某發動機可調靜子機構連桿斷裂故障分析

陳剛　陳凱征　郭桃都　任志遠

摘 要：通過將某發動機分解檢查后，發現高壓壓氣機上半機匣靜子可調操縱機構第3級聯動環搭接段，與操縱支架第3級曲柄連接處球形頭連桿組合件從螺紋處斷裂，進一步檢查發現球形頭連桿組合件關節軸承軸向脫出。

關鍵詞：發動機 ；關節軸承 ；脫出

中圖分類號：V231 文獻標志碼：A

1 高壓壓氣機可調機構結構簡介

調節機構在發動機工作時隨狀態變化帶動0級～3級靜子葉片角度變化三級拉桿一側的球形頭連桿組合件與聯動環連接，另一側通過三級連桿組合件與操縱支架相連，兩端連接部位均裝有關節軸承。球形頭連桿組合件與三級連桿組合件用螺紋連接，根據靜子葉片角度調節要求調整長度，調整后擰緊端面螺母并打好保險絲。

2 故障排查分析

故障發生后，從各方面開展復查和分析工作，列出故障樹以確定可能引發故障的各種原因，并對相關因素逐一排查。

2.1 斷口分析

2.1.1 斷口宏觀檢查

球形頭連桿沿螺紋槽底斷裂，斷口表面較平緩，從顏色上明顯地分為3種區域，最外層的呈灰褐色，中間層的呈亮灰色，中心部呈暗灰色；斷口表面可見到較明顯的疲勞弧線特征，初步判斷球形頭連桿斷口性質為疲勞斷口。

2.1.2 斷口微觀檢查

在掃描電鏡下進行觀察，可見到較明顯的放射棱線及疲勞弧線特征，表明斷口性質為疲勞斷口。根據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表面，相向擴展。可見疲勞源區為多源起始，表面磨損均較嚴重，未見明顯的冶金缺陷。

2.1.3 材質分析

對故障件斷口處進行能譜分析，主要合金元素含量與標準要求基本相符，從發生斷裂的球形頭連桿螺紋段取樣進行硬度測試及金相組織檢查，硬度測試結果滿足設計要求，金相組織未見明顯異常。

2.1.4 斷口分析結論

（1）故障機球形連桿斷裂性質為多源疲勞斷裂，疲勞起源于螺紋兩側槽底的表面，相向擴展；（2）疲勞源區未見明顯的冶金缺陷，球形頭連桿組合件斷裂故障的產生與其材質無直接關系。

2.2 故障件檢查

2.2.1 故障件關節軸承擴口情況檢查

檢查故障件關節軸承，發現其脫出裝配位置約2mm，進一步檢查關節軸承兩端擴口部位未形成明顯擴口。轉動球形頭連桿組合件關節軸承靈活無卡滯。

進一步檢查故障件，對比擴口標準件與隨機抽取的庫存件球形頭連桿組合件關節軸承擴口情況，從對比檢查結果看，擴口標準件、庫存件形成明顯擴口，標準件擴口較好，庫存件擴口不規則，故障件關節軸承外緣未形成明顯擴口，槽底有工裝壓痕。

2.2.2 表面磨痕檢查

進一步檢查發現故障件球形頭連桿表面存在兩處磨痕，對與故障件配合的三級連桿組合件、三級聯動環搭接段及三級曲柄進行檢查，對應表面也存在磨損痕跡。

2.2.3 故障件檢查結果

通過對故障件進行仔細檢查，結合故障件裝配位置及與周圍零組件之間的配合關系以及斷口分析結論，初步分析認為：（1）關節軸承軸向脫出，擴口部位未形成明顯擴口；（2）關節軸承脫出后工作過程中與相配件存在干涉，磨痕情況與斷口檢查發現的雙向疲勞擴展斷裂形貌有對應關系。

2.3 質量復查

故障發生后，故障分析組對故障件同批次球形頭連桿裝機情況進行復查，同時對具備檢查條件的批產和科研發動機關節軸承脫出及擴口情況進行了全面檢查。

2.3.1 實物復查

故障件同批次件復查。復查56件操縱支架組合件裝機情況，關節軸承擴口實際質量狀況參差不齊，目視關節軸承外緣未形成明顯擴口的較多，同時存在局部擴口、擴口不規則等情況，存在軸向脫出現象的關節軸承外緣均未形成明顯擴口。

