■ 郭祥云 李偉/ 空裝駐武漢地區(qū)第一軍事代表室 凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司

1 故障描述

某型飛機(jī)出動(dòng)前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備時(shí)，在扳動(dòng)第二發(fā)螺旋槳過(guò)程中槳轂整流罩內(nèi)有異響，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)整流罩定位銷釘斷脫。定位銷釘中部有一凸肩，凸肩右側(cè)表面鍍鋅，一段光桿，一段帶螺紋；凸肩左側(cè)表面鍍鉻，均為光桿，如圖1 所示。

圖1 斷裂定位銷釘及其在整流罩上的安裝位置

進(jìn)一步外觀檢查發(fā)現(xiàn)定位銷鍍鉻段長(zhǎng)約22mm、寬約5mm 的區(qū)域擠壓痕跡明顯，表面粗糙不平，且局部出現(xiàn)銹蝕；定位銷從M6 螺紋側(cè)斷裂（見(jiàn)圖2）。螺母與定位銷凸肩側(cè)配合端面擠壓接觸痕跡明顯，且痕跡最重的區(qū)域與裂紋源區(qū)基本對(duì)應(yīng)（見(jiàn)圖3）。

圖2 定位銷鍍鉻段擠壓損傷

圖3 定位銷固定螺母端面擠壓磨損

為查找定位銷釘斷裂原因，對(duì)其進(jìn)行全面普查并完成斷裂定位銷更換工作。檢查發(fā)現(xiàn)，槳轂整流罩?jǐn)嗔讯ㄎ讳N換新后仍發(fā)生磨損。認(rèn)為該槳轂整流罩定位銷附加彎曲載荷仍未消除，且不排除是多方面綜合因素造成的可能，仍需進(jìn)一步溝通了解使用情況，經(jīng)檢查、驗(yàn)證和分析后最終確定故障原因。

2 槳轂整流罩、定位銷釘基本信息及裝配關(guān)系

2.1 槳轂整流罩定位銷情況

每個(gè)槳轂整流罩上安裝8 件定位銷釘，使用壽命隨機(jī)體同壽。定位銷同墊圈、螺母、襯套安裝于盒型件與加強(qiáng)邊上，用于定位槳轂整流罩。

2.2 槳轂整流罩基本信息及裝配關(guān)系

1）槳轂整流罩內(nèi)部構(gòu)造包括：頂部有電加溫元件及固定隔框，中部隔框上裝配有16 個(gè)鎖緊固定銷，底部盒型件與加強(qiáng)邊上（后“支腿”）裝配有8個(gè)導(dǎo)向定位銷。槳轂整流罩通過(guò)固定銷、環(huán)形鎖鉤裝配在槳盤(pán)前后支架上（見(jiàn)圖4）。

圖4 定位銷釘、固定銷和安裝孔的結(jié)構(gòu)形式

2）槳轂整流罩底部導(dǎo)向定位銷與槳盤(pán)后支架定位銷孔為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在槳轂整流罩設(shè)計(jì)圖樣中規(guī)定了定位銷與槳盤(pán)后支架定位銷孔協(xié)調(diào)鉆制和協(xié)調(diào)安裝的要求。

3）螺旋槳修理時(shí)，通過(guò)在槳盤(pán)前后支架上打制標(biāo)識(shí)的方式確保槳轂整流罩底部定位銷與槳盤(pán)后支架定位銷孔為一一對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系。

4）槳轂整流罩地面驗(yàn)裝時(shí)，先將整流罩裝到槳轂上，整流罩上的銷釘應(yīng)能順利插入前后支架的銷環(huán)孔，整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應(yīng)無(wú)碰磨，用專用扳手檢查整流罩“上鎖”和“開(kāi)鎖”應(yīng)靈活。

