某輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣機(jī)匣連接安裝座裂紋故障分析

劉雨澄 李東杰 馮立勇

摘 要：本文針對(duì)某輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣機(jī)匣連接安裝座裂紋故障進(jìn)行分析，建立了故障樹，結(jié)合分解檢查及地面試驗(yàn)等分析，找出了故障原因，并提出改進(jìn)措施，為解決類似的裂紋故障提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輔助動(dòng)力裝置;裂紋;分析及改進(jìn)

中圖分類號(hào)：V263.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0074-03

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋故障是發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障，同時(shí)也是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響很大的故障[1]。輔助動(dòng)力裝置（簡(jiǎn)稱APU）進(jìn)氣機(jī)匣連接安裝座的主要作用是連接、固定進(jìn)氣機(jī)匣上、下部組件，保證APU進(jìn)氣順暢。連接安裝座產(chǎn)生裂紋，會(huì)造成進(jìn)氣機(jī)匣上、下組件連接松動(dòng)，導(dǎo)致進(jìn)氣機(jī)匣密封性降低，使APU艙內(nèi)混合油氣的空氣被吸入，造成飛機(jī)內(nèi)部空氣污染，對(duì)駕駛員及乘客帶來健康方面的危害。因此有必要重視連接安裝座裂紋故障問題。本文將徹底分析連接安裝座裂紋故障的原因，并提出改進(jìn)措施。

1 故障現(xiàn)象

某APU經(jīng)過外場(chǎng)飛行300h后進(jìn)行地面檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣機(jī)匣多個(gè)連接安裝座發(fā)生斷裂，8個(gè)連接安裝座出現(xiàn)3個(gè)連接安裝座完全斷裂，2個(gè)連接安裝座焊縫處開裂，具體見圖1。

2 斷口分析

對(duì)斷裂的安裝座斷口進(jìn)行超聲波清洗后，在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，檢查結(jié)果見圖2～圖3。

連接座中間基體折彎處斷口起源于內(nèi)側(cè)表面，呈多個(gè)點(diǎn)源或小線源，源區(qū)未見冶金缺陷（圖2a），擴(kuò)展區(qū)可見細(xì)密的疲勞條帶（圖2b、2c）。焊縫處斷口可見明顯焊接氣孔缺陷（圖3a，3b），且存在疲勞條帶（圖3c）。

對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明。焊縫區(qū)存在大量氧元素，焊縫斷口邊緣含氧9.4%，焊縫斷口心部達(dá)13.36%。氧元素的大量存在是因?yàn)楹缚p氧化導(dǎo)致。

對(duì)斷裂的安裝座進(jìn)行金相檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)由三層組織構(gòu)成，焊縫處可見氣孔缺陷和未焊透缺陷（圖4，圖5）。

根據(jù)上述檢查初步得到如下結(jié)論：

（1）連接座斷口可見疲勞條帶，斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)條帶細(xì)密，說明其擴(kuò)展應(yīng)力不大，為安裝座工作過程中承受的振動(dòng)應(yīng)力，但從疲勞起源看，源區(qū)為密集多源，說明起裂應(yīng)力較大，說明起始應(yīng)力除工作中承受到的振動(dòng)應(yīng)力外，還疊加了其他的應(yīng)力來源。

（3）焊縫處有未焊透缺陷;焊縫區(qū)由三個(gè)區(qū)域組成，導(dǎo)致有效受力面積減小，實(shí)際應(yīng)力增大;能譜分析顯示，焊縫內(nèi)表面焊料區(qū)有較高的氧元素，表明焊縫存在氧化現(xiàn)象。

3 故障分析

3.1 故障樹建立

根據(jù)第2節(jié)得出的結(jié)論我們建立故障樹（圖6），共6個(gè)底事件。

3.2 故障樹分析

3.2.1 設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足（X1）

連接安裝座材料為TA2合金，性能見表1。

根據(jù)計(jì)算當(dāng)連接安裝座受到載荷為414.4N～518N時(shí)，安裝座焊縫處最大應(yīng)力開始接近最低屈服極限320MPa，當(dāng)載荷施加到621.6N～725.2N時(shí)，安裝座焊縫處最大應(yīng)力開始接近最低斷裂強(qiáng)度440Mpa。

進(jìn)氣機(jī)匣上下組件裝有橡膠，由于橡膠厚度，設(shè)計(jì)間隙最大為0.5mm。用制造安裝合格的進(jìn)氣機(jī)匣組件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，測(cè)試結(jié)果見圖7。

通過試驗(yàn)結(jié)果，可知使進(jìn)氣機(jī)匣組件壓縮0.5mm間隙的載荷為153.7N，此時(shí)連接座受到的最大載荷為153.7N/4=38.43N。遠(yuǎn)低于強(qiáng)度極限。因此設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求，排除X1底事件。

