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        某型發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索斷絲故障分析與預(yù)防

        2022-08-26 10:38:58王金利四達(dá)機(jī)械制造公司
        航空維修與工程 2022年8期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)故障

        ■ 王金利/四達(dá)機(jī)械制造公司

        1 故障描述

        在對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)普查中發(fā)現(xiàn),19號(hào)機(jī)右發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索斷絲1根。當(dāng)年統(tǒng)計(jì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索斷絲故障外場(chǎng)共發(fā)生6起,主要集中在油門鋼索與導(dǎo)向滑輪接觸部位。

        2 鋼索組成及工作原理

        2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)

        如圖1所示,發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)由主動(dòng)滑輪搖臂、傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)、停車聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、油門拉桿、停車?yán)瓧U等組成。該操縱系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、變換工作狀態(tài)以及操縱發(fā)動(dòng)機(jī)停車。工作中可由飛機(jī)座艙內(nèi)的“油門操縱”手柄,通過飛機(jī)上的操縱系統(tǒng)、主動(dòng)滑輪搖臂將轉(zhuǎn)矩傳至主動(dòng)滑輪,再經(jīng)過鋼索系統(tǒng)將扭矩傳至凸輪撥叉組件上的從動(dòng)滑輪,滑輪通過油門拉桿、凸輪撥叉組件、拉桿組件、停車?yán)瓧U等實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油泵調(diào)節(jié)器“油門”搖臂、“停車”搖臂的協(xié)調(diào)同步聯(lián)動(dòng)。

        圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱系統(tǒng)

        2.2 傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)

        傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)滑輪到凸輪撥叉組件上的滑輪形成一個(gè)封閉的“回路”,由主動(dòng)滑輪、4個(gè)導(dǎo)向滑輪組件、凸輪撥叉組件上的滑輪、鋼索等組成[1,2],如圖2所示。

        圖2 傳動(dòng)鋼索系統(tǒng)

        3 故障定位

        3.1 故障模式

        鋼索故障模式有磨損、材料缺陷、意外損傷、銹蝕等。其中,磨損包括磨粒磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損和切削磨損;材料缺陷包括鋼絲繩自身缺陷和鋼絲繩捻制不均勻;意外損傷包括制造安裝過程受損和使用維護(hù)不當(dāng);銹蝕包括使用環(huán)境自然銹蝕和腐蝕液體腐蝕銹蝕。

        3.2 故障件檢查

        選取該發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索故障件(見圖3),開展理化分析確認(rèn)故障原因。

        圖3 鋼索外觀及斷絲位置

        1)宏觀檢查

        在體視鏡下觀察鋼索斷絲位置,鋼絲斷口平齊,斷面基本垂直于鋼絲圓柱表面,無明顯縮頸變形。斷絲處鋼絲外側(cè)有明顯擠壓磨損痕跡,附近未斷絲鋼絲也可見擠壓磨損痕跡(見圖4)。藍(lán)圈為斷絲位置,箭頭所指為擠壓磨損痕跡。

        圖4 斷絲位置及磨損外觀

        在掃描電鏡下放大觀察鋼絲斷絲位置,斷絲位置形貌均類似,斷面基本位于擠壓磨損區(qū)域的中部,擠壓磨損區(qū)域表面有磨痕,擠壓為主要因素,且圓柱表面局部已變平(見圖5),箭頭所示為磨痕。

        圖5 斷絲位置及磨損放大

        2)能譜分析

        對(duì)擠壓磨損區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行能譜分析,擠壓磨損區(qū)域除鋼絲主要元素Fe和C外,含有較多Ti元素。后續(xù)斷面能譜分析和金相制樣的高倍能譜分析均無Ti元素,因此Ti元素為擠壓磨損附著物。分析認(rèn)為,鋼絲表面損傷與其和鈦合金組件擠壓磨損有關(guān)。正常未磨損表面區(qū)域分析可見鋼絲表面為鍍鋅層。擠壓磨損區(qū)域和正常未磨損表面區(qū)域能譜分析結(jié)果見表1。

