鹿東榮　伍彩文

摘要：文章針對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)槳軸機(jī)構(gòu)的重要零件鎖緊墊圈斷裂故障，從槳軸與螺母聯(lián)接結(jié)構(gòu)和故障模式，研究了鎖緊墊圈的斷裂性質(zhì)和原因，提出了改進(jìn)螺母結(jié)構(gòu)、優(yōu)化裝配工藝的針對性改進(jìn)措施，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性，對于機(jī)械斷裂失效分析具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；鎖緊墊圈；斷裂；預(yù)緊力；鎖爪；應(yīng)力集中 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：V23 文章編號(hào)：1009-2374（2017）03-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.031

緊固件的基本功能是聯(lián)結(jié)并傳遞載荷，螺紋緊固件由于可以很方便地產(chǎn)生大的軸向力而成為工程中應(yīng)用最廣泛的一類緊固件。緊固件在其制造和使用過程中，由于設(shè)計(jì)、選材、裝配等原因，往往發(fā)生早期失效。本文對某型發(fā)動(dòng)機(jī)槳軸螺母鎖緊墊圈斷裂失效原因進(jìn)行了分析研究，并針對此缺陷，提出了改進(jìn)措施，對實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)應(yīng)用。

1 基本情況

1.1 槳軸與螺母聯(lián)接結(jié)構(gòu)

槳軸螺母聯(lián)接結(jié)構(gòu)可簡化為螺栓聯(lián)接模型，通過右端的鎖緊墊圈、槳軸螺母將外分油襯套、軸承、螺紋封嚴(yán)圈、前漲圈封嚴(yán)套和前漲圈封嚴(yán)內(nèi)圈固緊在槳軸上。

通常控制螺栓聯(lián)接方法有力矩法、扭角法、測量螺栓伸長法、力矩/扭角法等幾種。力矩法雖較簡單，但由于連接件和被連接件的表面質(zhì)量（包括粗糙度、螺紋精度、潤滑、鍍層等）和擰緊速度等差別導(dǎo)致所獲得的預(yù)緊力誤差大且分散，一般誤差達(dá)±25%，而測量螺栓伸長法較為麻煩和費(fèi)時(shí)。因此槳軸螺母擰緊在設(shè)計(jì)和工藝上采用的是扭角法，其方法為當(dāng)連接部件接合面達(dá)到密貼后，控制螺母轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來達(dá)到控制力矩的目的，采用轉(zhuǎn)角法需要注意的是，擰緊過程中必須確認(rèn)連接部件是否密貼。

由于槳軸工作時(shí)承受軸向拉力載荷，而裝配擰緊槳軸螺母給槳軸以軸向預(yù)緊力，因此槳軸與槳軸螺母螺紋聯(lián)接屬于承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接。

1.2 鎖緊墊圈故障模式

鎖緊墊圈在呈180°對稱的兩個(gè)預(yù)彎鎖爪側(cè)面R部位發(fā)生斷裂，墊圈表面及斷裂部位存在明顯的擠壓及擦傷痕跡（見圖2～圖3）。

斷口分析表明，1#、2#斷口形貌基本一致，斷裂均起始于預(yù)彎鎖爪外側(cè)R部位，向墊圈內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，斷口呈疲勞斷裂特征，斷面擦傷較為嚴(yán)重，無冶金缺陷。

2 原因分析

2.1 零件設(shè)計(jì)合理性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，對槳軸螺母鎖緊的相關(guān)零件進(jìn)行裝配尺寸鏈計(jì)算，在裝配時(shí)，將槳軸螺母按裝配要求與鎖緊墊圈、外分油襯套等零件進(jìn)行擰緊時(shí)，能保證槳軸螺母和鎖緊墊圈擰緊到位。此外，為防止槳軸螺母割傷鎖緊墊圈貼合面，對槳軸螺母內(nèi)螺紋邊角及鎖緊墊圈鎖爪需折彎臺(tái)肩的尖角進(jìn)行了打磨光滑，因此鎖緊墊圈裝配時(shí)相關(guān)零件設(shè)計(jì)是合理的。