3.2.2 進(jìn)氣機(jī)匣超差（X2）

對(duì)故障件進(jìn)氣機(jī)匣上、下部的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)同軸度尺寸嚴(yán)重超差，具體測(cè)量結(jié)果見表2。

測(cè)量故障件上、下連接安裝座中間間隙，結(jié)果為1.468mm，遠(yuǎn)超額定值，對(duì)故障件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，結(jié)果見圖8。

根據(jù)圖8的測(cè)試結(jié)果，換算此時(shí)連接安裝座受到的載荷為721.4N，超過最低斷裂極限強(qiáng)度。因此不能排除X2底事件。

3.2.3 連接安裝座超差（X3）

對(duì)樣件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)一般公差HB5800，連接安裝座尺寸未超差。排除底X3底事件。

3.2.4 零件焊接工藝差（X4）

通過微觀檢查和金相檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫存在焊接氣孔缺陷和未焊透缺陷。通過能譜分析，發(fā)現(xiàn)焊縫處存在較高的氧元素含量，焊縫存在氧化現(xiàn)象，焊縫氧化會(huì)造成安裝座塑性和韌性降低。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)焊接時(shí)存在氬氣純度不足和焊接工裝鎢極伸出長度選擇不當(dāng)?shù)膯栴}，不能對(duì)焊接處進(jìn)行全方位的有效保護(hù)，造成氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。且進(jìn)行氬弧焊后，未進(jìn)行熱處理來消除焊接殘余應(yīng)力，APU長期工作中，連接安裝座焊縫處的焊接應(yīng)力會(huì)釋放，造成安裝座起始應(yīng)力偏大。故不能排除X4底事件。

3.2.5 裝配時(shí)偏載（X5）

裝配時(shí)偏載主要是由于擰緊力松緊不均、螺栓非對(duì)稱擰緊造成。但在工藝規(guī)定中，明確了螺栓擰緊力矩、采用對(duì)稱擰緊等具體要求，調(diào)查裝配記錄，裝配時(shí)均按照工藝要求進(jìn)行。排除X5底事件。

3.2.6 安裝座受到大的振動(dòng)應(yīng)力（X6）

廠內(nèi)已進(jìn)行多臺(tái)APU試車，在試車過程中未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)大等異常情況，試車各項(xiàng)參數(shù)也在合格范圍之內(nèi)，另外場(chǎng)飛行振動(dòng)參數(shù)記錄值正常，外場(chǎng)工作過程中未出現(xiàn)振動(dòng)值突增或超標(biāo)等異常情況，故排除X6底事件。

3.3 故障機(jī)理

根據(jù)上述故障分析表明得到以下結(jié)論：

（1）進(jìn)氣機(jī)匣上、下部件同軸度嚴(yán)重超差，造成上下連接安裝座間隙過大，導(dǎo)致為消除這個(gè)間隙，在裝配時(shí)產(chǎn)生了過大的裝配應(yīng)力，使連接安裝座內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋，當(dāng)安裝座受到很小的振動(dòng)應(yīng)力時(shí)，裂紋會(huì)向外擴(kuò)展，最終造成連接安裝座的疲勞斷裂。

（2）連接安裝座進(jìn)行氬弧焊時(shí)氬氣純度不足以及焊接時(shí)鎢極伸出長度選擇不當(dāng)，使得電弧長度過長，降低了氬氣保護(hù)效果，導(dǎo)致焊縫氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，使安裝座塑性大幅度降低，加上焊接情況也導(dǎo)致有效受力面積減小，進(jìn)一步使實(shí)際應(yīng)力增大，最終導(dǎo)致連接安裝座極易斷裂。

4 排故措施及驗(yàn)證

根據(jù)故障原因及機(jī)理分析，制定以下措施：

（1）加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督檢查，在裝配前確保每一個(gè)零組件的加工狀態(tài)與圖紙相符。

（2）更換氬氣，選擇純度達(dá)到99.999%的產(chǎn)品;調(diào)整鎢極伸出長度，確保氬氣保護(hù)效果;確保焊接時(shí)的工藝到位。

（3）更改連接安裝座材料由TA2（σb=440MPa）更改為GH3625（σb=830MPa）提高材料強(qiáng)度和焊接性能;在貫徹改進(jìn)措施之后，將APU交給外場(chǎng)試飛400h驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)連接安裝座裂紋現(xiàn)象，故改進(jìn)措施合理有效。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某型APU進(jìn)氣機(jī)匣連接安裝座裂紋的故障，建立了詳細(xì)故障樹，通過逐一排除底事件，最終找出了故障原因，提出了改進(jìn)措施，貫徹改進(jìn)措施后，再?zèng)]有發(fā)生連接安裝座裂紋故障，說明改進(jìn)措施的有效性，為解決該類裂紋故障提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋兆泓，陳光，張景武，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.