孫越，遲岑，劉碩，馬曉微

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

0 引言

滑油系統(tǒng)的功能是保障摩擦機(jī)件的潤(rùn)滑、帶走傳動(dòng)件產(chǎn)生的熱量、凈化運(yùn)轉(zhuǎn)磨產(chǎn)生的金屬微粒、在金屬表面形成油膜防止金屬氧化和腐蝕[1-2]?；拖涫腔拖到y(tǒng)中存儲(chǔ)滑油的部件，裝配后需采用箍帶在兩側(cè)對(duì)其進(jìn)行固定，保證工作可靠穩(wěn)定。

本文針對(duì)一種隨產(chǎn)品短時(shí)工作發(fā)生斷裂的滑油箱箍帶，從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度、制造符合性、裝配符合性、產(chǎn)品工作過程受力仿真分析并結(jié)合理化檢測(cè)等方面進(jìn)行排查分析[2]，最終確定了問題產(chǎn)生的原因，制定了相應(yīng)改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品的使用安全可靠性。

1 現(xiàn)象描述

一件用于固定滑油箱的支架組件隨產(chǎn)品短時(shí)間工作后，檢查發(fā)現(xiàn)其箍帶發(fā)生斷裂問題。斷裂位置為箍帶與支架間銷軸連接處，如圖1所示。箍帶本體發(fā)生斷裂，同時(shí)，支架上滑油箱定位銷安裝U形孔發(fā)生磨損。

圖1 滑油箱箍帶斷裂位置示意圖

2 滑油箱支架組件技術(shù)狀態(tài)及作用

滑油箱支架組件由支架、箍帶、膠帶、膠片、小軸、開口銷等組成，支架與箍帶之間由小軸穿插連接，裝配開口銷防止脫出，膠帶與膠片分別裝配于箍帶及支架，防止與滑油箱發(fā)生接觸磨損。發(fā)生斷裂的箍帶材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為TC1，GJB 2505-1995，技術(shù)要求σb≥930 MPa。采用板材線切割+成型加工方法制造。裝配時(shí)，支架組件通過支架下方的螺栓孔安裝與機(jī)匣安裝邊上，滑油箱定位銷落于支架上的滑油箱安裝孔內(nèi)，再用箍帶將滑油箱兩側(cè)箍緊，保證工作過程中滑油箱穩(wěn)定固定。

3 故障樹分析

針對(duì)滑油箱支架組件箍帶斷裂情況，從設(shè)計(jì)、加工、裝配、工況等方面進(jìn)行分析，并建立故障樹，開展排查、驗(yàn)證，如圖2所示。

圖2 故障樹分析圖

3.1 設(shè)計(jì)復(fù)查

3.1.1 結(jié)構(gòu)合理性復(fù)查

滑油箱支架組件為典型結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用十分廣泛。支架組件的箍帶兩側(cè)采用壓彎?rùn)C(jī)壓彎成型后點(diǎn)焊固定，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 箍帶正視結(jié)構(gòu)示意圖

與其它同類結(jié)構(gòu)滑油箱支架組件進(jìn)行對(duì)比，斷裂箍帶與支架連接側(cè)的彎曲半徑設(shè)計(jì)尺寸更大，其余件結(jié)構(gòu)尺寸均無(wú)變化。但分析認(rèn)為，箍帶彎曲半徑尺寸的變化有利于緩解制造壓彎過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，不是引起箍帶斷裂的原因。箍帶所固定的滑油箱，與其它同類結(jié)構(gòu)滑油箱對(duì)比，僅與管路的接口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分析認(rèn)為對(duì)箍帶斷裂無(wú)影響。因此排除底事件X1。

3.1.2 材料強(qiáng)度復(fù)查

斷裂箍帶的材料為TC1 /GJB 2505-1995，其它同類箍帶產(chǎn)品的材料主要為30CrMnSiA / GJB2151-94。經(jīng)查材料標(biāo)準(zhǔn)，30CrMnSiA/GJB2151-94的抗拉強(qiáng)度為540～735 MPa，TC1/GJB 2505-1995 的抗拉強(qiáng)度為590 ～735 MPa，基本相當(dāng)。因此可以排除底事件X2。