2.2 鎖緊墊圈受力分析

由槳軸的裝配圖可知，槳軸前漲圈封嚴(yán)套、螺紋封嚴(yán)圈等零件裝于槳軸軸頸上并通過鎖緊墊圈和槳軸螺母預(yù)緊。當(dāng)槳軸螺母擰至與鎖緊墊圈相貼合的平面時(shí)，鎖緊墊圈與槳軸螺母的貼合面承受槳軸螺母預(yù)緊的正壓力作用，若鎖緊墊圈強(qiáng)度不夠，則鎖緊墊圈貼合平面將出現(xiàn)塑性變形。

由于槳軸上螺紋聯(lián)接擰緊力矩的設(shè)計(jì)要求是按擰緊角度進(jìn)行計(jì)算，按文獻(xiàn)《螺栓擰緊力矩的極限值》和《緊固件連接設(shè)計(jì)手冊》中擰緊圈數(shù)推導(dǎo)計(jì)算鎖緊墊圈貼合面受力，結(jié)果表明在要求的擰緊角度預(yù)緊作用下鎖緊墊圈強(qiáng)度足夠。即鎖緊墊圈貼合面在正常工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生塑性變形。

2.3 裝配工藝合理性分析

裝配時(shí)，先將鎖緊墊圈安裝于槳軸上，對應(yīng)的兩個(gè)預(yù)彎鎖爪分別卡在分油襯套的鎖片槽處，再預(yù)緊槳軸螺母，然后將槳軸螺母擰緊至要求角度，最后將鎖緊墊圈兩個(gè)保險(xiǎn)鎖爪折彎卡入槳軸螺母的開槽處。

復(fù)查裝配工藝，沒有規(guī)定槳軸螺母預(yù)緊力的大小。而螺紋緊固件連接質(zhì)量的好壞，很大程度上取決于預(yù)緊力，預(yù)緊目的在于增強(qiáng)聯(lián)接的可靠性和緊密性，預(yù)緊力將對螺栓的總載荷、聯(lián)結(jié)的臨界載荷等產(chǎn)生影響。過大或過小的預(yù)緊力均是有害的，所以預(yù)緊力的大小、準(zhǔn)確度都十分重要。由于使零件端面密貼的預(yù)緊力的分界點(diǎn)很難控制，工藝規(guī)程上也未作具體規(guī)定，因此在實(shí)際裝配時(shí)也是靠人工摸索進(jìn)行控制。若螺紋緊固件擰的過緊，即預(yù)緊力過大，則螺栓可能被擰斷，被聯(lián)接件可能被壓碎、扭曲或斷裂，也可能螺紋牙被剪斷而脫扣；若過小，則會(huì)使螺栓疲勞壽命下降，被聯(lián)接件出現(xiàn)滑移甚至緊固件被剪斷。

槳軸螺母在外圓面上均勻開有16槽，兩槽之間的夾角為22.5°，而槳軸螺母的擰緊力矩角為40°±5°，螺母轉(zhuǎn)過兩個(gè)槽的角度為45°。由于沒有規(guī)定預(yù)緊力的大小，所以無法確定螺母開始計(jì)算擰緊力矩角的初始位置，裝配時(shí)為同時(shí)保證擰緊力矩角及鎖緊墊圈保險(xiǎn)鎖爪能夠卡入槳軸螺母槽，有可能導(dǎo)致槳軸螺母實(shí)際擰緊力矩過大。