5）槳轂整流罩機(jī)上裝配時(shí)，由兩人配合將槳轂整流罩置于安裝位置，根據(jù)槳盤(pán)前支架襯盤(pán)鎖調(diào)整安裝角度，并于鎖孔處涂抹適當(dāng)?shù)蜏氐暮娇諠?rùn)滑脂；確定安裝角度后，為槳轂整流罩做好防護(hù)。在確保頂部加溫元件與螺旋槳定心軸套、中部16 個(gè)固定銷與槳盤(pán)前支架銷孔、底部8 個(gè)定位銷與槳盤(pán)后支架銷孔對(duì)正的要求均滿足的情況下，完成裝配工作。用專用扳手上鎖后，檢查整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應(yīng)無(wú)碰磨，如圖5 所示。

圖5 機(jī)上檢查槳轂整流罩后“支腿”與槳盤(pán)后支架應(yīng)無(wú)碰磨

3 故障原因及機(jī)理分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

制訂螺旋槳槳轂整流罩定位銷斷裂檢查方案，按檢查方案對(duì)2 發(fā)槳轂整流罩底部8 個(gè)導(dǎo)向定位銷進(jìn)行了更換；檢查該機(jī)其余槳轂整流罩底部導(dǎo)向定位銷，未見(jiàn)異常；并對(duì)其余同型飛機(jī)進(jìn)行普查，均未見(jiàn)異常。

按技術(shù)要求，修理時(shí)在槳轂整流罩與上下槳盤(pán)支架地面驗(yàn)裝、機(jī)上裝配完成后，檢查整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應(yīng)無(wú)碰磨。通過(guò)檢查能夠發(fā)現(xiàn)整流罩后“支腿”彈性變形情況并及時(shí)處理。

經(jīng)確認(rèn)，由于外場(chǎng)更換螺旋槳無(wú)槳轂整流罩與槳盤(pán)支架驗(yàn)裝工作要求，故在更換2 發(fā)螺旋槳時(shí)未開(kāi)展槳轂整流罩與槳盤(pán)支架的驗(yàn)裝工作，不易發(fā)現(xiàn)槳轂整流罩隔框后部“支腿”存在彈性變形的問(wèn)題。

3.2 斷裂機(jī)理分析

為進(jìn)一步分析斷裂發(fā)生原因，委托專業(yè)失效分析機(jī)構(gòu)對(duì)斷裂定位銷釘進(jìn)行失效分析。

1）斷口宏觀分析

定位銷從M6 螺紋側(cè)斷裂，檢查宏觀形貌，在定位銷螺紋根部有兩個(gè)基本平行的斷口，兩個(gè)斷口上疲勞弧線特征清晰，均為疲勞斷口；斷口A 疲勞擴(kuò)展充分，基本穿透定位銷截面，斷口B 擴(kuò)展深度約1.5mm，斷口面積只有斷口A的1/4 左右，如圖6 所示。根據(jù)弧線收斂方向判斷，疲勞裂紋從兩個(gè)相鄰的螺牙根部起始，沿垂直于定位銷軸線的方向擴(kuò)展，兩個(gè)斷口的裂紋源區(qū)在周向上約呈45°夾角。定位銷最外側(cè)螺紋局部腐蝕，表面有大量腐蝕產(chǎn)物，但斷裂部位附近基本無(wú)腐蝕。

圖6 定位銷斷口宏觀形貌

定位銷鍍鉻段長(zhǎng)約22mm、寬約5mm 的區(qū)域擠壓痕跡明顯，表面粗糙不平，且局部出現(xiàn)銹蝕。定位銷鍍鋅光桿段也有近1/2 圓周的區(qū)域有較重的擠壓接觸痕跡。鍍鉻段擠壓損傷區(qū)與兩個(gè)疲勞斷口的源區(qū)位置基本在同一側(cè)，而鍍鋅光桿段的擠壓痕跡位于裂紋源區(qū)約呈180°的位置。

