欒艷華，劉殿春

（1.沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，沈陽110043；2.沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

1 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中，燃油導(dǎo)管（簡稱導(dǎo)管A）多次發(fā)生斷裂故障，與之相連的高壓燃油泵至油濾之間的導(dǎo)管（簡稱導(dǎo)管B）也曾經(jīng)發(fā)生過類似故障。由于導(dǎo)管A與導(dǎo)管B相互連通，導(dǎo)管A斷裂會引起大量的燃油泄漏，從而會造成災(zāi)難性的后果。經(jīng)故障進(jìn)行初步研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管A斷裂不是偶然現(xiàn)象，其設(shè)計(jì)存在的問題也可能造成此導(dǎo)管在工作過程中振動(dòng)應(yīng)力過大，最終導(dǎo)致導(dǎo)管斷裂。從根本上解決放油導(dǎo)管A斷裂故障，可增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)外場使用可靠性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)維修效率，對保證發(fā)動(dòng)機(jī)在外場的出勤率具有十分重要的意義。

本文對發(fā)生斷裂故障的某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管的裝配工藝、工作環(huán)境、功能及靜頻和動(dòng)應(yīng)力等進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2 故障分析

2.1 工藝

導(dǎo)管A是與航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供油導(dǎo)管B連通的1根放油管，主要在發(fā)動(dòng)機(jī)維修放油時(shí)使用。導(dǎo)管B的上游連接有柱塞泵，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油由柱塞泵流向?qū)Ч蹷，經(jīng)燃油導(dǎo)管下游的高壓油濾過濾后供發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作使用。各零部件的位置關(guān)系如圖1所示。

分解發(fā)動(dòng)機(jī)后，對導(dǎo)管A進(jìn)行了裝配工藝復(fù)查，發(fā)現(xiàn)所有裝配操作符合工藝規(guī)程規(guī)定。因此，可排除因裝配工藝錯(cuò)誤造成故障的可能。

2.2 工作條件

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，導(dǎo)管B的壓力約為30 MPa，液壓壓力約為25 MPa，導(dǎo)管A與導(dǎo)管B是連通的，工作壓力相等。由于導(dǎo)管A是放油管，設(shè)計(jì)時(shí)將導(dǎo)管A定為低壓管。服務(wù)通報(bào)規(guī)定，導(dǎo)管A的打壓壓力為1.55 MPa，液壓壓力為1.25 MPa。其試驗(yàn)壓力比實(shí)際可能承受的壓力小了十幾倍。如果將導(dǎo)管A按低壓管處理，其試驗(yàn)壓力符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但其實(shí)際工作壓力最高達(dá)21 MPa，脈動(dòng)幅值為6 MPa，其實(shí)際工作條件比設(shè)計(jì)條件苛刻很多倍，這是導(dǎo)管A發(fā)生故障的重要原因之一。

2.3 理化分析

對斷裂部件進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂位置位于焊接熱影響區(qū)，如圖2所示。導(dǎo)管外觀無明顯的宏觀塑性變形。采用體式顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)斷口平坦，呈灰色，表面磨損嚴(yán)重，為疲勞斷口；斷口源區(qū)有1臺階，臺階兩側(cè)可見明顯的2個(gè)疲勞源區(qū)，源區(qū)側(cè)面未見腐蝕和磕碰痕跡；疲勞起始于導(dǎo)管外表面，并向內(nèi)部及兩側(cè)擴(kuò)展。斷口宏觀形貌如圖3所示。

用掃描電鏡對斷裂位置進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，得到疲勞源區(qū)的放大形貌，如圖4所示。從圖4中可以觀察到放射狀棱線，未見冶金缺陷。疲勞擴(kuò)展區(qū)磨損嚴(yán)重，局部可見疲勞弧線，如圖5所示。

為了確定導(dǎo)管A的制造材料是否滿足設(shè)計(jì)要求，對其進(jìn)行了能譜分析。結(jié)果表明，燃油導(dǎo)管材料為1Cr18Ni9Ti，符合導(dǎo)管A的設(shè)計(jì)材料要求。

以上分析表明，導(dǎo)管A斷口為多源疲勞斷口，疲勞起源于導(dǎo)管外表面的焊接熱影響區(qū)，疲勞源區(qū)未見冶金缺陷。因此，斷裂可能是由正常的振動(dòng)疊加裝配應(yīng)力過大造成的。

2.4 靜頻和動(dòng)應(yīng)力測試

導(dǎo)管A、B通過螺紋和錐面剛性連接成一體，有必要對這2根導(dǎo)管進(jìn)行靜頻和動(dòng)應(yīng)力測試和分析。

2.4.1 靜頻測試

在工作過程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子引起的振動(dòng)、導(dǎo)管內(nèi)液體脈動(dòng)引起的振動(dòng)、沖擊力、導(dǎo)管內(nèi)流體壓力及導(dǎo)管安裝不當(dāng)引起的附加載荷等。為防止導(dǎo)管在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，要求某型發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的自振頻率應(yīng)滿足f≤39 Hz或f≥277.1 Hz。導(dǎo)管A、B還受柱塞泵脈動(dòng)壓力影響，高頻應(yīng)避開柱塞泵脈動(dòng)壓力頻率，即f≥747 Hz。

