某型發動機油門鋼索斷絲故障分析與預防

■ 王金利/四達機械制造公司

1 故障描述

在對某型發動機油門操縱系統普查中發現，19號機右發動機油門鋼索斷絲1根。當年統計該型發動機油門鋼索斷絲故障外場共發生6起，主要集中在油門鋼索與導向滑輪接觸部位。

2 鋼索組成及工作原理

2.1 發動機油門操縱系統

如圖1所示，發動機油門操縱系統由主動滑輪搖臂、傳動鋼索系統、停車聯動機構、油門拉桿、停車拉桿等組成。該操縱系統用于實現發動機的起動、變換工作狀態以及操縱發動機停車。工作中可由飛機座艙內的“油門操縱”手柄，通過飛機上的操縱系統、主動滑輪搖臂將轉矩傳至主動滑輪，再經過鋼索系統將扭矩傳至凸輪撥叉組件上的從動滑輪，滑輪通過油門拉桿、凸輪撥叉組件、拉桿組件、停車拉桿等實現對發動機油泵調節器“油門”搖臂、“停車”搖臂的協調同步聯動。

圖1 發動機油門操縱系統

2.2 傳動鋼索系統

傳動鋼索系統由發動機的主動滑輪到凸輪撥叉組件上的滑輪形成一個封閉的“回路”，由主動滑輪、4個導向滑輪組件、凸輪撥叉組件上的滑輪、鋼索等組成[1，2]，如圖2所示。

圖2 傳動鋼索系統

3 故障定位

3.1 故障模式

鋼索故障模式有磨損、材料缺陷、意外損傷、銹蝕等。其中，磨損包括磨粒磨損、疲勞磨損、微動磨損和切削磨損；材料缺陷包括鋼絲繩自身缺陷和鋼絲繩捻制不均勻；意外損傷包括制造安裝過程受損和使用維護不當；銹蝕包括使用環境自然銹蝕和腐蝕液體腐蝕銹蝕。

3.2 故障件檢查

選取該發動機油門鋼索故障件（見圖3），開展理化分析確認故障原因。

圖3 鋼索外觀及斷絲位置

1）宏觀檢查

在體視鏡下觀察鋼索斷絲位置，鋼絲斷口平齊，斷面基本垂直于鋼絲圓柱表面，無明顯縮頸變形。斷絲處鋼絲外側有明顯擠壓磨損痕跡，附近未斷絲鋼絲也可見擠壓磨損痕跡（見圖4）。藍圈為斷絲位置，箭頭所指為擠壓磨損痕跡。

圖4 斷絲位置及磨損外觀

在掃描電鏡下放大觀察鋼絲斷絲位置，斷絲位置形貌均類似，斷面基本位于擠壓磨損區域的中部，擠壓磨損區域表面有磨痕，擠壓為主要因素，且圓柱表面局部已變平（見圖5），箭頭所示為磨痕。

圖5 斷絲位置及磨損放大

2）能譜分析

對擠壓磨損區域和正常區域進行能譜分析，擠壓磨損區域除鋼絲主要元素Fe和C外，含有較多Ti元素。后續斷面能譜分析和金相制樣的高倍能譜分析均無Ti元素，因此Ti元素為擠壓磨損附著物。分析認為，鋼絲表面損傷與其和鈦合金組件擠壓磨損有關。正常未磨損表面區域分析可見鋼絲表面為鍍鋅層。擠壓磨損區域和正常未磨損表面區域能譜分析結果見表1。

表1 擠壓磨損區域和正常區域能譜分析

3）斷口分析

對斷口進行清洗，在掃描電鏡下觀察斷口形貌，可見斷面磨損嚴重，如圖6所示。

從圖6可以看出，斷絲起源于箭頭所示位置（源區部分被磨損，根據擴展區和瞬斷區可判斷源區方向），該處位于鋼絲表面磨損位置的徑向正對面。斷面可見明顯的源區（纖維區）、擴展區（放射區）和瞬斷區，瞬斷區面積約占斷面面積的25%。斷絲源區較平坦，邊緣有部分被磨損，未見其他冶金缺陷，擴展區為解理斷絲特征，瞬斷區為撕裂韌窩形貌[3]，如圖7至圖9所示。

圖6 斷口形貌

圖7 斷絲源區形貌

圖9 斷絲瞬斷區撕裂韌窩形貌

4）金相分析

截取縱向試樣對鋼絲進行金相組織檢查，鋼絲材料組織均勻，未見明顯的冶金缺陷，鍍層較均勻覆蓋鋼絲表面（4μm），鍍層表面均勻覆蓋腐蝕層（3μm），如圖10至圖11所示。