        表1 擠壓磨損區(qū)域和正常區(qū)域能譜分析

        3)斷口分析

        對(duì)斷口進(jìn)行清洗,在掃描電鏡下觀察斷口形貌,可見斷面磨損嚴(yán)重,如圖6所示。

        從圖6可以看出,斷絲起源于箭頭所示位置(源區(qū)部分被磨損,根據(jù)擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)可判斷源區(qū)方向),該處位于鋼絲表面磨損位置的徑向正對(duì)面。斷面可見明顯的源區(qū)(纖維區(qū))、擴(kuò)展區(qū)(放射區(qū))和瞬斷區(qū),瞬斷區(qū)面積約占斷面面積的25%。斷絲源區(qū)較平坦,邊緣有部分被磨損,未見其他冶金缺陷,擴(kuò)展區(qū)為解理斷絲特征,瞬斷區(qū)為撕裂韌窩形貌[3],如圖7至圖9所示。

        圖6 斷口形貌

        圖7 斷絲源區(qū)形貌

        圖9 斷絲瞬斷區(qū)撕裂韌窩形貌

        4)金相分析

        截取縱向試樣對(duì)鋼絲進(jìn)行金相組織檢查,鋼絲材料組織均勻,未見明顯的冶金缺陷,鍍層較均勻覆蓋鋼絲表面(4μm),鍍層表面均勻覆蓋腐蝕層(3μm),如圖10至圖11所示。

        圖8 斷絲擴(kuò)展區(qū)形貌

        圖10 鋼絲高倍形貌(拋光)

        圖11 鋼絲高倍組織(腐蝕態(tài))

        5)試驗(yàn)結(jié)果分析

        從鋼絲的宏觀和微觀形貌可見,鋼絲斷裂處除擠壓變形外,無明顯縮頸變形,且斷口平齊,擴(kuò)展充分,與人工拉伸斷口縮頸明顯的特征相比,分析認(rèn)為鋼絲斷裂是在正常應(yīng)力水平下起源和擴(kuò)展的。

        從斷裂位置分析,斷裂源位于鋼絲擠壓磨損的中間部位的徑向正對(duì)面,說明擠壓磨損在鋼絲外表面形成的應(yīng)力導(dǎo)致鋼絲局部變形過度,且由于磨損后鋼絲材料表面鍍層和基體均受到損傷,降低了鋼絲的強(qiáng)度,所以在擠壓磨損的正對(duì)面產(chǎn)生微裂紋成為斷裂的起源。能譜分析顯示鋼絲擠壓磨損表面有大量的Ti元素,說明鋼絲表面損傷與其和鈦合金組件的相互擠壓磨損有關(guān)[4,5]。

        6)失效分析結(jié)論

        鋼絲表面受到擠壓磨損后,局部變形過大而產(chǎn)生微裂紋起源,在正常工作應(yīng)力作用下緩慢擴(kuò)展產(chǎn)生應(yīng)力斷裂;鋼絲斷裂與其表面受到鈦合金組件擠壓磨損有關(guān)。

        3.3 故障定位

        根據(jù)故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)及該發(fā)動(dòng)機(jī)故障件檢查結(jié)果,發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索故障模式主要為疲勞磨損,表現(xiàn)形式為斷絲,多發(fā)生在鋼索與滑輪接觸部位。

        4 故障原因分析

        4.1 環(huán)境因素

        根據(jù)鋼索理化分析結(jié)論,鋼索附近存在的沙粒、金屬屑等硬質(zhì)異物使鋼索受到不同程度的磨損,在鋼索局部表面產(chǎn)生應(yīng)力集中,同時(shí)降低了鋼索的疲勞性能,對(duì)鋼索斷絲的影響較大。