對3臺發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)管A、B進(jìn)行靜頻測試，并在每次測試中將導(dǎo)管上的卡箍位置分別移動(dòng)2次。由于2根導(dǎo)管剛性連接成一體，移動(dòng)傳感器和敲擊位置結(jié)果基本一致。靜頻測試結(jié)果見表1。

在導(dǎo)管振動(dòng)時(shí)，頻率越高振幅越小，高頻振動(dòng)對導(dǎo)管的安全性影響較小。因此，在對比時(shí)可忽略高階振動(dòng)頻率，只比較低階（1階）振動(dòng)頻率。從表1中數(shù)據(jù)可知，調(diào)整卡箍位置前、后，導(dǎo)管A的靜頻無明顯變化，且均不符合要求，與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振的幾率很大。由此可知該導(dǎo)管在設(shè)計(jì)上存在不足。

2.4.2 動(dòng)應(yīng)力測試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)管的振動(dòng)疲勞強(qiáng)度儲備系數(shù)K=σaσv≥3（σa為導(dǎo)管焊縫處振動(dòng)疲勞極限；σv為試車中測試的最大應(yīng)力）。根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果，各種管接頭和管路連接件的振動(dòng)疲勞極限約為160～220 MPa。按其下限160 MPa計(jì)算，某型發(fā)動(dòng)機(jī)管路的振動(dòng)應(yīng)力限制值選為50 MPa。為進(jìn)一步查找故障原因和研究解決辦法，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)上分別對導(dǎo)管A、B進(jìn)行了2次動(dòng)應(yīng)力測試。

表1 導(dǎo)管A固定卡箍固定位置不同時(shí)的靜頻

2.4.2.1 第1次

通過7次獨(dú)立試車，進(jìn)行第1次動(dòng)應(yīng)力測試。在第1～4次試車和第5～7次試車時(shí)，分別對導(dǎo)管A、B進(jìn)行測試。在第1次試車中，首先對導(dǎo)管A的故障部位和導(dǎo)管B上靠近故障處的關(guān)鍵部位進(jìn)行測試；在第2次試車中，調(diào)整導(dǎo)管B上靠近故障處的卡箍位置，測試點(diǎn)不變；在第3次試車中，恢復(fù)導(dǎo)管B上卡箍位置，將導(dǎo)管A斷裂處下方卡箍的位置向上移動(dòng)8mm，測試點(diǎn)不變；在第4次試車，除了導(dǎo)管A故障處測試點(diǎn)不變外，改變其余測試點(diǎn)位置，將其放置在與故障處相距較遠(yuǎn)的焊縫和卡箍處；在第5次試車，更換1組導(dǎo)管，測試點(diǎn)與第1次試車時(shí)的相同；在第6次試車，調(diào)整導(dǎo)管B上靠近故障處的卡箍的位置，測試點(diǎn)不變；在第7次試車，測試點(diǎn)與第4次試車時(shí)的相同。通過以上7次試車測試，得到了比較完整的導(dǎo)管動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，能夠反映導(dǎo)管在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的動(dòng)應(yīng)力變化情況。

在試車過程中，在導(dǎo)管A故障點(diǎn)處測得較大動(dòng)應(yīng)力及出現(xiàn)較大動(dòng)應(yīng)力時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、頻率及轉(zhuǎn)速。在所有測試結(jié)果中，動(dòng)應(yīng)力較大的位置集中在導(dǎo)管A故障點(diǎn)處，大部分發(fā)生在第3次試車中，20個(gè)較大動(dòng)應(yīng)力所對應(yīng)的頻率全部與柱塞泵脈動(dòng)壓力頻率吻合。由測試結(jié)果判斷，柱塞泵的脈動(dòng)壓力對導(dǎo)管A的故障影響很大，而移動(dòng)卡箍對導(dǎo)管的動(dòng)應(yīng)力影響則不明顯。

2.4.2.2 第2次

新研發(fā)的柱塞泵B與故障發(fā)動(dòng)機(jī)使用的柱塞泵A可互換。與柱塞泵A相比，柱塞泵B在結(jié)構(gòu)上有較大改進(jìn)，從根本上解決了泵內(nèi)嚴(yán)重磨損問題，在性能上具有一定的優(yōu)越性，出口脈動(dòng)壓力為2.0～2.5 MPa，較柱塞泵A的出口壓力6 MPa低，壽命比柱塞泵A的長。用柱塞泵B代替柱塞泵A可能降低泵后導(dǎo)管A的動(dòng)應(yīng)力。另外，由于導(dǎo)管A是放油管，外場和維修試車時(shí)均可不使用，故考慮取消導(dǎo)管A，用堵頭堵住與之相連的導(dǎo)管B。

