一種復(fù)合結(jié)構(gòu)箍帶斷裂失效分析

孫越，張栓，劉洋，遲岑

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，沈陽110043）

0 引言

箍帶組件是一種快卸或可拆卸式卡箍[1]，多用于支撐和固定管路、堵蓋等。箍帶組件對管路具有調(diào)節(jié)固有頻率和降低振動應(yīng)力的作用，可有效改善管路的系統(tǒng)動態(tài)特性，是保障管路系統(tǒng)使用安全性的重要部件[2]。

箍帶組件的失效問題時有發(fā)生，其失效形式主要以斷裂為主。國內(nèi)有研究人員對箍帶組件的失效問題原因進行了深入分析：呂鳳軍、燕翔、陳亞莉[3-5]研究了制造工藝對箍帶組件斷裂失效問題的影響；李洋[6]通過斷口分析及仿真計算分析獲得箍帶組件的應(yīng)力分布形式，為提高結(jié)構(gòu)強度提供依據(jù)。

針對一種短時工作后多發(fā)的復(fù)合結(jié)構(gòu)箍帶斷裂故障，本文從箍帶原材料、設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸、實物質(zhì)量、生產(chǎn)及使用要求和強度等方面進行排查分析，并最終確定問題產(chǎn)生的原因，制定了相應(yīng)改進措施，提高了產(chǎn)品的使用安全可靠性。

1 故障現(xiàn)象描述

圖1 箍帶組件斷裂位置示意圖

在交付客戶前，對某產(chǎn)品在廠內(nèi)進行短時磨合工作，多次發(fā)現(xiàn)用于固定增壓泵至主燃油濾進口油管的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)箍帶組件發(fā)生斷裂。其斷裂位置均為箍帶與支架焊接位置，損傷部件均為箍帶本體，如圖1所示。

此種復(fù)合結(jié)構(gòu)箍帶組件由支架、箍帶、拉桿、軸套及螺母構(gòu)成，支架與箍帶之間采用電阻點焊方式連接，支架端通過轉(zhuǎn)接支架固定于附件機匣殼體上。箍帶組件的裝配狀態(tài)如圖2所示。

圖2 箍帶組件裝配狀態(tài)示意圖

2 故障分析

結(jié)合箍帶組件發(fā)生失效問題時相關(guān)零組件的損傷情況，可以判斷箍帶斷裂為該問題的頂事件。列出可能引發(fā)箍帶斷裂的各影響因素作為底事件，建立故障樹[2,7]如圖3所示。

圖3 故障樹分析圖

根據(jù)圖3所列故障樹各底事件，對箍帶的原材料、斷口分析、設(shè)計、制造、裝配工藝及使用過程進行復(fù)查，對各影響因素逐項排查，結(jié)合分析、驗證以確定斷裂問題產(chǎn)生的原因。

2.1 箍帶原材料復(fù)查

2.1.1 材料特性分析

箍帶材料為0Cr18Ni9，是一種奧氏體不銹鋼，該材料具有良好的焊接性能及耐腐性，因此應(yīng)用范圍十分廣泛。該材料冷變形后可有效提高強度，因此設(shè)計選用的箍帶為半冷作硬化狀態(tài)不銹鋼冷軋帶，其抗拉強度σb≥930 MPa，拉伸率δ5≥7%。此種材料狀態(tài)的箍帶在各型產(chǎn)品上均大量采用，經(jīng)強度校核，具有較高強度儲備，且工作過程中使用可靠性較高。

2.1.2 箍帶實物情況

1）化學(xué)成分。斷裂箍帶的能譜分析結(jié)果如表1所示，實測箍帶的主要化學(xué)元素質(zhì)量百分比符合設(shè)計材料標(biāo)準(zhǔn)（GJB 3321-1998）要求，斷裂箍帶的材料確定為0Cr18Ni9合金。2）力學(xué)性能。對斷裂箍帶進行維氏硬度檢測，測量結(jié)果為328 HV，符合硬度不小于310 HV的性能要求。3）金相組織。對斷裂箍帶的金相組織進行顯微觀察，其奧氏體特征明顯，與箍帶實測硬度應(yīng)有的顯微組織相符，未見異常。

表1 能譜分析結(jié)果 %

圖4 箍帶金相顯微組織

2.1.3 材料出廠質(zhì)量及入廠復(fù)驗

復(fù)查斷裂箍帶所在批次的箍帶原材料不銹鋼冷軋彈簧帶《產(chǎn)品合格證》，其原材料供應(yīng)商已按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將產(chǎn)品各項指標(biāo)檢測合格出廠；復(fù)查斷裂箍帶所在批次的箍帶原材料不銹鋼冷軋彈簧帶《入廠檢驗記錄》，其產(chǎn)品合格證明、化學(xué)成分、交貨狀態(tài)、力學(xué)性能數(shù)據(jù)及外觀質(zhì)量等均經(jīng)廠內(nèi)相關(guān)檢驗人員復(fù)驗合格后入庫。通過箍帶原材料復(fù)查，可以排除底事件X1、X2、X3。