        4.2 鋼索個(gè)體差異

        鋼索結(jié)構(gòu)為7根絲擰為1股,再由7股擰為1根鋼索,截面如圖12所示。鋼索絲材為碳素鋼,表面鍍鋅。由于油門鋼索為連續(xù)生產(chǎn),僅能在首尾對(duì)原料鋼絲、半成品繩股和成品油門鋼索進(jìn)行力學(xué)和化學(xué)檢驗(yàn),材質(zhì)及捻制時(shí)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致油門鋼索在使用中出現(xiàn)不可預(yù)見的疲勞斷絲。

        圖12 鋼索截面示意圖

        4.3 使用頻次

        該型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于某型飛機(jī)上,經(jīng)常使用的N2轉(zhuǎn)速范圍為79%~86%,此轉(zhuǎn)速范圍恰好能使飛機(jī)達(dá)到常用的平飛速度進(jìn)行投彈、降落等,但此轉(zhuǎn)速范圍正處于放氣活門關(guān)閉轉(zhuǎn)速到流量調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器交接的轉(zhuǎn)速范圍,發(fā)動(dòng)機(jī)不具有穩(wěn)定性,飛行員需要時(shí)刻調(diào)整油門桿來保證相應(yīng)轉(zhuǎn)速。經(jīng)統(tǒng)計(jì),日常使用中每飛行小時(shí)油門鋼索操作約50次,密集編隊(duì)時(shí)每飛行小時(shí)油門鋼索操作約900次。由于外場(chǎng)頻繁調(diào)整油門,油門鋼索與鈦合金滑輪之間反復(fù)摩擦,導(dǎo)致油門鋼索疲勞磨損,在擠壓力作用下產(chǎn)生裂紋后擴(kuò)展為斷絲。

        5 措施制定

        5.1 廠內(nèi)控制措施

        1)基于該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用特點(diǎn)和故障原因,為提高發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索可靠性,制造廠和修理廠對(duì)原鋼索修理標(biāo)準(zhǔn)(目視檢查應(yīng)無斷絲、銹蝕、磨損;檢查合格后裝機(jī)使用,與生產(chǎn)廠家大修手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致)進(jìn)行修訂,在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)對(duì)油門鋼索換新。

        2)由制造廠和修理廠結(jié)合外場(chǎng)故障處理和巡檢巡修時(shí)機(jī),對(duì)斷絲鋼索材質(zhì)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

        3)對(duì)于前期大修時(shí)未更換油門鋼索但已交付的發(fā)動(dòng)機(jī),由制造廠和修理廠前往部隊(duì)對(duì)油門鋼索進(jìn)行更換。

        5.2 日常性維護(hù)措施

        1)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索與滑輪接觸部位進(jìn)行檢查時(shí),可用抹布握住鋼索輕輕來回捋動(dòng)。當(dāng)感覺到抹布有被掛住現(xiàn)象時(shí),可借助電筒和反光鏡進(jìn)行檢查。輕微轉(zhuǎn)動(dòng)鋼索,以便檢查到鋼索背面,確認(rèn)是否存在斷絲。如果鋼索出現(xiàn)斷絲,則進(jìn)行更換。

        2)采用以綢布擦拭油門鋼索及滑輪的方式進(jìn)行清潔,嚴(yán)禁用汽油、煤油、酒精等清潔油門鋼索及滑輪。清潔干凈后,由兩人配合對(duì)鋼索涂抹薄薄一層滑油(太多油脂會(huì)吸附大量灰塵、雜質(zhì)、水分,導(dǎo)致鋼索磨損、腐蝕),由一人在前艙反復(fù)推拉油門手柄,避免鋼索與滑輪接觸段潤滑不到位。

        3)發(fā)現(xiàn)鋼索銹蝕要用不帶留纖維的布?jí)K浸蘸YH-15液壓油進(jìn)行擦拭。如果無法擦除銹跡,應(yīng)更換鋼索。

        5.3 周期性維護(hù)措施

        增加飛機(jī)(100±20)h周期工作,對(duì)油門鋼索進(jìn)行檢查。檢查鋼索的張力值,應(yīng)符合鋼索張力與環(huán)境溫度關(guān)系曲線要求。如果鋼索出現(xiàn)斷絲,應(yīng)進(jìn)行更換。

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