2.4 鎖緊墊圈斷裂原因分析

根據(jù)冶金分析結(jié)論，鎖緊墊圈為疲勞斷裂，起始于預(yù)彎爪外側(cè)R部位，向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，且源區(qū)部分表面擦傷嚴(yán)重。結(jié)合該部位裝配結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場裝配情況，分析認(rèn)為鎖緊墊圈斷裂起始時(shí)所受到的應(yīng)力較大，原因是擰緊槳軸螺母時(shí)，未規(guī)定預(yù)緊力大小，是靠人為的擰緊至扳不動(dòng)為止，再用長桿扳手扳過一定角度，而槳軸螺母槽夾角偏大，這使得預(yù)緊力和擰緊力矩較難控制，導(dǎo)致故障鎖緊墊圈實(shí)際擰緊力矩過大，在鎖緊墊圈貼合面產(chǎn)生較大的摩擦力，因此在槳軸螺母與鎖緊墊圈的部分接觸面上留下較嚴(yán)重的擦傷痕跡。由裝配結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)擰緊槳軸螺母時(shí)，預(yù)彎鎖爪卡在槳軸外分油襯套鎖爪槽內(nèi)，若擰緊力矩過大，會(huì)使預(yù)彎鎖爪與墊圈平面的轉(zhuǎn)接處R部位承受很大的彎曲應(yīng)力，造成該部位應(yīng)力集中，而疲勞裂紋通常形成在導(dǎo)致應(yīng)力集中的表面不連續(xù)性部位，即截面變化部位（臺(tái)階和肩部）。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，螺旋槳-槳軸需承受外界變化的氣動(dòng)載荷、飛行時(shí)的陀螺力矩、發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的扭矩等力和力矩，由此產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成循環(huán)慣性力，導(dǎo)致鎖緊墊圈與名義上相對靜止的接觸件（槳軸外分油襯套和螺母）間，產(chǎn)生高頻微動(dòng)應(yīng)力。在微動(dòng)交變應(yīng)力作用下，槳軸外分油襯套上的鎖爪槽進(jìn)一步擠壓鎖緊墊圈的預(yù)彎鎖爪，使預(yù)彎鎖爪的轉(zhuǎn)接R部位在承受擰緊時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的基礎(chǔ)上疊加微動(dòng)交變應(yīng)力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，從而萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂失效。

3 改進(jìn)措施

（1）將原來無角度的擰緊盤改進(jìn)為標(biāo)印上角度刻印的擰緊刻度盤，并新增轉(zhuǎn)接裝置，便于控制擰緊角度，同時(shí)采用增力器減輕人力負(fù)擔(dān)；（2）將擰緊槳軸螺母的扭角法改為力矩-轉(zhuǎn)角法，先通過預(yù)緊力試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得使零件密貼的預(yù)緊力，然后再使用增力器轉(zhuǎn)過設(shè)計(jì)要求的角度，確保擰緊力矩的同時(shí)使鎖緊墊圈的鎖片能鎖進(jìn)槳軸螺母的鎖片槽；（3）對槳軸螺母槽數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，由原來的16槽改為24槽，減小螺母槽夾角，以便用轉(zhuǎn)角法裝配槳軸螺母時(shí)可有效控制擰緊力矩角。

4 裝機(jī)驗(yàn)證

將貫徹上述改進(jìn)措施的改進(jìn)件裝機(jī)進(jìn)行了600小時(shí)試車考核，試車后分解檢查，鎖緊墊圈外觀正常，無變形，磁粉檢查合格，這說明上述改進(jìn)措施是有效的，達(dá)到了預(yù)期改進(jìn)目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 王大倫，趙德寅，鄭伯芳.軸及緊固件的失效分析

[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[2] 王啟義.中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典[M].南昌：江西科學(xué)技

術(shù)出版社，2002.

[3] 王玉春，陳鴻德，史永吉，沈家驊.高強(qiáng)度螺栓接合

[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[4] 周潤芬.緊固件連接設(shè)計(jì)手冊[M].北京：國防工業(yè)

出版社，1990.

[5] 卜炎.螺紋連接設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：高等教育出

版社，1995.

作者簡介：鹿東榮，男，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司主管工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)失效分析；伍彩文，男，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司技術(shù)專家，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與維護(hù)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）