一種固定滑油箱用箍帶斷裂失效分析及排除

孫越，遲岑，劉碩，馬曉微

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043）

0 引言

滑油系統的功能是保障摩擦機件的潤滑、帶走傳動件產生的熱量、凈化運轉磨產生的金屬微粒、在金屬表面形成油膜防止金屬氧化和腐蝕[1-2]。滑油箱是滑油系統中存儲滑油的部件，裝配后需采用箍帶在兩側對其進行固定，保證工作可靠穩定。

本文針對一種隨產品短時工作發生斷裂的滑油箱箍帶，從設計結構、材料強度、制造符合性、裝配符合性、產品工作過程受力仿真分析并結合理化檢測等方面進行排查分析[2]，最終確定了問題產生的原因，制定了相應改進措施，提高了產品的使用安全可靠性。

1 現象描述

一件用于固定滑油箱的支架組件隨產品短時間工作后，檢查發現其箍帶發生斷裂問題。斷裂位置為箍帶與支架間銷軸連接處，如圖1所示。箍帶本體發生斷裂，同時，支架上滑油箱定位銷安裝U形孔發生磨損。

圖1 滑油箱箍帶斷裂位置示意圖

2 滑油箱支架組件技術狀態及作用

滑油箱支架組件由支架、箍帶、膠帶、膠片、小軸、開口銷等組成，支架與箍帶之間由小軸穿插連接，裝配開口銷防止脫出，膠帶與膠片分別裝配于箍帶及支架，防止與滑油箱發生接觸磨損。發生斷裂的箍帶材料標準規格為TC1，GJB 2505-1995，技術要求σb≥930 MPa。采用板材線切割+成型加工方法制造。裝配時，支架組件通過支架下方的螺栓孔安裝與機匣安裝邊上，滑油箱定位銷落于支架上的滑油箱安裝孔內，再用箍帶將滑油箱兩側箍緊，保證工作過程中滑油箱穩定固定。

3 故障樹分析

針對滑油箱支架組件箍帶斷裂情況，從設計、加工、裝配、工況等方面進行分析，并建立故障樹，開展排查、驗證，如圖2所示。

圖2 故障樹分析圖

3.1 設計復查

3.1.1 結構合理性復查

滑油箱支架組件為典型結構件，應用十分廣泛。支架組件的箍帶兩側采用壓彎機壓彎成型后點焊固定，結構如圖3所示。

圖3 箍帶正視結構示意圖

與其它同類結構滑油箱支架組件進行對比，斷裂箍帶與支架連接側的彎曲半徑設計尺寸更大，其余件結構尺寸均無變化。但分析認為，箍帶彎曲半徑尺寸的變化有利于緩解制造壓彎過程中產生的應力，不是引起箍帶斷裂的原因。箍帶所固定的滑油箱，與其它同類結構滑油箱對比，僅與管路的接口結構發生變化，分析認為對箍帶斷裂無影響。因此排除底事件X1。

3.1.2 材料強度復查

斷裂箍帶的材料為TC1 /GJB 2505-1995，其它同類箍帶產品的材料主要為30CrMnSiA / GJB2151-94。經查材料標準，30CrMnSiA/GJB2151-94的抗拉強度為540～735 MPa，TC1/GJB 2505-1995 的抗拉強度為590 ～735 MPa，基本相當。因此可以排除底事件X2。

3.2 制造符合性復查

3.2.1 制造工藝文件復查

箍帶現行有效設計圖為B版，主要是對電阻焊接質量驗收標準進行更改；支架現行有效設計圖為F版，主要是為了方便工藝對導圓角的規定進行更改；滑油箱支架組件現行有效設計圖為D版，主要是明確支架與膠片之間的粘接要求。上述更改均已貫徹至工藝文件中。

復查滑油箱支架組件、箍帶及支架的制造加工工藝規程，均滿足設計圖紙要求。為了提高生產效率，緩解鉗工壓力，辦理了1份臨時工藝規程，將支架的鉆孔并锪窩工序由夾具及搖臂鉆改為在數控設備上進行，相關尺寸由數控程序保證。工藝規程更改情況以及辦理的臨時工藝文件不存在驗證不充分的工藝方法或環節。因此可以排除X4底事件。

