某型航空發動機點火電纜金屬編織套斷裂故障分析

范旭東

（海裝駐常州地區軍事代表室，江蘇 常州213022）

0 引 言

某型航空發動機例行試驗至469 h，檢查發現發動機右側點火電纜的金屬編織套銅絲出現斷裂，斷裂位置在安裝點火電嘴一端處于焊合和未焊的過渡區域，如圖1所示。

1 點火電纜簡介

1.1 點火電纜結構及功用

航空發動機電點火系統是發動機地面起動及空中再啟動的核心部件，主要作用于點燃燃燒室內的油氣混合物，電點火系統主要由點火裝置、點火電嘴和點火電纜組成，其中點火電纜是電點火系統的主要部件[1-2]。

該型發動機點火電纜主要由彈性接頭、芯線、氟塑料套管和電纜保護套等組成，主要功能是將點火器產生的高壓電能脈沖傳輸給點火電嘴。其中，電纜保護套由金屬軟管和接頭組成，金屬軟管與兩端接頭通過手工火焰釬焊連接。

航空發動機用屏蔽軟管的外層為雙層黃銅編織套24錠，4股，φ0.3 mm黃銅絲（簡稱金屬編織套），內層為航空發動機用不銹鋼軟管，兩端通過手工火焰釬焊合在一起后形成金屬軟管。金屬軟管的主要功能是保護芯線、電磁屏蔽和降低線路電阻。

1.2 點火電纜結構及功用

圖1 金屬編織套斷裂圖

每臺該型發動機安裝兩根點火電纜，分別在燃燒室機匣上方的左、右兩側。點火電纜的一端與點火器連接，另一端與點火電嘴連接。其中，左側點火電纜的金屬軟管折彎半徑較大且由支架固定，右側點火電纜的金屬軟管折彎半徑較小且無固定措施，為懸臂狀態。

此次為右側點火電纜的金屬編織套在靠近點火電嘴處斷裂，如圖2所示。

圖2 點火電纜的安裝位置

2 故障金屬編織套復查

2.1 失效分析

對金屬編織套斷裂位置斷口進行了金相組織、硬度檢測等方面檢查，可以分析得出：

1）點火電纜金屬編織套在焊接與未焊接處斷裂，斷裂斷口無塑性變形，斷口上擴展棱形清晰，局部位置可見細密的疲勞條帶，因此點火電纜金屬編織套斷裂性質為疲勞。

2）從金屬編織套上銅絲的組織檢查結果來看，銅絲存在結晶粒度不一的現象，其焊接部分結合面積也有所不同，銅絲組織的不均勻性和焊接質量可能影響金屬編織套的疲勞抗力。

2.2 故障樹建立

為了找出可能導致點火電纜金屬編織套斷裂故障的原因，從發動機點火電纜金屬編織套的質量情況、受應力等方面進行了梳理，并建立故障樹[3-4]，最終確定7個底事件，如圖3所示。

圖3 點火電纜金屬編織套斷裂故障樹

2.3 焊接缺陷

電纜保護套焊接和金屬軟管焊接均為手工火焰釬焊，針對焊接缺陷底事件，從人、機、料、法、環五個方面進行排查[5]。

1）人員方面。該批金屬軟管、電纜保護套的焊接人員具備焊接資質，未發生變化，該因素可以排除。

2）設備方面。該批金屬軟管、電纜保護套的焊接使用的設備為H01-2型火焰釬焊焊槍，未發生變化，設備經檢定合格且在有效期內，該因素可以排除。

3）材料方面。該批金屬軟管、電纜保護套的焊接使用釬料為HL312，經復查合格，該因素可以排除。

4）方法方面。通過復查工藝規程、隨件單及實物對焊接方法進行驗證，發現存在以下問題：a.金屬軟管設計圖樣要求焊接有效長度為13 mm，實際有效長度約為30～40 mm，釬焊設計圖樣要求僅在接頭與金屬軟管連接處進行焊接，零件實際加工后焊縫長度為28～38 mm（故障件為30 mm）；b. 工藝規程規定加工過程中火焰釬焊焊槍需加熱軟管至600 ℃進行焊接，由于火焰釬焊焊槍無法定量控制溫度，實際焊接時由工人目視觀察釬料的熔化狀態進行焊接。該因素不可以排除。