3.2 制造符合性復(fù)查

3.2.1 制造工藝文件復(fù)查

箍帶現(xiàn)行有效設(shè)計(jì)圖為B版，主要是對(duì)電阻焊接質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更改；支架現(xiàn)行有效設(shè)計(jì)圖為F版，主要是為了方便工藝對(duì)導(dǎo)圓角的規(guī)定進(jìn)行更改；滑油箱支架組件現(xiàn)行有效設(shè)計(jì)圖為D版，主要是明確支架與膠片之間的粘接要求。上述更改均已貫徹至工藝文件中。

復(fù)查滑油箱支架組件、箍帶及支架的制造加工工藝規(guī)程，均滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。為了提高生產(chǎn)效率，緩解鉗工壓力，辦理了1份臨時(shí)工藝規(guī)程，將支架的鉆孔并锪窩工序由夾具及搖臂鉆改為在數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行，相關(guān)尺寸由數(shù)控程序保證。工藝規(guī)程更改情況以及辦理的臨時(shí)工藝文件不存在驗(yàn)證不充分的工藝方法或環(huán)節(jié)。因此可以排除X4底事件。

3.2.2 生產(chǎn)過程復(fù)查

復(fù)查斷裂批次箍帶，生產(chǎn)過程符合工藝文件要求，經(jīng)并經(jīng)100%檢驗(yàn)，箍帶尺寸、焊接位置尺寸、焊接質(zhì)量等完全符合設(shè)計(jì)圖要求；滑油箱支架組件經(jīng)檢驗(yàn)合格入庫(kù)，生產(chǎn)過程符合工藝文件要求。配套支架所在批次，生產(chǎn)過程符合工藝文件要求，首檢合格入庫(kù)。

經(jīng)上述復(fù)查，箍帶、支架及支架組件的流卡及檢驗(yàn)記錄齊全，未見異常。因此可以排除X5底事件。

3.2.3 結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)測(cè)

由于箍帶已斷裂，只對(duì)其可測(cè)量位置的尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)量尺寸均合格，排除X7底事件。

由于支架組件為一對(duì)，復(fù)查滑油箱上、下兩支架尺寸，發(fā)現(xiàn)中部為U形孔的支架，除孔靠近安裝邊一側(cè)邊緣磨損外，其余尺寸均符合設(shè)計(jì)要求；中部為O形孔的支架，孔心距離基準(zhǔn)平面的距離尺寸超差。

圖4 支架結(jié)構(gòu)及超差尺寸示意圖

其余機(jī)件尺寸經(jīng)測(cè)量均符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 裝配符合性復(fù)查

滑油箱支架組件（一對(duì)），用六角頭螺栓、六角自鎖螺母固定于機(jī)匣安裝邊上。在滑油箱支架上安裝滑油箱，用轉(zhuǎn)接器將箍帶上雙頭螺栓按設(shè)計(jì)要求擰緊力矩進(jìn)行擰緊，用鎖緊鎖絲。將擰緊力矩提交檢驗(yàn)員檢驗(yàn)。

從裝配符合性復(fù)查情況來(lái)看，滑油箱裝配工藝過程合理，未見異常。同時(shí)，滑油箱箍帶槽寬較箍帶尺寸大，且目視檢查即可實(shí)現(xiàn)對(duì)箍帶是否裝入箍帶槽內(nèi)進(jìn)行檢查。因此可以排除X9、X10底事件。

