應力為134.8MPa，噴嘴支管的疲勞強度安全系數為2.04（nb=275.2/134.8=2.04），理論上能滿足使用要求。

但從冶金分析、尺寸檢測和實際結果來看，因為鑄造缺陷、外形尺寸誤差、焊接處厚薄不均造成應力集中以及焊接殘余應力的存在很大程度上降低了環(huán)形接頭的疲勞強度，導致其機械性能大幅下降，從而造成裂紋現象的發(fā)生。

3 故障排除措施

從圖2可看出故障環(huán)形接頭由于鑄造精度低，各非加工面處壁厚不均勻，且環(huán)形供油通道粗糙，壁上布滿油污。為此，將環(huán)形接頭材料由ZG1Cr18Ni9Ti鑄件更換為焊接性能更佳的熱軋棒材1Cr18Ni9Ti；提高其內部環(huán)形供油通道的加工精度，以保證供油暢通無阻滯；各連接部位圓滑轉接排除應力集中。

設計專用焊接夾具，保證導管軸線與環(huán)形接頭安裝面的位置關系，以確保噴嘴支管安裝時能自由安裝，避免產生安裝應力。

4 結論

通過改變結構材料，優(yōu)化焊接參數，減小焊接殘余應力等措施，徹底根除一個翻修期內即會出現裂紋故障的技術難題，有效杜絕因裂紋故障而引起機械運行事故發(fā)生。