某型發(fā)動機螺旋槳槳轂整流罩定位銷釘斷裂故障分析

■ 郭祥云 李偉/ 空裝駐武漢地區(qū)第一軍事代表室 凌云科技集團有限責任公司

1 故障描述

某型飛機出動前機務準備時，在扳動第二發(fā)螺旋槳過程中槳轂整流罩內有異響，經檢查發(fā)現整流罩定位銷釘斷脫。定位銷釘中部有一凸肩，凸肩右側表面鍍鋅，一段光桿，一段帶螺紋；凸肩左側表面鍍鉻，均為光桿，如圖1 所示。

圖1 斷裂定位銷釘及其在整流罩上的安裝位置

進一步外觀檢查發(fā)現定位銷鍍鉻段長約22mm、寬約5mm 的區(qū)域擠壓痕跡明顯，表面粗糙不平，且局部出現銹蝕；定位銷從M6 螺紋側斷裂（見圖2）。螺母與定位銷凸肩側配合端面擠壓接觸痕跡明顯，且痕跡最重的區(qū)域與裂紋源區(qū)基本對應（見圖3）。

圖2 定位銷鍍鉻段擠壓損傷

圖3 定位銷固定螺母端面擠壓磨損

為查找定位銷釘斷裂原因，對其進行全面普查并完成斷裂定位銷更換工作。檢查發(fā)現，槳轂整流罩斷裂定位銷換新后仍發(fā)生磨損。認為該槳轂整流罩定位銷附加彎曲載荷仍未消除，且不排除是多方面綜合因素造成的可能，仍需進一步溝通了解使用情況，經檢查、驗證和分析后最終確定故障原因。

2 槳轂整流罩、定位銷釘基本信息及裝配關系

2.1 槳轂整流罩定位銷情況

每個槳轂整流罩上安裝8 件定位銷釘，使用壽命隨機體同壽。定位銷同墊圈、螺母、襯套安裝于盒型件與加強邊上，用于定位槳轂整流罩。

2.2 槳轂整流罩基本信息及裝配關系

1）槳轂整流罩內部構造包括：頂部有電加溫元件及固定隔框，中部隔框上裝配有16 個鎖緊固定銷，底部盒型件與加強邊上（后“支腿”）裝配有8個導向定位銷。槳轂整流罩通過固定銷、環(huán)形鎖鉤裝配在槳盤前后支架上（見圖4）。

圖4 定位銷釘、固定銷和安裝孔的結構形式

2）槳轂整流罩底部導向定位銷與槳盤后支架定位銷孔為一一對應關系。在槳轂整流罩設計圖樣中規(guī)定了定位銷與槳盤后支架定位銷孔協調鉆制和協調安裝的要求。

3）螺旋槳修理時，通過在槳盤前后支架上打制標識的方式確保槳轂整流罩底部定位銷與槳盤后支架定位銷孔為一一對應的位置關系。

4）槳轂整流罩地面驗裝時，先將整流罩裝到槳轂上，整流罩上的銷釘應能順利插入前后支架的銷環(huán)孔，整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應無碰磨，用專用扳手檢查整流罩“上鎖”和“開鎖”應靈活。

5）槳轂整流罩機上裝配時，由兩人配合將槳轂整流罩置于安裝位置，根據槳盤前支架襯盤鎖調整安裝角度，并于鎖孔處涂抹適當低溫的航空潤滑脂；確定安裝角度后，為槳轂整流罩做好防護。在確保頂部加溫元件與螺旋槳定心軸套、中部16 個固定銷與槳盤前支架銷孔、底部8 個定位銷與槳盤后支架銷孔對正的要求均滿足的情況下，完成裝配工作。用專用扳手上鎖后，檢查整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應無碰磨，如圖5 所示。