圖8 斷絲擴展區形貌

圖10 鋼絲高倍形貌（拋光）

圖11 鋼絲高倍組織（腐蝕態）

5）試驗結果分析

從鋼絲的宏觀和微觀形貌可見，鋼絲斷裂處除擠壓變形外，無明顯縮頸變形，且斷口平齊，擴展充分，與人工拉伸斷口縮頸明顯的特征相比，分析認為鋼絲斷裂是在正常應力水平下起源和擴展的。

從斷裂位置分析，斷裂源位于鋼絲擠壓磨損的中間部位的徑向正對面，說明擠壓磨損在鋼絲外表面形成的應力導致鋼絲局部變形過度，且由于磨損后鋼絲材料表面鍍層和基體均受到損傷，降低了鋼絲的強度，所以在擠壓磨損的正對面產生微裂紋成為斷裂的起源。能譜分析顯示鋼絲擠壓磨損表面有大量的Ti元素，說明鋼絲表面損傷與其和鈦合金組件的相互擠壓磨損有關[4，5]。

6）失效分析結論

鋼絲表面受到擠壓磨損后，局部變形過大而產生微裂紋起源，在正常工作應力作用下緩慢擴展產生應力斷裂；鋼絲斷裂與其表面受到鈦合金組件擠壓磨損有關。

3.3 故障定位

根據故障現象統計及該發動機故障件檢查結果，發動機油門鋼索故障模式主要為疲勞磨損，表現形式為斷絲，多發生在鋼索與滑輪接觸部位。

4 故障原因分析

4.1 環境因素

根據鋼索理化分析結論，鋼索附近存在的沙粒、金屬屑等硬質異物使鋼索受到不同程度的磨損，在鋼索局部表面產生應力集中，同時降低了鋼索的疲勞性能，對鋼索斷絲的影響較大。

4.2 鋼索個體差異

鋼索結構為7根絲擰為1股，再由7股擰為1根鋼索，截面如圖12所示。鋼索絲材為碳素鋼，表面鍍鋅。由于油門鋼索為連續生產，僅能在首尾對原料鋼絲、半成品繩股和成品油門鋼索進行力學和化學檢驗，材質及捻制時的不均勻性會導致油門鋼索在使用中出現不可預見的疲勞斷絲。

圖12 鋼索截面示意圖

4.3 使用頻次

該型發動機配裝于某型飛機上，經常使用的N2轉速范圍為79%～86%，此轉速范圍恰好能使飛機達到常用的平飛速度進行投彈、降落等，但此轉速范圍正處于放氣活門關閉轉速到流量調節器與轉速調節器交接的轉速范圍，發動機不具有穩定性，飛行員需要時刻調整油門桿來保證相應轉速。經統計，日常使用中每飛行小時油門鋼索操作約50次，密集編隊時每飛行小時油門鋼索操作約900次。由于外場頻繁調整油門，油門鋼索與鈦合金滑輪之間反復摩擦，導致油門鋼索疲勞磨損，在擠壓力作用下產生裂紋后擴展為斷絲。

5 措施制定

5.1 廠內控制措施

1）基于該型發動機使用特點和故障原因，為提高發動機油門鋼索可靠性，制造廠和修理廠對原鋼索修理標準（目視檢查應無斷絲、銹蝕、磨損；檢查合格后裝機使用，與生產廠家大修手冊標準一致）進行修訂，在發動機大修時對油門鋼索換新。

2）由制造廠和修理廠結合外場故障處理和巡檢巡修時機，對斷絲鋼索材質進行檢查，發現問題及時處理。

3）對于前期大修時未更換油門鋼索但已交付的發動機，由制造廠和修理廠前往部隊對油門鋼索進行更換。

5.2 日常性維護措施

1）對發動機油門鋼索與滑輪接觸部位進行檢查時，可用抹布握住鋼索輕輕來回捋動。當感覺到抹布有被掛住現象時，可借助電筒和反光鏡進行檢查。輕微轉動鋼索，以便檢查到鋼索背面，確認是否存在斷絲。如果鋼索出現斷絲，則進行更換。

2）采用以綢布擦拭油門鋼索及滑輪的方式進行清潔，嚴禁用汽油、煤油、酒精等清潔油門鋼索及滑輪。清潔干凈后，由兩人配合對鋼索涂抹薄薄一層滑油（太多油脂會吸附大量灰塵、雜質、水分，導致鋼索磨損、腐蝕），由一人在前艙反復推拉油門手柄，避免鋼索與滑輪接觸段潤滑不到位。

3）發現鋼索銹蝕要用不帶留纖維的布塊浸蘸YH-15液壓油進行擦拭。如果無法擦除銹跡，應更換鋼索。

5.3 周期性維護措施

增加飛機（100±20）h周期工作，對油門鋼索進行檢查。檢查鋼索的張力值，應符合鋼索張力與環境溫度關系曲線要求。如果鋼索出現斷絲，應進行更換。