綜合以上考慮，第2次測試的方案如下：第1次試車，在導(dǎo)管A及與其相關(guān)聯(lián)的各導(dǎo)管正常安裝連接的情況下，作動(dòng)應(yīng)力測試；第2次試車，換上柱塞泵B再測試；第3次試車，將導(dǎo)管A斷開，剩下部分用于固定其它導(dǎo)管，并用堵頭將導(dǎo)管B上的3通堵住，進(jìn)行測試；第4次試車，將導(dǎo)管A取消，用堵頭將導(dǎo)管B上的3通堵住，對其他與導(dǎo)管A一起固定的導(dǎo)管用增加支架和調(diào)整卡箍的方式固定，進(jìn)行測試。

測試結(jié)果表明：更換柱塞泵并沒有使導(dǎo)管A和導(dǎo)管B的動(dòng)應(yīng)力減小，反而稍有增大；尤其是導(dǎo)管A，換泵后，動(dòng)應(yīng)力由原來的31.8 MPa增大到39.8 MPa；取消導(dǎo)管A后，導(dǎo)管B的動(dòng)應(yīng)力稍有增大，由原來的10.5 MPa變?yōu)?6.1 MPa，但其值還在一般型號管路設(shè)計(jì)振動(dòng)應(yīng)力限制值以內(nèi)。

2.5 原因綜合分析

2.5.1 設(shè)計(jì)缺陷

柱塞泵A最高出口壓力為21 MPa，脈動(dòng)幅值為6 MPa。由于導(dǎo)管A的靜頻沒有達(dá)到要求，有的固有頻率處于柱塞泵的脈動(dòng)壓力最大頻率590～600 Hz附近，動(dòng)應(yīng)力測量結(jié)果表明正是柱塞泵的脈動(dòng)壓力使導(dǎo)管A動(dòng)應(yīng)力過大的位置發(fā)生了故障，降低了此處的安全系數(shù)。

由于高壓燃油濾可以在很大程度上減小油壓脈動(dòng)幅值，從結(jié)構(gòu)上看，柱塞泵后面的高壓燃油濾前承受最高壓力為21 MPa、脈動(dòng)幅值為6 MPa壓力的3根導(dǎo)管中有2根是φ18的粗管，只有導(dǎo)管A是φ9的細(xì)管，其焊縫處也就自然成了這一管系中的最薄弱環(huán)節(jié)。

2.5.2 檢查要求低

導(dǎo)管A是放油導(dǎo)管，被定為低壓導(dǎo)管。實(shí)際上，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，導(dǎo)管A放油口被堵住，管內(nèi)壓力應(yīng)為柱塞泵出口濾前壓力，即與導(dǎo)管B工作壓力相同，因此，導(dǎo)管A應(yīng)屬高壓導(dǎo)管。在使用過程中，導(dǎo)管A的壓力是按低壓導(dǎo)管給定的，因此造成檢測壓力過低，不能滿足使用要求。

3 排故措施及效果

根據(jù)故障原因分析，認(rèn)定對導(dǎo)管A按低壓管進(jìn)行設(shè)計(jì)是不合理的。為了解決這一問題，一方面，可增加導(dǎo)管A的強(qiáng)度，將導(dǎo)管A換成與導(dǎo)管B強(qiáng)度相同的導(dǎo)管；另一方面，導(dǎo)管的使用率很低，即使需要放油，也完全可在3通處實(shí)現(xiàn)，因此，取消導(dǎo)管A并將導(dǎo)管B的3通堵住也可解決問題；第3種可行措施是加大對薄弱環(huán)節(jié)的檢查力度。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用戶貫徹前2條措施需要設(shè)計(jì)部門許可，同時(shí)還存在一些其他限制。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)外場使用和維修過程中，采取了第3條措施，即加大導(dǎo)管A焊縫處的檢查力度。在故檢時(shí)，加強(qiáng)對該導(dǎo)管焊縫處的著色檢查和X光檢查，并將導(dǎo)管A的打壓壓力提高至30 MPa，液壓壓力提高至25 MPa。由對采用該措施發(fā)動(dòng)機(jī)外場使用情況的跟蹤檢查得知，該措施使同類故障的發(fā)生幾率大大降低。

4 結(jié)束語

對燃油導(dǎo)管發(fā)生故障的某型發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配工藝、工作環(huán)境、功能及靜頻和動(dòng)應(yīng)力等進(jìn)行的分析表明，某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足且檢測壓力過低是故障發(fā)生的根本原因。在使用過程中，加大對導(dǎo)管A焊縫處的檢查力度，提高導(dǎo)管A的檢測壓力，可大大降低故障發(fā)生幾率。但是，要想徹底排除導(dǎo)管A斷裂故障，還需改進(jìn)導(dǎo)管A設(shè)計(jì)，提高其強(qiáng)度。

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