3.4 復(fù)查結(jié)果分析

針對(duì)以上復(fù)查結(jié)果，對(duì)支架尺寸超差的情況進(jìn)行分析，復(fù)查機(jī)件加工過程，發(fā)現(xiàn)零件加工時(shí)以銑平面工序形成的平面和鉆鉸孔形成的的兩個(gè)膠片定位小孔為定位基準(zhǔn)，在加工區(qū)域下型面用兩個(gè)可調(diào)螺釘作為輔助支撐，壓緊另一側(cè)平面底部區(qū)域（裝配有效區(qū)域）的方式進(jìn)行裝夾定位，如圖5所示。

圖5 支架零件夾具及模擬加工示意圖

零件裝夾過程中，操作者使用壓板將零件壓緊后，手動(dòng)調(diào)整輔助支撐螺釘，保證輔助支撐與零件緊密貼合，可滿足加工要求。如操作者未頂緊輔助支撐時(shí)，輔助支撐與零件表面存在縫隙，加工面受鉆削力影響發(fā)生傾斜，就會(huì)導(dǎo)致中心孔位置加工尺寸超差。

圖6 理論加工狀態(tài)

圖7 故障件加工狀態(tài)

支架上的滑油箱定位孔中心位置尺寸超差，O形孔心位置向安裝邊一側(cè)偏移，導(dǎo)致上下兩支架定位孔沿產(chǎn)品軸向位置不一致，而滑油箱下殼體上兩定位銷相對(duì)位置不變?；拖浒惭b后，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)或翹起趨勢(shì)，而箍帶定位未發(fā)生變化，裝配箍緊后，工作過程中在滑油箱摩擦力的作用下，箍帶受到偏拉力。

4 箍帶受力仿真分析

針對(duì)箍帶受到偏拉力情況，采用有限元仿真方法進(jìn)行受力分析[3]?；拖涔繋Вê笥遥┎牧蠟門C1，支架材料為ZTC4，查材料手冊(cè)，計(jì)算時(shí)選取室溫時(shí)的材料參數(shù)。三者裝配結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

正常情況下拉力沿著箍帶延伸方向，當(dāng)存在超差、裝配質(zhì)量誤差或特殊工況時(shí)，箍帶可能還會(huì)受到沿著工作方向的載荷，此時(shí)拉力不再沿箍帶方向即出現(xiàn)“偏拉”現(xiàn)象，兩種情況示意圖如圖8所示。

圖8 箍帶正常受力及受偏拉力情況

支架下端通過螺栓與機(jī)匣連接，在螺栓孔處施加固定約束，如圖9所示。

圖9 約束位置示意圖

根據(jù)拉緊箍帶的螺栓力矩，假設(shè)箍帶的拉力為2000 N，偏拉時(shí)受到沿工作方向的力200 N。這里僅重點(diǎn)對(duì)比正拉、偏拉情況在相同拉力作用下的應(yīng)力差異，而非實(shí)際工況結(jié)果。計(jì)算組件狀態(tài)下箍帶正拉和偏拉兩種方案的應(yīng)力分布情況如圖10、圖11所示。

通過圖10、圖11可知，由于支架組件是一側(cè)固定安裝在機(jī)匣上，整個(gè)組件的約束是左右非對(duì)稱的，故實(shí)際工作中即使是正常的正拉情況，兩側(cè)應(yīng)力也是不對(duì)稱的，但差距不大，基本可以排除X3底事件。當(dāng)出現(xiàn)偏拉現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)氣邊一側(cè)拉應(yīng)力明顯增大，由108 MPa增大到151 MPa。最大位置在圓弧外表面。另外，箍帶彎曲加工成型時(shí)，彎曲圓弧內(nèi)外表面會(huì)存在殘余應(yīng)力，其中圓弧外表面表現(xiàn)為拉應(yīng)力，內(nèi)表面表現(xiàn)為壓應(yīng)力。在實(shí)際工作中再承受拉緊力和振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力的作用效果，達(dá)到一定程度時(shí)容易誘發(fā)疲勞破壞。