螺母與定位銷凸肩側(cè)配合端面擠壓接觸痕跡明顯，且痕跡最重的區(qū)域與裂紋源區(qū)基本對(duì)應(yīng)。

2）微觀分析

在掃描電鏡下觀察斷口，斷口A 從螺紋根部線性多源起始，裂紋源長(zhǎng)約5mm，接近螺紋部位的1/4 圓周長(zhǎng)度，源區(qū)表面鍍鋅層完整，未見(jiàn)腐蝕或異常接觸痕跡，如圖7所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶清晰，擴(kuò)展充分，疲勞擴(kuò)展后期可見(jiàn)條帶與韌窩混合形貌，在距源區(qū)最遠(yuǎn)端局部為斜斷口，微觀均為韌窩形貌，屬于最后的瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)面積不足斷口A的5%，如圖8 所示。

圖7 斷口A疲勞源區(qū)

圖8 最后形成的斜斷口

斷口B 也是從螺紋根部線性多源起始，裂紋源長(zhǎng)約4mm，源區(qū)表面完整，未見(jiàn)異常痕跡，疲勞擴(kuò)展區(qū)放射棱線及疲勞特征清晰，如圖9所示。斷口B 沿大致垂直于軸線的方向擴(kuò)展1.5mm 后，向斷口A 所在斷面轉(zhuǎn)向，形成一個(gè)寬約0.5mm 的縱向斷面（斷口C）；斷口C 與斷口A、B 相鄰的局部可見(jiàn)疲勞特征，其余大部分為韌窩形貌，如圖10、圖11 所示。

圖9 斷口B宏觀形貌

圖10 連接斷口A、B的縱向斷口C

圖11 斷口C低倍形貌

掃描電鏡下檢查鍍鉻段擠壓區(qū)形貌，該部位表現(xiàn)為金屬碾壓及細(xì)小的磨損特征。能譜分析碾壓區(qū)表面成分主要含O、Fe、Cr、Si 元素，與鍍鉻表面相比，Cr 元素含量明顯偏低，表明碾壓部位鍍鉻層已不完整，但未發(fā)現(xiàn)其他外來(lái)金屬元素，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定位銷擠壓磨損區(qū)域能譜分析結(jié)果（wt%）

3）硬度檢測(cè)

在定位銷取樣檢查硬度，實(shí)測(cè)顯微硬度平均值為395HV0.3，換算成抗拉強(qiáng)度為1287MPa，符合技術(shù)要求的120±l0kgf/mm2（ 相 當(dāng) 于1122 ～1326MPa）。

4）分析討論

定位銷斷口宏觀可見(jiàn)疲勞弧線，微觀可見(jiàn)清晰的疲勞條帶，其斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。裂紋從螺紋根部起始，在兩個(gè)相鄰的螺牙根部分別萌生了兩條疲勞裂紋，其中主裂紋疲勞擴(kuò)展充分，瞬斷區(qū)占整個(gè)斷口面積的5%以內(nèi)，另一條疲勞裂紋擴(kuò)展1.5mm 后轉(zhuǎn)向，與主疲勞裂紋匯合。

兩條疲勞裂紋從螺紋根部起始，均為線源，源區(qū)鍍層完整，無(wú)腐蝕或異常接觸痕跡。兩條裂紋基本出現(xiàn)在定位銷同一側(cè)，上述特征表明定位銷在裂紋起源側(cè)承受的應(yīng)力較大。