2.2 斷口分析

如圖5所示，對箍帶的斷口形貌特征進行宏觀觀察：1）斷口顏色。斷口呈亮灰色，焊點根部可見輕微氧化色，無夾雜物等外來物的顏色。2）斷口紋樣。整個斷口可見明顯放射線臺階和弧線擴展形貌，斷口為多源疲勞斷口，疲勞起源于箍帶外表面焊點根部，并向中間及左右兩側(cè)擴展。3）斷口邊緣情況。斷口邊緣較為平整，無機械損傷痕跡；下邊緣焊點根部未見裂紋、燒傷等冶金缺陷。4）斷口冶金缺陷。斷口無夾雜、晶粒粗大、白斑等缺陷，也無外來異金屬。

圖5 箍帶斷口宏觀形貌圖

根據(jù)上述觀察結(jié)果，分析認(rèn)為：焊點斷口呈疲勞臺階形貌，為多源疲勞斷口。裂紋從箍帶外表面的兩焊點根部位置起始，并由外表面向內(nèi)表面及兩側(cè)擴展并最終斷裂。表明箍帶不是受到突增應(yīng)力作用導(dǎo)致的瞬斷，而是在綜合應(yīng)力作用下導(dǎo)致的疲勞斷裂。通過斷口分析，可以排除底事件X4、X6。

2.3 設(shè)計復(fù)查

對設(shè)計狀態(tài)下箍帶組件的受力情況進行仿真分析。箍帶組件裝配后，其工作狀態(tài)如圖2所示：支架上端孔處通過轉(zhuǎn)接支架固定于發(fā)附機匣，工作過程中，由于箍帶組件整體隨整機振動，故認(rèn)為其受到垂直方向（Y軸正向）的載荷。

根據(jù)箍帶組件的實際失效情況：箍帶與支架焊接處發(fā)生斷裂破壞，其余零件未見損傷。因此建模過程中，僅對支架及箍帶建立有限元模型，其余零件（包括拉桿、軸套及螺母）均以質(zhì)量參與的方式在仿真過程中予以體現(xiàn)[8-9]，有限元模型如圖6所示。

對模型相關(guān)節(jié)點進行約束并施加載荷，模擬振動條件下箍帶受載強度分析計算。通過仿真計算，箍帶組件的應(yīng)力云圖如圖7所示。計算結(jié)果表明，箍帶最大應(yīng)力出現(xiàn)在與支架焊接處外側(cè)第一排焊點周圍，最大應(yīng)力值為404 MPa，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，與受力分析及實際失效情況相吻合。

仿真計算結(jié)果表明，在模擬常規(guī)工作環(huán)境下，箍帶組件的最大應(yīng)力值遠低于箍帶材料的抗拉強度指標(biāo)（930 MPa），表明箍帶組件的設(shè)計強度可以滿足使用要求。但在箍帶組件靠近支架孔端第一排焊點處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。箍帶與支架焊點處應(yīng)力集中可能是引發(fā)箍帶斷裂的影響因素。

圖6 箍帶組件有限元模型

圖7 箍帶組件應(yīng)力云圖

2.4 制造工藝復(fù)查

2.4.1 結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)測

經(jīng)對斷裂的箍帶組件的支架角度、箍帶直徑、支架與箍帶焊點位置、箍帶兩側(cè)焊點位置等關(guān)鍵尺寸檢測，均符合設(shè)計圖樣技術(shù)要求。因故障箍帶已經(jīng)斷裂，無法測量箍帶直徑尺寸，故選擇斷裂箍帶所在批次的其余箍帶進行了測量。

2.4.2 工藝生產(chǎn)過程

箍帶零件現(xiàn)行有效設(shè)計圖為A版設(shè)計圖，未發(fā)生過更改。對斷裂箍帶所在批次加工工藝路線進行檢查，確認(rèn)其毛料表面處理、除污、沖切、拋光、彎曲、壓彎等工藝過程均符合工藝文件要求，并經(jīng)100%檢驗合格入庫。

復(fù)合結(jié)構(gòu)箍帶組件現(xiàn)行有效設(shè)計圖為A版設(shè)計圖，未發(fā)生過更改。對箍帶組件加工工藝路線進行檢查，確認(rèn)其拋光、裝配、劃線、點焊、鉗加工等工藝過程均符合工藝文件要求，并經(jīng)100%檢驗，焊接位置尺寸、焊接質(zhì)量等完全符合設(shè)計圖樣要求。通過裝配工藝復(fù)查，可以排除底事件X5。

