呂 彪 ， 吳根牛 ， 何劉海

（1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路輸送燃料、潤滑油和空氣等工作介質(zhì)，其工作的可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，管路的故障可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重故障，甚至影響飛機(jī)飛行安全[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生裝配應(yīng)力[3-6]，工作過程中承受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、內(nèi)部流體脈動(dòng)引起的振動(dòng)、沖擊力、內(nèi)部流體的壓力和溫度載荷，受力情況復(fù)雜多變，斷裂故障時(shí)有發(fā)生[7-13]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油供油管發(fā)生裂紋故障，結(jié)合斷口觀察、金相組織分析、有限元分析、裝配應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力測試結(jié)果，分析裂紋產(chǎn)生的原因，并提出改進(jìn)措施。

1 斷口分析

滑油供油管材料為1Cr8Ni9Ti，圖1為滑油供油管裂紋外觀，在供油管與蓋板釬焊縫焊角部位可見一條沿周向擴(kuò)展的裂紋，長度約占整個(gè)圓周的4/5，裂紋部位未見明顯宏觀塑性變形。圖2為斷口宏觀形貌，可見端面起始部位較平坦，顏色為灰色，呈疲勞斷裂特征，源區(qū)位于供油管外壁焊角部位，為線源，由外壁向管內(nèi)壁及周向擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)存在明顯的放射棱線。圖3為斷口微觀形貌，可以看出，管路裂紋起始于供油管外壁，呈線源特征，源區(qū)未見材質(zhì)及冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見細(xì)密的疲勞條帶。

圖1 供油管裂紋外觀Fig.1 Appearance of pipe crack

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro-appearance of the fracture surface

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro-appearance of the fracture surface

2 有限元計(jì)算和應(yīng)力測試結(jié)果分析

2.1 有限元計(jì)算分析

使用有限元軟件ANSYS中10節(jié)點(diǎn)4面體單元對滑油供油管、蓋板和卡箍進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有55 771個(gè)單元，107 006個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算得到供油管第1、2階固有頻率分別為357、637 Hz，供油管前2階振型可能會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子和燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子不平衡載荷產(chǎn)生的激勵(lì)力激起。供油管前2階振型的振動(dòng)應(yīng)力分布如圖4所示，可以看出，第1階最大振動(dòng)應(yīng)力位于蓋板與供油管轉(zhuǎn)接的焊縫處，與裂紋位置吻合；第2階最大振動(dòng)應(yīng)力位置在卡箍位置附近，螺母附近也存在較高的振動(dòng)應(yīng)力。

為獲得供油管的裝配應(yīng)力和工作過程中的振動(dòng)應(yīng)力，在供油管前2階振型振動(dòng)應(yīng)力較大位置處貼應(yīng)變片，共確定4個(gè)貼片位置，貼片方向均沿管路軸線，如圖5所示。其中，S1測點(diǎn)位于裂紋起始處，S2測點(diǎn)與S1測點(diǎn)位于同一截面，周向成90°，S3測點(diǎn)位于卡箍附近，S4測點(diǎn)位于滑油管另一端螺母安裝處附近。

2.2 裝配應(yīng)力測試結(jié)果分析

按照實(shí)際裝配順序安裝滑油供油管，并測量安裝過程中的應(yīng)力變化。安裝前將應(yīng)變計(jì)較零，安裝完成后，S1測點(diǎn)的應(yīng)力為160 MPa，S2測點(diǎn)應(yīng)力為280 MPa，S3測點(diǎn)應(yīng)力為12 MPa，S4測點(diǎn)應(yīng)力為?85 MPa。裂紋所在截面存在較大的裝配應(yīng)力，S2測點(diǎn)應(yīng)力已超過材料的彈性極限（205 MPa），裂紋起始處（S1測點(diǎn)）的裝配應(yīng)力小于S2測點(diǎn)。由于加工存在分散性，不同管路校形角度可能不同，最大裝配應(yīng)力的周向位置也可能發(fā)生改變。

圖4 前2階振動(dòng)應(yīng)力分布Fig.4 Vibration stress distribution of pipe

圖5 應(yīng)力測點(diǎn)貼片位置Fig.5 Strain gauge position

2.3 振動(dòng)應(yīng)力測試結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)測量了供油管的振動(dòng)應(yīng)力，圖6、圖7分別為S1、S2測點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力瀑布圖，可以看出，管路振動(dòng)應(yīng)力主要頻率成分為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻、燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻和2倍頻，其中動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻站主要成分。供油管第1階固有頻率與動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻重合而發(fā)生共振，圖8為共振狀態(tài)下S1和S2測點(diǎn)的頻譜圖，S1測點(diǎn)最大振動(dòng)應(yīng)力為21.0 MPa，S2測點(diǎn)最大振動(dòng)應(yīng)力為5.6 MPa，S3測點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力為2.3 MPa，S4測點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力為1.7 MPa。

從應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，供油管裂紋起始于振動(dòng)應(yīng)力最大位置（S1測點(diǎn)）。S2測點(diǎn)的裝配應(yīng)力最大，但考慮到加工存在分散性，不同管路校形角度可能不同，最大裝配應(yīng)力的周向位置也可能發(fā)生改變，故障供油管的最大裝配應(yīng)力也可能出現(xiàn)在S1測點(diǎn)。因此，滑油供油管疲勞裂紋是由振動(dòng)應(yīng)力和裝配應(yīng)力共同作用導(dǎo)致。

3 改進(jìn)措施

1）在靠近蓋板附近增加卡箍，改變滑油供油管固有頻率并增加阻尼，減小滑油供油管的振動(dòng)應(yīng)力。

2）加強(qiáng)管路校形，并在校形后去除殘余應(yīng)力，保證校形后供油管裝配時(shí)與管接頭對中，外套螺母擰緊前，應(yīng)可以用手自由地將螺母輕松地?cái)Q至螺紋長度的2/3以上。

圖6 S1測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力瀑布圖Fig.6 Vibration stress waterfall diagram of S1 measuring point

圖7 S2測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力瀑布圖Fig.7 Vibration stress waterfall diagram of S2 measuring point

圖8 測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力頻譜圖Fig.8 Vibration stress spectrum of S1 and S2

4 結(jié)論

1）滑油供油管裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，裂紋起源于管路外壁表面，振動(dòng)應(yīng)力較大位置。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)力激起了滑油供油管較大的振動(dòng)應(yīng)力，管路校形不到位，導(dǎo)致裝配過程中產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，2個(gè)因素共同作用導(dǎo)致了滑油供油管發(fā)生疲勞裂紋。