定位銷與螺母、墊圈等一起安裝在整流罩盒型件和加強(qiáng)邊上，定位銷鍍鉻段插入槳盤(pán)后支架中，用于定位槳轂整流罩，每個(gè)整流罩上有8 件定位銷。故障定位銷鍍鉻段單側(cè)有明顯擠壓損傷痕跡，且擠壓痕跡與疲勞裂紋源區(qū)位置基本對(duì)應(yīng)，同時(shí)螺紋側(cè)光桿段也有類似擠壓痕跡，該痕跡出現(xiàn)在與裂紋源周向180°的部位，表明定位銷凸肩左右兩側(cè)承受了彎曲載荷。螺母端面擠壓接觸痕跡較重，表明螺母擰得較緊，當(dāng)螺母與定位銷凸肩之間壓緊時(shí)，一旦定位銷承受彎曲載荷，必然會(huì)通過(guò)螺母在承拉側(cè)螺紋根部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。因此，分析認(rèn)為，定位銷螺紋根部萌生疲勞裂紋的原因是定位銷與槳盤(pán)后支架配合不當(dāng)產(chǎn)生較大彎曲載荷所致。故障定位銷所在的加強(qiáng)邊與槳盤(pán)后支架可能存在孔位不對(duì)正或尺寸匹配不好等問(wèn)題，導(dǎo)致定位銷安裝后承受附加彎曲載荷，在螺母壓緊情況下，拉應(yīng)力傳遞至螺紋根部，從而在長(zhǎng)期使用中萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展斷裂。

3.3 故障原因分析

針對(duì)故障情況和定位銷擠壓痕跡，依據(jù)槳轂整流罩機(jī)上裝配要求，分析故障原因，建立故障樹(shù)，如圖12 所示。根據(jù)專業(yè)失效分析機(jī)構(gòu)出具的失效分析報(bào)告，排除定位銷材料和制造缺陷原因；同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合檢查情況，排除槳盤(pán)串件、上下槳盤(pán)裝配錯(cuò)誤、壓縮量不符合要求、定位銷彎曲變形、整流罩串件等原因，具體分析如下：

圖12 定位銷釘斷裂故障樹(shù)分析圖

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物檢查情況，發(fā)現(xiàn)槳盤(pán)后支架定位銷孔邊緣存在磨損情況（見(jiàn)圖13）。

圖13 槳盤(pán)后支架磨損情況

2）在槳轂整流罩定位銷與槳盤(pán)后支架定位銷孔未對(duì)正情況下，對(duì)槳轂整流罩進(jìn)行裝配時(shí)，定位銷導(dǎo)向錐面與定位銷孔邊緣接觸，定位銷導(dǎo)向錐面會(huì)產(chǎn)生磨痕。當(dāng)定位銷進(jìn)入定位銷孔后，由于圖樣中規(guī)定定位銷與定位銷孔為間隙配合（單邊0.25mm），因此定位銷的外表面與定位銷孔內(nèi)表面會(huì)有間隙存在，不會(huì)產(chǎn)生縱向擠壓痕跡。

3）檢查已斷裂和與其相鄰的導(dǎo)向定位銷時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)定位銷均存在縱向擠壓痕跡，只是擠壓痕跡深淺程度不同，說(shuō)明槳轂整流罩隔框后部“支腿”存在不同程度的變形。在槳轂整流罩拆裝時(shí)，將槳轂整流罩取下后，槳轂整流罩處于自由狀態(tài)，其槳轂整流罩隔框后部“支腿”可能產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致在裝配槳轂整流罩時(shí)定位銷的導(dǎo)向錐面與外表面均與定位銷孔內(nèi)表面產(chǎn)生應(yīng)力接觸，當(dāng)槳轂整流罩繼續(xù)向上鎖位置移動(dòng)時(shí)，定位銷與定位銷孔就會(huì)產(chǎn)生縱向擠壓痕跡。已斷裂導(dǎo)向定位銷縱向擠壓痕跡較深，該定位銷承受附加彎曲載荷，進(jìn)而將應(yīng)力傳遞至螺紋根部，使其在長(zhǎng)期使用中萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展斷裂；其相鄰的定位銷縱向擠壓痕跡較淺，雖承受附加彎曲載荷，但還未擴(kuò)展斷裂。