3.2.2 生產過程復查

復查斷裂批次箍帶，生產過程符合工藝文件要求，經并經100%檢驗，箍帶尺寸、焊接位置尺寸、焊接質量等完全符合設計圖要求；滑油箱支架組件經檢驗合格入庫，生產過程符合工藝文件要求。配套支架所在批次，生產過程符合工藝文件要求，首檢合格入庫。

經上述復查，箍帶、支架及支架組件的流卡及檢驗記錄齊全，未見異常。因此可以排除X5底事件。

3.2.3 結構尺寸復測

由于箍帶已斷裂，只對其可測量位置的尺寸進行復測，測量尺寸均合格，排除X7底事件。

由于支架組件為一對，復查滑油箱上、下兩支架尺寸，發現中部為U形孔的支架，除孔靠近安裝邊一側邊緣磨損外，其余尺寸均符合設計要求；中部為O形孔的支架，孔心距離基準平面的距離尺寸超差。

圖4 支架結構及超差尺寸示意圖

其余機件尺寸經測量均符合設計要求。

3.3 裝配符合性復查

滑油箱支架組件（一對），用六角頭螺栓、六角自鎖螺母固定于機匣安裝邊上。在滑油箱支架上安裝滑油箱，用轉接器將箍帶上雙頭螺栓按設計要求擰緊力矩進行擰緊，用鎖緊鎖絲。將擰緊力矩提交檢驗員檢驗。

從裝配符合性復查情況來看，滑油箱裝配工藝過程合理，未見異常。同時，滑油箱箍帶槽寬較箍帶尺寸大，且目視檢查即可實現對箍帶是否裝入箍帶槽內進行檢查。因此可以排除X9、X10底事件。

3.4 復查結果分析

針對以上復查結果，對支架尺寸超差的情況進行分析，復查機件加工過程，發現零件加工時以銑平面工序形成的平面和鉆鉸孔形成的的兩個膠片定位小孔為定位基準，在加工區域下型面用兩個可調螺釘作為輔助支撐，壓緊另一側平面底部區域（裝配有效區域）的方式進行裝夾定位，如圖5所示。

圖5 支架零件夾具及模擬加工示意圖

零件裝夾過程中，操作者使用壓板將零件壓緊后，手動調整輔助支撐螺釘，保證輔助支撐與零件緊密貼合，可滿足加工要求。如操作者未頂緊輔助支撐時，輔助支撐與零件表面存在縫隙，加工面受鉆削力影響發生傾斜，就會導致中心孔位置加工尺寸超差。

圖6 理論加工狀態

圖7 故障件加工狀態

支架上的滑油箱定位孔中心位置尺寸超差，O形孔心位置向安裝邊一側偏移，導致上下兩支架定位孔沿產品軸向位置不一致，而滑油箱下殼體上兩定位銷相對位置不變。滑油箱安裝后，會產生扭轉或翹起趨勢，而箍帶定位未發生變化，裝配箍緊后，工作過程中在滑油箱摩擦力的作用下，箍帶受到偏拉力。

4 箍帶受力仿真分析

針對箍帶受到偏拉力情況，采用有限元仿真方法進行受力分析[3]。滑油箱箍帶（后右）材料為TC1，支架材料為ZTC4，查材料手冊，計算時選取室溫時的材料參數。三者裝配結構示意圖如圖1所示。

正常情況下拉力沿著箍帶延伸方向，當存在超差、裝配質量誤差或特殊工況時，箍帶可能還會受到沿著工作方向的載荷，此時拉力不再沿箍帶方向即出現“偏拉”現象，兩種情況示意圖如圖8所示。

圖8 箍帶正常受力及受偏拉力情況

支架下端通過螺栓與機匣連接，在螺栓孔處施加固定約束，如圖9所示。

圖9 約束位置示意圖

根據拉緊箍帶的螺栓力矩，假設箍帶的拉力為2000 N，偏拉時受到沿工作方向的力200 N。這里僅重點對比正拉、偏拉情況在相同拉力作用下的應力差異，而非實際工況結果。計算組件狀態下箍帶正拉和偏拉兩種方案的應力分布情況如圖10、圖11所示。