2.3.2 裂紋件檢查

對存在關節軸承脫出的球形頭連桿組合件均進行熒光檢查，發現關節軸承脫出量最大的發動機高壓壓氣機上半機匣三級拉桿球形頭連桿組合件螺紋段存在裂紋，脫出量小于1.5mm的其余件未見異常。

對該新發現故障件進行仔細檢查及斷口分析，并與故障機故障件進行對比，結論如下： （a）該故障件關節軸承軸向脫出1.78mm，比故障機發動機故障件脫出量略小，兩者脫出方向一致；（b）在該故障件上發現兩處異常磨損，位置與故障機發動機故障件相同；（c）該故障件表面裂紋為雙向疲勞裂紋，裂紋斷口源區未見材質冶金缺陷，金相組織及材料硬度檢查也未見異常，斷口檢查結果與故障機故障件斷口分析結論一致。

2.3.3 生產和工藝復查

對整改前球形頭連桿組合件擴口的工藝和實施情況進行復查，發現問題如下：（1）故障件批次擴口工序使用的工裝圖紙未保留，實物已報廢，均不可追溯。現場使用的工裝是測繪舊工裝后設計加工的；（2）擴口工裝尺寸不進行檢查，也未規定可加工零件的數量，以加工出的零件是否滿足要求判定；（3）擴口工裝定位芯棒與擴口錐面無同軸度要求，可能導致擴口時位置存在偏差，會造成擴口形狀不規則；（4）連桿組合件關節軸承擴口后，檢測軸向載荷的工裝存在不足，影響測量的準確性。

2.3.4 質量復查小結

質量復查的主要結論如下：（1）存在軸向脫出現象的關節軸承外緣均未形成明顯擴口；（2）故障球形頭連桿組合件所在批件擴口工序使用的工裝圖紙及實物均不可查；（3）新發現的關節軸承故障件情況與故障機發動機故障件一致，可按同一故障處理；（4）生產和工藝復查中發現的問題可能導致實際加工產品關節軸承外緣未形成明顯擴口。

2.4 連桿斷裂分析

通過斷口分析及實物復查，故障件斷裂可能是由零組件之間相互干涉引起的雙向疲勞擴展，下面對產生干涉的原因及故障件斷裂的機理進行分析。

3 故障原因分析

通過上述復查、試驗和分析工作，對于故障機號發動機可調靜子機構球形頭連桿斷裂故障原因分析結論如下：（1）故障件關節軸承擴口不滿足要求，不能對軸承起到軸向定位的作用，導致可調靜子操縱機構工作過程中關節軸承脫出，造成連桿工作時活動空間減小，當關節軸承脫出嚴重后使零組件之間發生嚴重的干涉和碰磨。（2）零組件之間的干涉會導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，經一定工作時間的累積，干涉發展變嚴重時，附加彎矩會隨之迅速增大，最終引起拉桿的螺紋段出現初始裂紋。（3）發動機工作過程中，在上述附加載荷和工作振動等因素的共同作用下，裂紋逐漸擴展，并最終導致拉桿在螺紋段斷裂。

4 排故措施

針對本次故障，通過分析討論，制定相關排故及改進措施如下：（1）改進擴口模具及檢測工裝，增加防錯措施，減少人為因素的影響；（2）加強擴口模具及檢測工裝的管理，建立使用檔案，定期對其進行檢定；（3）優化工藝參數并對其進行固化，并納入工藝規程； （4）加強并落實產品出廠前各項檢驗，軸向載荷檢查和擴口形貌嚴格按照要求驗收。

5 故障危害性分析

發動機工作時，高壓壓氣機靜子可調機構0級～3級拉桿帶動聯動環運動，達到調節靜子葉片角度的目的。當關節軸承脫出嚴重時，拉桿與配合零件間產生嚴重的干涉和碰磨，對連桿施加較大的附加載荷，導致相對薄弱的連桿螺紋底部產生裂紋，擴展后造成拉桿斷裂。

當單級一側拉桿斷裂后，會對該級可調靜子葉片調節可靠性產生一定影響；單級拉桿兩側斷裂時，導致該級可調靜子葉片角度失控；同時拉桿斷裂可能引起調節機構卡滯，也使靜子葉片角度不可控，會直接引起發動機喘振，危害發動機的使用安全。

參考文獻

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