綜合分析認(rèn)為，槳轂整流罩裝配未對(duì)正、槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形是造成槳轂整流罩?jǐn)嗔讯ㄎ讳N與槳盤(pán)后支架配合不當(dāng)?shù)脑颉?/p>

4 結(jié)論

綜合斷口宏觀、微觀、金相等分析結(jié)果和槳轂整流罩的裝配使用等情況，確定槳轂整流罩定位銷斷裂故障原因?yàn)椋河捎跇炚髡指艨蚝蟛俊爸取弊冃问苟ㄎ讳N與槳盤(pán)后支架不同軸，定位銷所在的加強(qiáng)邊與槳盤(pán)后支架可能存在孔位不對(duì)正或尺寸匹配不好等問(wèn)題；重新裝配后導(dǎo)致定位銷與槳盤(pán)后支架配合不當(dāng)產(chǎn)生附加彎曲載荷擠壓，在螺母壓緊情況下，拉應(yīng)力傳遞至螺紋根部，從而在長(zhǎng)期使用中萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展斷裂，屬偶發(fā)故障。

5 措施建議

為杜絕槳轂整流罩定位銷釘斷裂故障情況的發(fā)生，制訂如下改進(jìn)措施：

1）修理中嚴(yán)格按工藝要求，重點(diǎn)檢查定位銷釘松動(dòng)、磨損及槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形情況，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)、損壞時(shí)要求及時(shí)更換；槳轂整流罩隔框后部“支腿”變形，用橡膠榔頭對(duì)槳轂整流罩“支腿”后部進(jìn)行校形。

2）螺旋槳槳轂整流罩機(jī)上裝配時(shí)，先進(jìn)行地面驗(yàn)裝。將槳轂整流罩對(duì)準(zhǔn)螺旋槳槳盤(pán)支架定位孔，垂直放到螺旋槳上并上鎖。從下往上檢查定位銷與定位孔是否同軸；解鎖后，取下槳轂整流罩，目視檢查槳轂整流罩后“支腿”8 個(gè)定位銷外表應(yīng)無(wú)劃傷、磨損痕跡。

3）螺旋槳槳轂整流罩機(jī)上裝配時(shí)，應(yīng)防止加溫導(dǎo)線及鎖鉤刮碰；將槳轂整流罩后“支腿”8 個(gè)定位銷與后槳盤(pán)支架定位孔基本對(duì)正，并盤(pán)槳一周檢查，檢查定位銷與后槳盤(pán)定位孔是否發(fā)生偏移；再將槳轂整流罩用手推至底部，盤(pán)槳一周檢查，檢查定位銷是否進(jìn)入后槳盤(pán)定位孔，然后上鎖。

4）螺旋槳槳轂整流罩機(jī)上裝配上鎖可靠后，檢查槳轂整流罩后“支腿”與后支架外邊緣應(yīng)無(wú)碰磨、擠壓變形情況。如有碰磨、擠壓變形情況，用橡膠榔頭對(duì)槳轂整流罩“支腿”后部進(jìn)行校形，消除槳轂整流罩后“支腿”碰磨、擠壓變形。

用戶在外場(chǎng)更換螺旋槳過(guò)程中，在螺旋槳吊裝前，應(yīng)對(duì)槳轂整流罩與螺旋槳上下支架進(jìn)行驗(yàn)裝，確認(rèn)良好后再進(jìn)行機(jī)上裝配工作。

5）日常維護(hù)工作中，加強(qiáng)檢查，更換有縱向擠壓痕跡的定位銷。同時(shí)，對(duì)該定位銷所處的槳轂整流罩隔框后部“支腿”進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，確保槳轂整流罩定位銷與槳盤(pán)后支架定位孔的配合關(guān)系。

通過(guò)實(shí)踐證明，采取上述改進(jìn)措施后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺旋槳槳轂整流罩定位銷釘在使用過(guò)程中的松動(dòng)和磨損，螺旋槳槳轂整流罩定位銷釘斷裂故障得到了有效控制。