楊洋 張?jiān)俚?/p>

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)代最精密的機(jī)械產(chǎn)品之一[1]，零件數(shù)目多，系統(tǒng)復(fù)雜，研制期間容易出現(xiàn)故障且故障原因較難排查。本文介紹了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子刮磨故障現(xiàn)象。通過(guò)故障樹(shù)分析方法，針對(duì)性的進(jìn)行了相關(guān)檢查工作。結(jié)合檢查結(jié)果對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行深入研究，并采用整機(jī)試驗(yàn)對(duì)故障原因進(jìn)行驗(yàn)證。最終采取相應(yīng)的措施排除故障。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子;卡滯;故障分析

中圖分類號(hào)：TK407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0069-02

1 故障描述

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，運(yùn)行約3小時(shí)后突然發(fā)出尖銳的異響，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值迅速上升并超過(guò)瞬態(tài)限制值，試驗(yàn)臺(tái)緊急停車。停車后檢查發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子卡滯。

如圖1所示，燃?xì)鉁u輪葉片、燃?xì)鉁u輪盤(pán)、承力機(jī)匣、隔熱擋板、燃?xì)鉁u輪軸承座以及雙篦齒封嚴(yán)環(huán)形成了一個(gè)封閉腔，發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查發(fā)現(xiàn)該封閉腔內(nèi)有大量金屬粉末。雙篦齒封嚴(yán)環(huán)的大篦齒磨損嚴(yán)重，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子上的鎖片有翻起斷裂現(xiàn)象。此外，壓氣機(jī)部件轉(zhuǎn)靜子刮磨嚴(yán)重，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子葉尖有輕微刮磨現(xiàn)象。

2 故障樹(shù)分析

結(jié)合故障現(xiàn)象以及分解檢查情況，初步分析認(rèn)為造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子卡滯的主要原因是燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子雙篦齒封嚴(yán)環(huán)與燃?xì)鉁u輪軸承座刮磨粘結(jié)。為排查刮磨的原因，有必要復(fù)查該處加工、設(shè)計(jì)是否存在異常情況。篦齒間隙偏小、零件原材料不合格、零件疲勞斷裂和外來(lái)物是可能導(dǎo)致該處刮磨的因素。以雙篦齒封嚴(yán)環(huán)與燃?xì)鉁u輪軸承座刮磨為頂事件，繪制故障樹(shù)如圖2所示。

3 故障排查及定位

根據(jù)故障樹(shù)中列出的故障原因，針對(duì)設(shè)計(jì)和加工進(jìn)行故障排查工作，排查情況如下。

3.1 篦齒間隙

刮磨部位由雙篦齒封嚴(yán)環(huán)與燃?xì)鉁u輪軸承座形成2道篦齒配合，小篦齒設(shè)計(jì)間隙為（0.2～0.3）mm，大篦齒設(shè)計(jì)間隙為（0.4～0.5）mm[2]。通過(guò)復(fù)查裝機(jī)前的精密計(jì)量數(shù)據(jù)，裝配時(shí)這2處篦齒間隙均控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。本次刮磨為大篦齒處，配合間隙大于小篦齒處，可判斷轉(zhuǎn)子不存在由于裝配或試車引起的不同心導(dǎo)致的偏磨的情況（排除底事件X3）。該發(fā)動(dòng)機(jī)是在運(yùn)轉(zhuǎn)了3小時(shí)之后發(fā)生的故障，如果是由于間隙偏小引起刮磨，則試車開(kāi)始時(shí)會(huì)發(fā)生該故障，因此可排除篦齒間隙偏小引起該故障（排除底事件X1、X2）。

3.2 鎖片冶金分析

為排除鎖片材料缺陷或疲勞導(dǎo)致鎖片斷裂掉入篦齒間隙后引起刮磨故障，對(duì)鎖片進(jìn)行了相關(guān)冶金檢查。

采用能譜分析方式對(duì)鎖片進(jìn)行了化學(xué)成分檢查，結(jié)果符合其設(shè)計(jì)材料GH93的相關(guān)技術(shù)條件要求。

對(duì)鎖片的宏觀斷口分析表明：斷面粗糙，呈灰黑色，存在大量粉末狀覆蓋物，未見(jiàn)疲勞特征。對(duì)鎖片的微觀斷口分析表明：斷口形貌為沿晶特征，晶面光滑，未見(jiàn)韌窩、滑移等韌性特征，見(jiàn)圖3。

對(duì)鎖片的金相檢查結(jié)果表明：鎖片翻轉(zhuǎn)部位顯微組織奧氏體+碳化物，晶粒度為7級(jí)+9級(jí)混晶;正常部位顯微組織為奧氏體+碳化物，晶粒度均勻?yàn)?級(jí)，見(jiàn)圖4。

通過(guò)金相組織、化學(xué)成分，鎖片材質(zhì)及冶金質(zhì)量正常（排除底事件X4）。所有鎖片均出現(xiàn)了二次翻轉(zhuǎn)，鎖片側(cè)面和翻轉(zhuǎn)面上均粘附了大量GH4169粉末，個(gè)別鎖片在翻轉(zhuǎn)部位斷裂，斷面呈沿晶特征，未見(jiàn)疲勞特征，該部位出現(xiàn)7級(jí)+9級(jí)混晶。通常情況下，材料斷裂在晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，斷裂擴(kuò)展的路徑不是沿晶而是穿晶。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，晶界的鍵合力被嚴(yán)重削弱，往往在低于正常斷裂應(yīng)力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴(kuò)展的優(yōu)先通道而發(fā)生沿晶斷裂。由此分析認(rèn)為：鎖片翻轉(zhuǎn)開(kāi)裂是由于局部在高溫粉末顆粒經(jīng)一定徑向沖刷力作用下產(chǎn)生的二次翻轉(zhuǎn)和沿晶斷裂，不是引起碰磨的直接原因（排除底事件X5）。