2.5 裝配工藝復(fù)查

對現(xiàn)行有效設(shè)計圖進行檢查，確認(rèn)其中對箍帶組件的使用無特殊裝配技術(shù)要求。結(jié)合箍帶組件受力仿真分析情況，確定在裝配過程中是否對箍帶組件施加了初始應(yīng)力。復(fù)查裝配工藝文件，文件要求箍帶組件須在導(dǎo)管兩端固定后進行裝配，在將箍帶組件固定到轉(zhuǎn)接支架上之前應(yīng)調(diào)整箍帶位置，保證箍帶組件支架孔與轉(zhuǎn)接支架安裝孔沿管路軸線方向無重疊，并用塞尺檢查箍帶組件與轉(zhuǎn)接支架組件孔下貼合面無間隙。調(diào)整完成后，擰緊箍帶組件螺母即可，擰緊力矩要求2.0～2.5 N。通過裝配工藝復(fù)查，可以排除底事件X8。

2.6 工作過程復(fù)查

與同型其它產(chǎn)品相比，裝用故障箍帶組件的產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)及工作狀態(tài)要求均未發(fā)生改變，工作振動環(huán)境基本一致。且復(fù)查產(chǎn)品的廠內(nèi)工作過程，未發(fā)現(xiàn)在工作階段內(nèi)出現(xiàn)振動超標(biāo)的情況。通過工作過程復(fù)查，可以排除底事件X9、X10。

3 故障機理分析

從箍帶斷裂故障樹中所列各因素分析得出如下結(jié)論：1）箍帶組件仿真計算結(jié)果表明，箍帶與支架焊接處外側(cè)第一排焊點為應(yīng)力集中位置，且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。2）失效箍帶斷口存在明顯放射線臺階和弧線擴展形貌，為多源疲勞斷口，證明箍帶不是因受到瞬時突增應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p傷斷裂。

據(jù)此可以確定箍帶斷裂的原因是：工作過程中箍帶組件處于較大的振動環(huán)境下，箍帶及支架受到焊接內(nèi)應(yīng)力及振動應(yīng)力的綜合作用力，在箍帶組件外表面兩焊點處形成應(yīng)力集中；而箍帶與支架材料相同，但其厚度小于支架，故疲勞性能低于支架[10]，因此疲勞破壞從應(yīng)力集中的焊點位置起始，并穿透箍帶發(fā)生斷裂。

4 危害性分析

從箍帶功能角度分析箍帶斷裂對管路焊縫處的動應(yīng)力是否產(chǎn)生影響，以及產(chǎn)生何種程度的影響。為了驗證箍帶斷裂后管路焊縫處的動應(yīng)力是否在允許范圍內(nèi)，進行了多次模擬工況試驗并測量其動應(yīng)力值。如圖8所示，試驗時，首先測量原狀態(tài)下管路間連接處焊縫（位置1）及與增壓泵連接端焊縫處（位置2）動應(yīng)力值，然后將箍帶組件拆下，在管路連接的自由狀態(tài)下，對上述兩處焊縫位置的動應(yīng)力進行測量，測量結(jié)果如表2所示。

圖8 動應(yīng)力測量應(yīng)變片位置示意圖

表2 動應(yīng)力測量結(jié)果

從動應(yīng)力測量結(jié)果看，箍帶組件拆下后，管路動應(yīng)力值雖有所增加，但兩種狀態(tài)下的動應(yīng)力均符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。因此正常工作狀態(tài)下，箍帶發(fā)生斷裂不會引發(fā)管路的振動應(yīng)力突升并造成管路斷裂等嚴(yán)重后果。

5 改進措施

針對復(fù)查及分析結(jié)果，制定改進措施如下：將原結(jié)構(gòu)箍帶組件由支架與箍帶點焊連接結(jié)構(gòu)改為拉桿對拉桿機械連接結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)改進消除了原焊點位置的應(yīng)力集中及板材厚度差異對箍帶疲勞性能的影響。

對改進結(jié)構(gòu)的箍帶組件所固定的導(dǎo)管進行動應(yīng)力測量，測量結(jié)果符合要求。經(jīng)長時效仿工況試驗驗證，箍帶及所固定的導(dǎo)管情況均良好，證明改進措施正確有效。

6 結(jié)論

通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)箍帶組件的箍帶斷裂失效問題進行系統(tǒng)分析與研究，建立故障樹，對原材料、設(shè)計、制造、裝配等各環(huán)節(jié)中可能造成問題的各因素進行逐項排查，最終找出了問題產(chǎn)生的原因，并制定了改進結(jié)構(gòu)、消除應(yīng)力集中的措施。經(jīng)驗證，改進措施正確、有效，并在后續(xù)使用過程中未再發(fā)生此類故障，對提升產(chǎn)品質(zhì)量及使用可靠性具有積極的指導(dǎo)和借鑒意義。