圖5 機上檢查槳轂整流罩后“支腿”與槳盤后支架應無碰磨

3 故障原因及機理分析

3.1 現場檢查情況

制訂螺旋槳槳轂整流罩定位銷斷裂檢查方案，按檢查方案對2 發(fā)槳轂整流罩底部8 個導向定位銷進行了更換；檢查該機其余槳轂整流罩底部導向定位銷，未見異常；并對其余同型飛機進行普查，均未見異常。

按技術要求，修理時在槳轂整流罩與上下槳盤支架地面驗裝、機上裝配完成后，檢查整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應無碰磨。通過檢查能夠發(fā)現整流罩后“支腿”彈性變形情況并及時處理。

經確認，由于外場更換螺旋槳無槳轂整流罩與槳盤支架驗裝工作要求，故在更換2 發(fā)螺旋槳時未開展槳轂整流罩與槳盤支架的驗裝工作，不易發(fā)現槳轂整流罩隔框后部“支腿”存在彈性變形的問題。

3.2 斷裂機理分析

為進一步分析斷裂發(fā)生原因，委托專業(yè)失效分析機構對斷裂定位銷釘進行失效分析。

1）斷口宏觀分析

定位銷從M6 螺紋側斷裂，檢查宏觀形貌，在定位銷螺紋根部有兩個基本平行的斷口，兩個斷口上疲勞弧線特征清晰，均為疲勞斷口；斷口A 疲勞擴展充分，基本穿透定位銷截面，斷口B 擴展深度約1.5mm，斷口面積只有斷口A的1/4 左右，如圖6 所示。根據弧線收斂方向判斷，疲勞裂紋從兩個相鄰的螺牙根部起始，沿垂直于定位銷軸線的方向擴展，兩個斷口的裂紋源區(qū)在周向上約呈45°夾角。定位銷最外側螺紋局部腐蝕，表面有大量腐蝕產物，但斷裂部位附近基本無腐蝕。

圖6 定位銷斷口宏觀形貌

定位銷鍍鉻段長約22mm、寬約5mm 的區(qū)域擠壓痕跡明顯，表面粗糙不平，且局部出現銹蝕。定位銷鍍鋅光桿段也有近1/2 圓周的區(qū)域有較重的擠壓接觸痕跡。鍍鉻段擠壓損傷區(qū)與兩個疲勞斷口的源區(qū)位置基本在同一側，而鍍鋅光桿段的擠壓痕跡位于裂紋源區(qū)約呈180°的位置。

螺母與定位銷凸肩側配合端面擠壓接觸痕跡明顯，且痕跡最重的區(qū)域與裂紋源區(qū)基本對應。

2）微觀分析

在掃描電鏡下觀察斷口，斷口A 從螺紋根部線性多源起始，裂紋源長約5mm，接近螺紋部位的1/4 圓周長度，源區(qū)表面鍍鋅層完整，未見腐蝕或異常接觸痕跡，如圖7所示。裂紋擴展區(qū)疲勞條帶清晰，擴展充分，疲勞擴展后期可見條帶與韌窩混合形貌，在距源區(qū)最遠端局部為斜斷口，微觀均為韌窩形貌，屬于最后的瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)面積不足斷口A的5%，如圖8 所示。

圖7 斷口A疲勞源區(qū)

圖8 最后形成的斜斷口

斷口B 也是從螺紋根部線性多源起始，裂紋源長約4mm，源區(qū)表面完整，未見異常痕跡，疲勞擴展區(qū)放射棱線及疲勞特征清晰，如圖9所示。斷口B 沿大致垂直于軸線的方向擴展1.5mm 后，向斷口A 所在斷面轉向，形成一個寬約0.5mm 的縱向斷面（斷口C）；斷口C 與斷口A、B 相鄰的局部可見疲勞特征，其余大部分為韌窩形貌，如圖10、圖11 所示。

圖9 斷口B宏觀形貌

圖10 連接斷口A、B的縱向斷口C

圖11 斷口C低倍形貌

掃描電鏡下檢查鍍鉻段擠壓區(qū)形貌，該部位表現為金屬碾壓及細小的磨損特征。能譜分析碾壓區(qū)表面成分主要含O、Fe、Cr、Si 元素，與鍍鉻表面相比，Cr 元素含量明顯偏低，表明碾壓部位鍍鉻層已不完整，但未發(fā)現其他外來金屬元素，分析結果見表1。