圖10 正拉及偏拉狀態(tài)下組合件等效應(yīng)力分布云圖

圖11 正拉及偏拉情況箍帶Z向應(yīng)力分布云圖

5 箍帶理化分析

5.1 宏觀檢查

切取箍帶斷裂處觀察，斷口呈深灰色、較平坦、為疲勞斷口，可見起始于外表面棱邊處的疲勞弧線，箍帶內(nèi)表面可見面積約5 mm×15 mm的碾壓痕跡，裂紋穿過碾壓痕跡擴(kuò)展。

圖12 箍帶斷口形貌

5.2 電鏡檢查及能譜分析

斷口為多源疲勞斷口，可見起始于銷軸裝配處彎曲外表面棱邊的疲勞源和起始于箍帶內(nèi)表面中部的疲勞源，其中箍帶彎曲外表面棱邊的為主疲勞源，主疲勞裂紋起源后向內(nèi)表面及另一端擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中與箍帶內(nèi)表面的疲勞源匯合，直至最后斷裂，放大觀察，斷口氧化較重，有較多二次裂紋，局部可見疲勞條帶，最后斷裂區(qū)韌窩形貌。

箍帶斷口為多源疲勞斷口，主疲勞源位于箍帶銷軸裝配孔彎曲外表面棱邊處，疲勞源區(qū)未見冶金缺陷。箍帶材質(zhì)基本符合TC1。因此可以排除底事件X6。

圖13 斷口二次裂紋及疲勞條帶形貌

圖14 瞬斷區(qū)韌窩形貌

6 故障原因分析

根據(jù)設(shè)計(jì)、制造及裝配符合性復(fù)查結(jié)果，分析認(rèn)為滑油箱支架O形定位孔中心位置尺寸超差，會(huì)導(dǎo)致箍帶在裝配狀態(tài)下受到偏拉力。通過受力仿真分析，箍帶受偏拉力時(shí)其銷軸裝配孔彎曲圓弧進(jìn)氣側(cè)外表面邊緣處為最大應(yīng)力位置，且應(yīng)力水平較箍帶受正常拉力時(shí)更大。工作過程中，在振動(dòng)等外部應(yīng)力綜合作用下，受偏拉力的箍帶在最大應(yīng)力處產(chǎn)生初始裂紋并最終擴(kuò)展斷裂[5]，同時(shí)導(dǎo)致滑油箱下方定位銷與支架定位孔間發(fā)生磨損。因此滑油箱支架定位孔中心位置尺寸超差是導(dǎo)致箍帶發(fā)生斷裂的直接原因。

支架O形定位孔中心位置尺寸超差的原因是，在進(jìn)行鉆孔并锪窩工序時(shí)，因操作者認(rèn)知不足，故障件裝夾過程中夾具輔助支撐未頂緊零件，造成零件受鉆削力影響發(fā)生傾斜，導(dǎo)致鉆孔后尺寸超差。且該件為首檢合格入庫(kù)，因此未發(fā)現(xiàn)尺寸超差而裝配使用。

7 影響分析及改進(jìn)措施

由于滑油箱兩側(cè)均有箍帶固定，分析認(rèn)為，一側(cè)箍帶斷裂后，另一側(cè)箍帶仍可對(duì)滑油箱起到固定作用，同時(shí)連接于滑油箱上的導(dǎo)管也會(huì)對(duì)滑油箱起到一定的支撐作用，短時(shí)內(nèi)滑油箱不會(huì)從定位孔中脫出，可以保證短時(shí)間內(nèi)正常工作。且經(jīng)復(fù)查已制產(chǎn)品，均未發(fā)現(xiàn)斷裂問題，因此認(rèn)為上述支架滑油箱定位孔位置尺寸超差為小概率事件。后續(xù)產(chǎn)品采用數(shù)控設(shè)備代替搖臂鉆及夾具執(zhí)行鉆孔并锪窩工序，可有效避免人為因素導(dǎo)致的產(chǎn)品加工尺寸超差問題，且產(chǎn)品加工后要求進(jìn)行100%檢驗(yàn)，可有效保證交付產(chǎn)品的使用安全可靠性。