通過圖10、圖11可知，由于支架組件是一側固定安裝在機匣上，整個組件的約束是左右非對稱的，故實際工作中即使是正常的正拉情況，兩側應力也是不對稱的，但差距不大，基本可以排除X3底事件。當出現偏拉現象時，進氣邊一側拉應力明顯增大，由108 MPa增大到151 MPa。最大位置在圓弧外表面。另外，箍帶彎曲加工成型時，彎曲圓弧內外表面會存在殘余應力，其中圓弧外表面表現為拉應力，內表面表現為壓應力。在實際工作中再承受拉緊力和振動動應力的作用效果，達到一定程度時容易誘發疲勞破壞。

圖10 正拉及偏拉狀態下組合件等效應力分布云圖

圖11 正拉及偏拉情況箍帶Z向應力分布云圖

5 箍帶理化分析

5.1 宏觀檢查

切取箍帶斷裂處觀察，斷口呈深灰色、較平坦、為疲勞斷口，可見起始于外表面棱邊處的疲勞弧線，箍帶內表面可見面積約5 mm×15 mm的碾壓痕跡，裂紋穿過碾壓痕跡擴展。

圖12 箍帶斷口形貌

5.2 電鏡檢查及能譜分析

斷口為多源疲勞斷口，可見起始于銷軸裝配處彎曲外表面棱邊的疲勞源和起始于箍帶內表面中部的疲勞源，其中箍帶彎曲外表面棱邊的為主疲勞源，主疲勞裂紋起源后向內表面及另一端擴展，擴展過程中與箍帶內表面的疲勞源匯合，直至最后斷裂，放大觀察，斷口氧化較重，有較多二次裂紋，局部可見疲勞條帶，最后斷裂區韌窩形貌。

箍帶斷口為多源疲勞斷口，主疲勞源位于箍帶銷軸裝配孔彎曲外表面棱邊處，疲勞源區未見冶金缺陷。箍帶材質基本符合TC1。因此可以排除底事件X6。

圖13 斷口二次裂紋及疲勞條帶形貌

圖14 瞬斷區韌窩形貌

6 故障原因分析

根據設計、制造及裝配符合性復查結果，分析認為滑油箱支架O形定位孔中心位置尺寸超差，會導致箍帶在裝配狀態下受到偏拉力。通過受力仿真分析，箍帶受偏拉力時其銷軸裝配孔彎曲圓弧進氣側外表面邊緣處為最大應力位置，且應力水平較箍帶受正常拉力時更大。工作過程中，在振動等外部應力綜合作用下，受偏拉力的箍帶在最大應力處產生初始裂紋并最終擴展斷裂[5]，同時導致滑油箱下方定位銷與支架定位孔間發生磨損。因此滑油箱支架定位孔中心位置尺寸超差是導致箍帶發生斷裂的直接原因。

支架O形定位孔中心位置尺寸超差的原因是，在進行鉆孔并锪窩工序時，因操作者認知不足，故障件裝夾過程中夾具輔助支撐未頂緊零件，造成零件受鉆削力影響發生傾斜，導致鉆孔后尺寸超差。且該件為首檢合格入庫，因此未發現尺寸超差而裝配使用。

7 影響分析及改進措施

由于滑油箱兩側均有箍帶固定，分析認為，一側箍帶斷裂后，另一側箍帶仍可對滑油箱起到固定作用，同時連接于滑油箱上的導管也會對滑油箱起到一定的支撐作用，短時內滑油箱不會從定位孔中脫出，可以保證短時間內正常工作。且經復查已制產品，均未發現斷裂問題，因此認為上述支架滑油箱定位孔位置尺寸超差為小概率事件。后續產品采用數控設備代替搖臂鉆及夾具執行鉆孔并锪窩工序，可有效避免人為因素導致的產品加工尺寸超差問題，且產品加工后要求進行100%檢驗，可有效保證交付產品的使用安全可靠性。