5）環境方面。對該批次金屬軟管、金屬保護套焊接的環境和條件進行調查，火焰釬焊工序在同一廠房焊接間進行，按焊接溫度、濕度要求實施控制，未發生變化，該因素可以排除。

2.4 金屬軟管不合格

金屬軟管原材料為航空發動機用屏蔽軟管材料，執行Q/HYAP13-91標準，針對航空發動機用屏蔽軟管不合格，從原材料、產品尺寸、產品出廠試驗等方面進行排查。其中，通過對相關原始資料復查，可以排除原材料不合格和產品尺寸不合格兩個因素。而在檢查產品出廠試驗時發現存在問題：按照材料標準Q/HYAP13-91要求，航空發動機用屏蔽軟管出廠前應進行氣密性試驗和彎曲性能試驗，廠家提供的報告僅記錄氣密性試驗，無彎曲性能試驗記錄。產品彎曲性能試驗不合格會導致在使用過程中出現金屬編織套破損的現象，該因素不可排除。

2.5 金屬軟管受應力過大

2.5.1 安裝應力過大

點火電纜在發動機上的安裝情況如圖2所示，為懸臂結構，且存在180°折彎，點火電纜安裝后應力集中主要在折彎處及焊合與非焊的交界處。經設計復查，該點火電纜在外場使用過程中出現過干涉現象，其長度由原來的430 mm縮短為370 mm，金屬軟管縮短使得點火電纜安裝應力更為集中，可能會在焊合與非焊的交界處出現應力過大[6]的情況。

裝配工藝文件中未明確規定點火電纜安裝時先安裝點火電嘴端還是點火器端，若先將點火器端安裝固定，在安裝點火電嘴一端時，由于這一端存在一段彎管，為保證點火電嘴安裝角度合適，可能會將點火電纜進行扭轉，這就使得點火電纜存在一定的扭轉應力，導致在焊合與非焊的交界處出現應力過大的情況。

2.5.2 振動應力過大

1）發動機振動異常。該發動機在整個長試過程中按要求對燃氣發生器轉子、自由渦輪轉子的振動進行全程動態跟蹤監控。發動機在穩定狀態下運轉及加、減速變換功率狀態過程中均未出現異常振動或振動值突變現象。即使在測功器出現負載波動的期間，重點關注了發動機自由渦輪振動水平，振動水平很低，未見異常。該因素可排除。

2）發動機工作過程中點火電纜發生共振。對點火電纜自由狀態下的振動頻率進行測量，一階振動頻率約為39 Hz，在發動機工作過程中發生共振的可能性較小，該因素可排除。

3）懸臂結構增加斷裂位置的振動應力。點火電纜金屬編織套在焊接和未焊接的交界處出現疲勞斷裂，斷口起源于銅絲表面，呈現兩側對稱疲勞起源擴展，源區無冶金缺陷。從右側點火電纜在發動機上的安裝方式看，點火電纜兩端分別連接點火器和點火電嘴，中間很長一段懸空，點火電纜為金屬件，有一定的質量，這種懸臂結構在隨發動機工作的情況下，自重會導致在兩頭固定處出現較大的振動應力。此外，金屬編織套在固定處的具體斷裂位置上，正好處于焊合和未焊的交界處，此位置對于通過焊接將金屬編織套固定在不銹鋼波紋管上的結構來說，是金屬編織套自由和約束狀態的分界點，即金屬編織套的承力點，因此點火電纜金屬編織套的疲勞斷裂應與點火電纜懸臂結構帶來的振動有關。該因素不可排除。

3 故障結論

上述7個底事件排查結果見表1。通過故障分析可知，該發動機點火電纜金屬編織套斷裂的主要原因為：1）在焊接與非焊接的交界處存在較大應力集中；2）焊接長度過長，同時焊接溫度、位置、時間等因素無法定量控制導致金屬軟管焊接質量差，降低了金屬編織套的抗疲勞能力；3）在外部振動條件下產生疲勞斷裂。

4 故障措施

4.1 近期措施

1）適當增加金屬軟管長度；2）加強對金屬軟管材料質量管控，材料入廠時對尺寸、出廠性能等試驗項目進行復驗；3）控制金屬軟管焊接長度，通過工藝試驗調整焊接工藝參數，保證在合適長度內進行焊接作業；4）細化焊接工藝，納入釬焊操作指導書，進行工藝試驗，規定火焰位置、零件受熱位置、乙炔流量、零件受熱時間等參數；5）細化點火電纜裝配工藝，安裝點火電纜時，先安裝點火電嘴端，后安裝點火器端，減少點火電纜安裝時的扭轉應力。

表1 故障原因確認表

4.2 后期措施

1）研究點火電纜增加安裝固定支架的可行性；2）開展點火電纜改進設計工作，主要改進措施為采用金屬編織套為不銹鋼材料的金屬軟管，采用氬弧焊焊接。