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        某型發(fā)動機(jī)金屬附件故障分析

        2018-08-05 04:01:10王幫艷
        世界有色金屬 2018年10期
        關(guān)鍵詞:裂紋模態(tài)振動

        王幫艷

        (襄陽航泰動力機(jī)器廠,湖北 襄陽 441002)

        某型發(fā)動機(jī)每臺配套十二件金屬噴嘴支管,該噴嘴支管由導(dǎo)管、外套螺母、平管嘴以及環(huán)形接頭組合焊接而成。在首翻修期的故檢試驗(yàn)時,即出現(xiàn)了平均每臺6件左右的金屬附件裂紋故障[1]。該裂紋故障的加劇,會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在工作過程中出現(xiàn)供油不足、溫度場不均或高壓噴油而使機(jī)艙充滿燃油的嚴(yán)重事故發(fā)生。

        通過對故障模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析并制訂方案,突破一個翻修期內(nèi)即會出現(xiàn)裂紋故障的技術(shù)難題,有效杜絕因裂紋故障而出現(xiàn)安全隱患。

        1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

        1.1 金屬附件結(jié)構(gòu)

        圖1 噴嘴組件

        噴嘴支管與噴嘴殼體、噴嘴螺母、噴口等組合成金屬附件的組件,見圖1。其安裝軸線與導(dǎo)管連接部位的軸線呈正交狀態(tài),一端由噴嘴螺母間隙配合插入火焰筒頭部,一端由噴嘴支管外套螺母與總管接嘴連接,并通過噴嘴殼體頸部固緊在安裝盤上。

        圖2 故障件

        1.2 故障原因判定

        為了降低加工難度,提高生產(chǎn)效率及減少材料損耗,將噴嘴支管的環(huán)形接頭外形設(shè)計成直接澆鑄成型的ZG1C18Ni9Ti鑄鋼件,而澆鑄金屬材料在一定程度上呈各向同性,澆鑄時形成氣泡、裂紋、組織偏析及其它隱性的組織缺陷,組合焊接后隱性缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大。

        在發(fā)動機(jī)工作過程中,流經(jīng)燃燒室的高壓氣流及流經(jīng)噴嘴支管的高壓液流使其產(chǎn)生振動,在導(dǎo)管與環(huán)形接頭焊接組合處產(chǎn)生了較高的振動應(yīng)力,由于環(huán)形接頭本身的強(qiáng)度儲備不足從而產(chǎn)生裂紋。

        1.3 裂紋斷口分析

        對1件噴嘴支管故障件裂紋進(jìn)行裂紋斷口觀察,裂紋斷口形貌為疲勞斷口,疲勞起源于環(huán)形接頭裂紋頂部內(nèi)表面,由兩個線源組成,源區(qū)較平坦,呈灰黑色;裂紋由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展,并沿接頭凸起處根部方向擴(kuò)展,疲勞擴(kuò)展區(qū)起伏不大;擴(kuò)展區(qū)斷面上局部可見明顯的疲勞弧線;將裂紋斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察,源區(qū)未見明顯的機(jī)加缺陷。

        1.4 冶金分析

        選取鑄造成型的故障環(huán)形接頭,與熱軋棒材加工成型的環(huán)形接頭進(jìn)行金相對比分析;再分別插入導(dǎo)管焊接后進(jìn)行熱影響區(qū)的金相對比分析。通過測試分析表明:棒材為柱狀枝晶組織,焊接后熱影響區(qū)與基體相比晶粒無明顯變化;鑄件為胞狀加柱狀枝晶組織,焊接后熱影響區(qū)與基體相比晶粒有明顯長大。

        1.5 模態(tài)計算和試驗(yàn)

        通過AnsysWorkbench軟件對金屬附件的模態(tài)(計算用噴嘴組件與安裝位置采用中差配合)進(jìn)行計算,計算表明環(huán)形接頭的模態(tài)呈規(guī)律的多邊形形狀,結(jié)果見表1。

        表1 模態(tài)計算結(jié)果

        選取5件金屬附件進(jìn)行振動模態(tài)試驗(yàn),根據(jù)噴嘴組件的實(shí)際安裝位置,一端由金屬件螺母間隙配合插入模擬火焰筒頭部,一端由金屬件外套螺母與固定接嘴連接,并通過零件殼體頸部固緊在安裝盤上。

