某航空發動機掛架失效分析及解決辦法

孫振起，伍澤全，吳安如，陳 蓉，董麗君

（1.湖南工程學院機械學院，湖南湘潭 411101；2.長沙云智航科技有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

小型活塞式航空發動機具有體積小、重量輕、升功率高、結構簡單、操作維護方便等優點，在渦噴、渦槳、渦軸和渦扇發動機在各類飛機上的大量應用的今天，小型活塞式航空發動機仍因其優點受到青睞，特別在小型無人機上應用很廣[1]。公司生產的無人機采用POLINI THOR 250二沖程航空發動機，重量18 kg，動力為26.46 kW（36馬力），采用3點懸掛方式固定。

1 測試失效現象描述及失效原因分析

1.1 發動機掛架失效現象

POLINI THOR 250二沖程航空發動機具有體積小、重量輕、性能可靠等優點，采用3點固定的方式，如圖1所示，圖1a為發動機及其懸掛桿，圖1b為發動機三維模型，圖1c為在測試中發動機懸掛之一與測試架裝配在一起的（橢圓圈中所示）。

在給發動機輸出軸裝配上槳轂及槳葉后點火加油后，螺旋槳轉速升高過程中未見異常，在轉速升至2000 r/min后運行約1 min，實然出現發動機從測試架上傾斜、螺旋槳葉片觸地斷裂飛濺的事故，馬上減油停機檢查。

圖1 POLINI THOR250發動機

1.2 失效原因分析

檢查后發現，發動機懸掛3個支架，其中2個完全斷裂，另一個也彎曲變形嚴重，導致了發動機失去重心，嚴重傾斜，發生本次事故，圖2所示為損壞的懸掛支架。圖2a為發生事故后，從發動機上拆下來的損壞的掛架，可以看出，此掛架發生了嚴重的彎曲變形，并在表面發生了明顯的磨損；圖2b為事故中折斷的發動機掛架，由此圖可以看出，此掛架與發動機連接的圓孔處發生了折斷，而用于固定在測試平臺的左側圓孔處出現了明顯的半圓形黑色痕跡，而右側的圓孔處出現了明顯的磨損印痕；圖2c是掛架減振塊上橡膠脫落后的情況。由圖2b中孔周圍的黑色痕跡及磨損印痕可以判斷，在掛架失效前，掛架上固定的橡膠減振塊與掛架發生了強烈的磨擦，也就可判斷發動機在掛架失效前發生了劇烈的振動，振動導致了減振塊從掛架上脫落，從而引發更大的振動，導致掛架斷裂而失效。由以上分析可知，過度振動是引發事故產生的根本原因，只有找到引發振動的原因，才可能從根本上解決此類事故的再度發生。

圖2 發動機掛架斷裂部位

1.3 掛架界面微觀分析

圖3為掛架失效后對失效部件進行的進行了斷面的宏觀及微觀分析，圖3a為發動機掛架減振塊橡膠與鋼質嵌塊斷裂后的界面宏觀照片。由圖3a可以看出，中間部分為白色鋼質，周圍為黑色橡膠，可以判斷兩者之間的斷裂為混合型斷裂形式，在中間局部區域橡膠與鋼材結合性不好，從而導致從界面開裂；周圍區域從橡膠內部斷裂，這說明在此區域內橡膠與鋼材之間結合強度好，從而在橡膠內部開裂；圖3b為減振塊斷裂界面的光學顯微照片（×50），由圖可以看出，橡膠上有許多微裂紋及孔洞（圖中箭頭所指處），工作過程中在這些區域產生了應力集中，導致了橡膠從此界面處斷裂；圖3c為掛架斷裂的斷面宏觀照片，可以看到明顯撕裂唇，是由于受力明顯超過其強度極限造成的。

1.4 發動機掛架失效原因及改進方法

由以上分析可知，發動機掛架斷裂的主要原因是由于發動機振動過大，從而引起橡膠減振塊上的鋼質螺栓從兩者的界面上斷裂，斷裂的原因可能由于兩者的界面結合不好，加之橡膠中有細小的缺陷（裂紋、孔洞等）導致了減振塊脫落，從而導致掛架斷裂。

經過測試，發動機振動過大不是發動機本身的問題，經分析可能由于安裝在發動機輸出軸上的螺旋槳葉片、槳榖及相關配件動平衡存在問題引起的。在接下來的測試中，首先將槳葉片、槳榖及相關的配件進行動平衡檢測，并經過相關處理，使其達到動平衡的相關技術指標，再將其安裝到發動機輸出軸上，并改用了通孔型減振塊，也避免了減振塊失效帶來的風險。沒有再出現發動機懸掛件失效的問題。

圖3 發動機掛架及減振塊斷裂部位

2 結束語

通過對掛架減振塊、掛架的斷口宏觀、微觀分析、嚴判，找到了發生發動機掛架失效斷裂的根本原因，并對相關的結構進行了檢測及改進，消除了安全隱患，避免了相同事故的發生。建議后續增加系統的動平衡檢測，并做好質量預防，盡量減少此類質量問題發生。