3.3 雙篦齒封嚴(yán)環(huán)冶金分析

為排除雙篦齒封嚴(yán)環(huán)材料缺陷或疲勞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效引起刮磨故障，對(duì)雙篦齒封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行了相關(guān)檢查。

采用化學(xué)定量分析方式對(duì)雙篦齒封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行了化學(xué)成分檢查，結(jié)果符合其設(shè)計(jì)材料GH4169的相關(guān)技術(shù)條件要求。

對(duì)雙篦齒封嚴(yán)環(huán)的宏觀斷口分析表明：磨損斷裂位于大篦齒處，斷面高低差較大，未見(jiàn)疲勞特征，呈連續(xù)凹凸?fàn)?，可?jiàn)大量粉末覆蓋物。對(duì)雙篦齒封嚴(yán)環(huán)的微觀斷口分析表明：篦齒大部分為磨損特征，被金屬粉末覆蓋。局部可見(jiàn)斷口形貌，微觀為沿晶特征，晶面光滑，見(jiàn)圖5。

對(duì)二級(jí)篦齒磨損斷裂部位的金相檢查表明：斷裂部位顯微組織為奧氏體+碳化物，δ相全部回溶，晶粒度為7級(jí);正常部位顯微組織為奧氏體+δ相+碳化物，δ相呈顆粒、短棒狀分布于晶界及晶內(nèi)，晶粒度為9～10級(jí)，見(jiàn)圖6。

通過(guò)金相組織、成分，雙篦齒封嚴(yán)環(huán)材質(zhì)及冶金質(zhì)量正常（排除底事件X6）。雙篦齒封嚴(yán)環(huán)二級(jí)篦齒部位嚴(yán)重磨損擠壓變形，局部斷口呈沿晶特征，晶面光滑，未見(jiàn)疲勞特征;磨損斷裂部位δ相全部回溶，晶粒明顯長(zhǎng)大，硬度較正常區(qū)域明顯偏低，說(shuō)明雙篦齒封嚴(yán)環(huán)二級(jí)篦齒存在異常磨損超溫現(xiàn)象，局部溫度達(dá)到δ相完全回溶溫度（1020℃）。由此說(shuō)明零件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，由于異常磨損導(dǎo)致局部超溫，晶界弱化，在工作應(yīng)力、摩擦力和溫度共同作用下出現(xiàn)沿晶斷裂（排除底事件X7）。

3.4 金屬粉末分析

對(duì)刮磨形成的金屬粉末進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，金屬末中存在3種材料：GH4169、GH93和表面鍍鉻合金結(jié)構(gòu)鋼。形成封閉腔的零件有以下幾種材料：FGH95（燃?xì)鉁u輪盤(pán)）、GH4169（雙篦齒封嚴(yán)環(huán)）、K4163（燃?xì)鉁u輪軸承座）、1Cr18Ni9Ti（隔熱擋板）、K423A（承力機(jī)匣）、GH93（鎖片），并不存在表面鍍鉻的合金結(jié)構(gòu)鋼零件。因此，不能排除底事件X8。

4 故障機(jī)理分析

根據(jù)上述分析，不能排除的底事件為X8。分析認(rèn)為故障原因是由外來(lái)物進(jìn)入該碰磨部位，引起了雙篦齒封嚴(yán)環(huán)與燃?xì)鉁u輪軸承座的異常刮磨，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)試車的進(jìn)行，刮磨出的粉末堆積在篦齒之間，最終導(dǎo)致了雙篦齒封嚴(yán)環(huán)的嚴(yán)重磨損和鎖片的翻轉(zhuǎn)和斷裂現(xiàn)象。

由于碰磨部位是封閉腔結(jié)構(gòu)，試車過(guò)程中流道中的異物無(wú)法進(jìn)入腔內(nèi)，因此認(rèn)為可能帶入多余物的環(huán)節(jié)主要有以下幾個(gè)過(guò)程：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，安裝燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子和承力機(jī)匣組件過(guò)程中，工具工裝掉塊或粘附的多余物掉落在燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子后端面，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)入篦齒間隙，造成碰磨。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)分解、檢查、轉(zhuǎn)工過(guò)程中，多余物掉落在B腔內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中掉落在燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子和承力機(jī)匣組件形成的封閉腔內(nèi)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)入篦齒間隙，造成碰磨。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)分解、檢查、轉(zhuǎn)工過(guò)程中，多余物掉落在燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)盤(pán)和雙篦齒封嚴(yán)環(huán)的間隙內(nèi)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)入篦齒間隙，造成碰磨。

5 驗(yàn)證情況

將故障損壞的零件更換新件，并按設(shè)計(jì)值控制篦齒間隙后，復(fù)裝該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車。試車情況正常，并且分解檢查未發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子雙篦齒封嚴(yán)環(huán)與燃?xì)鉁u輪軸承座刮磨現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

故障樹(shù)分析法，簡(jiǎn)稱為FTA，又稱為失效樹(shù)分析法，是一種以故障樹(shù)為工具，分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑，對(duì)系統(tǒng)的安全性或可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種圖形演繹方法[3]。FTA已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性分析的一種好方法[4]。本文采用FTA方法，快速地找出了導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子刮磨的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)裝配、分解或轉(zhuǎn)工過(guò)程中帶來(lái)的外來(lái)物。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格相關(guān)過(guò)程的過(guò)程控制，避免類似故障帶來(lái)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失。

參考文獻(xiàn)

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