        通過振動試驗(yàn)器的CRAS模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)對零件支管模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

        表2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

        1.6 振動應(yīng)力測量

        觀察金屬件環(huán)形接頭故障件的裂紋位置及走向,裂紋多起源于焊接處凸臺邊緣,裂紋呈樣條線狀沿外壁軸向根部擴(kuò)展,且裂紋總是出現(xiàn)在環(huán)形接頭的兩個對稱平面上??梢娖涔ぷ鲿r主要發(fā)生為四邊形振動,模態(tài)計算和模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果也表明這一點(diǎn)。

        在發(fā)動機(jī)試車臺上進(jìn)行振動應(yīng)力測量,測量結(jié)果表明:發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6500r/min以下幾乎沒有信號;從6500r/min到最高轉(zhuǎn)速16500r/min內(nèi),環(huán)形接頭處于4邊形振動的信號,當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到14800r/min時測到最大應(yīng)變,此時頻率為463Hz,振動應(yīng)變值達(dá)162με,換算成室溫下的振動應(yīng)力值為152.4MPa,工作溫度250℃下為134.8MPa。

        2 故障原因確定

        故障件環(huán)形接頭材料為ZG1Cr18Ni9Ti鑄件,經(jīng)查詢材料手冊,與1Cr18Ni9Ti熱軋棒材進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能對比分析,得出熱軋棒材1Cr18Ni9Ti性能(特別是焊接性能)明顯優(yōu)于其它鑄件的結(jié)論。

        ZG1Cr18Ni9Ti在250℃工作溫度下σb=598Mpa,σ-1=320Mpa。金屬鑄造成零件后,因?yàn)樾挝徽`差的影響其抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度會下降8%左右,因焊接的原因會下降6%左右,因此環(huán)形接頭在250℃工作溫度下σb=514.28Mpa,σ-1=275.2Mpa。

        由于噴嘴支管一端由外套螺母連接,支點(diǎn)就在環(huán)形接頭的焊接處,再加上鑄件壁厚差異較大,工作時在振動應(yīng)力的作用下,這些影響越來越明顯,在轉(zhuǎn)速達(dá)到14800r/min時,振動頻率達(dá)到463Hz,模態(tài)計算和模態(tài)試驗(yàn)均證明了這一點(diǎn)。

        此時最大振動應(yīng)力為134.8MPa,噴嘴支管的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為2.04(nb=275.2/134.8=2.04),理論上能滿足使用要求。

        但從冶金分析、尺寸檢測和實(shí)際結(jié)果來看,因?yàn)殍T造缺陷、外形尺寸誤差、焊接處厚薄不均造成應(yīng)力集中以及焊接殘余應(yīng)力的存在很大程度上降低了環(huán)形接頭的疲勞強(qiáng)度,導(dǎo)致其機(jī)械性能大幅下降,從而造成裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。

        3 故障排除措施

        從圖2可看出故障環(huán)形接頭由于鑄造精度低,各非加工面處壁厚不均勻,且環(huán)形供油通道粗糙,壁上布滿油污。為此,將環(huán)形接頭材料由ZG1Cr18Ni9Ti鑄件更換為焊接性能更佳的熱軋棒材1Cr18Ni9Ti;提高其內(nèi)部環(huán)形供油通道的加工精度,以保證供油暢通無阻滯;各連接部位圓滑轉(zhuǎn)接排除應(yīng)力集中。

        設(shè)計專用焊接夾具,保證導(dǎo)管軸線與環(huán)形接頭安裝面的位置關(guān)系,以確保噴嘴支管安裝時能自由安裝,避免產(chǎn)生安裝應(yīng)力。

        4 結(jié)論

        通過改變結(jié)構(gòu)材料,優(yōu)化焊接參數(shù),減小焊接殘余應(yīng)力等措施,徹底根除一個翻修期內(nèi)即會出現(xiàn)裂紋故障的技術(shù)難題,有效杜絕因裂紋故障而引起機(jī)械運(yùn)行事故發(fā)生。

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