表1 定位銷擠壓磨損區(qū)域能譜分析結果（wt%）

3）硬度檢測

在定位銷取樣檢查硬度，實測顯微硬度平均值為395HV0.3，換算成抗拉強度為1287MPa，符合技術要求的120±l0kgf/mm2（ 相 當 于1122 ～1326MPa）。

4）分析討論

定位銷斷口宏觀可見疲勞弧線，微觀可見清晰的疲勞條帶，其斷裂性質為疲勞斷裂。裂紋從螺紋根部起始，在兩個相鄰的螺牙根部分別萌生了兩條疲勞裂紋，其中主裂紋疲勞擴展充分，瞬斷區(qū)占整個斷口面積的5%以內，另一條疲勞裂紋擴展1.5mm 后轉向，與主疲勞裂紋匯合。

兩條疲勞裂紋從螺紋根部起始，均為線源，源區(qū)鍍層完整，無腐蝕或異常接觸痕跡。兩條裂紋基本出現在定位銷同一側，上述特征表明定位銷在裂紋起源側承受的應力較大。

定位銷與螺母、墊圈等一起安裝在整流罩盒型件和加強邊上，定位銷鍍鉻段插入槳盤后支架中，用于定位槳轂整流罩，每個整流罩上有8 件定位銷。故障定位銷鍍鉻段單側有明顯擠壓損傷痕跡，且擠壓痕跡與疲勞裂紋源區(qū)位置基本對應，同時螺紋側光桿段也有類似擠壓痕跡，該痕跡出現在與裂紋源周向180°的部位，表明定位銷凸肩左右兩側承受了彎曲載荷。螺母端面擠壓接觸痕跡較重，表明螺母擰得較緊，當螺母與定位銷凸肩之間壓緊時，一旦定位銷承受彎曲載荷，必然會通過螺母在承拉側螺紋根部產生較大拉應力。因此，分析認為，定位銷螺紋根部萌生疲勞裂紋的原因是定位銷與槳盤后支架配合不當產生較大彎曲載荷所致。故障定位銷所在的加強邊與槳盤后支架可能存在孔位不對正或尺寸匹配不好等問題，導致定位銷安裝后承受附加彎曲載荷，在螺母壓緊情況下，拉應力傳遞至螺紋根部，從而在長期使用中萌生疲勞裂紋并擴展斷裂。

3.3 故障原因分析

針對故障情況和定位銷擠壓痕跡，依據槳轂整流罩機上裝配要求，分析故障原因，建立故障樹，如圖12 所示。根據專業(yè)失效分析機構出具的失效分析報告，排除定位銷材料和制造缺陷原因；同時，結合現場聯合檢查情況，排除槳盤串件、上下槳盤裝配錯誤、壓縮量不符合要求、定位銷彎曲變形、整流罩串件等原因，具體分析如下：

圖12 定位銷釘斷裂故障樹分析圖

1）根據現場實物檢查情況，發(fā)現槳盤后支架定位銷孔邊緣存在磨損情況（見圖13）。

圖13 槳盤后支架磨損情況

2）在槳轂整流罩定位銷與槳盤后支架定位銷孔未對正情況下，對槳轂整流罩進行裝配時，定位銷導向錐面與定位銷孔邊緣接觸，定位銷導向錐面會產生磨痕。當定位銷進入定位銷孔后，由于圖樣中規(guī)定定位銷與定位銷孔為間隙配合（單邊0.25mm），因此定位銷的外表面與定位銷孔內表面會有間隙存在，不會產生縱向擠壓痕跡。

3）檢查已斷裂和與其相鄰的導向定位銷時，發(fā)現兩個定位銷均存在縱向擠壓痕跡，只是擠壓痕跡深淺程度不同，說明槳轂整流罩隔框后部“支腿”存在不同程度的變形。在槳轂整流罩拆裝時，將槳轂整流罩取下后，槳轂整流罩處于自由狀態(tài)，其槳轂整流罩隔框后部“支腿”可能產生變形，從而導致在裝配槳轂整流罩時定位銷的導向錐面與外表面均與定位銷孔內表面產生應力接觸，當槳轂整流罩繼續(xù)向上鎖位置移動時，定位銷與定位銷孔就會產生縱向擠壓痕跡。已斷裂導向定位銷縱向擠壓痕跡較深，該定位銷承受附加彎曲載荷，進而將應力傳遞至螺紋根部，使其在長期使用中萌生疲勞裂紋并擴展斷裂；其相鄰的定位銷縱向擠壓痕跡較淺，雖承受附加彎曲載荷，但還未擴展斷裂。

綜合分析認為，槳轂整流罩裝配未對正、槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形是造成槳轂整流罩斷裂定位銷與槳盤后支架配合不當的原因。

4 結論

綜合斷口宏觀、微觀、金相等分析結果和槳轂整流罩的裝配使用等情況，確定槳轂整流罩定位銷斷裂故障原因為：由于槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形使定位銷與槳盤后支架不同軸，定位銷所在的加強邊與槳盤后支架可能存在孔位不對正或尺寸匹配不好等問題；重新裝配后導致定位銷與槳盤后支架配合不當產生附加彎曲載荷擠壓，在螺母壓緊情況下，拉應力傳遞至螺紋根部，從而在長期使用中萌生疲勞裂紋并擴展斷裂，屬偶發(fā)故障。

5 措施建議

為杜絕槳轂整流罩定位銷釘斷裂故障情況的發(fā)生，制訂如下改進措施：

1）修理中嚴格按工藝要求，重點檢查定位銷釘松動、磨損及槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形情況，發(fā)現松動、損壞時要求及時更換；槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形，用橡膠榔頭對槳轂整流罩“支腿”后部進行校形。

2）螺旋槳槳轂整流罩機上裝配時，先進行地面驗裝。將槳轂整流罩對準螺旋槳槳盤支架定位孔，垂直放到螺旋槳上并上鎖。從下往上檢查定位銷與定位孔是否同軸；解鎖后，取下槳轂整流罩，目視檢查槳轂整流罩后“支腿”8 個定位銷外表應無劃傷、磨損痕跡。

3）螺旋槳槳轂整流罩機上裝配時，應防止加溫導線及鎖鉤刮碰；將槳轂整流罩后“支腿”8 個定位銷與后槳盤支架定位孔基本對正，并盤槳一周檢查，檢查定位銷與后槳盤定位孔是否發(fā)生偏移；再將槳轂整流罩用手推至底部，盤槳一周檢查，檢查定位銷是否進入后槳盤定位孔，然后上鎖。

4）螺旋槳槳轂整流罩機上裝配上鎖可靠后，檢查槳轂整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應無碰磨、擠壓變形情況。如有碰磨、擠壓變形情況，用橡膠榔頭對槳轂整流罩“支腿”后部進行校形，消除槳轂整流罩后“支腿”碰磨、擠壓變形。

用戶在外場更換螺旋槳過程中，在螺旋槳吊裝前，應對槳轂整流罩與螺旋槳上下支架進行驗裝，確認良好后再進行機上裝配工作。

5）日常維護工作中，加強檢查，更換有縱向擠壓痕跡的定位銷。同時，對該定位銷所處的槳轂整流罩隔框后部“支腿”進行適應性調整，確保槳轂整流罩定位銷與槳盤后支架定位孔的配合關系。

通過實踐證明，采取上述改進措施后，能及時發(fā)現螺旋槳槳轂整流罩定位銷釘在使用過程中的松動和磨損，螺旋槳槳轂整流罩定位銷釘斷裂故障得到了有效控制。