賈 鐸，楊永華，白永秋，喬 志

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機滑油附件——滑油箱通常由薄不銹鋼板沖壓焊接而成，具有體積大、薄壁件易變形、外形存在偏差等特點[1]。如滑油箱安裝固定結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，容易導(dǎo)致滑油箱在安裝過程中受力過大局部變形，無法滿足滑油箱固定的可靠性要求，因此滑油箱的固定往往成為發(fā)動機附件固定結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。發(fā)動機上的滑油箱常用箍帶和支架進行安裝固定[2-4]，其中滑油箱支架具有支撐、固定定位、降低滑油箱振動的功能，因此支架的結(jié)構(gòu)完整性直接關(guān)系到滑油箱的可靠性[5]。

發(fā)動機支架斷裂存在嚴(yán)重的安全隱患，影響發(fā)動機的正常使用，因此國內(nèi)外學(xué)者們對支架斷裂的原因進行了廣泛研究。李晨陽等[6]針對滑索支架在拉力作用下的應(yīng)力分布進行了有限元分析，并尋求優(yōu)化了滑索支架結(jié)構(gòu)；彭海軍等[7]對某型設(shè)備支架斷裂故障分析認(rèn)為，在振動環(huán)境下支架局部峰值應(yīng)力造成的破壞超過了材料的屈服強度、結(jié)構(gòu)低周疲勞造成的破壞；楊健等[8]分析發(fā)動機總管支架裂紋原因是支架的設(shè)計結(jié)構(gòu)和連接工藝不合理、焊接強度低；李湘勤等[9]建立了位移最小熱力耦合拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，對熱力耦合作用下支撐平臺進行了拓?fù)鋬?yōu)化；胡黎明等[10]分析了裝配工藝對結(jié)構(gòu)件裝配的影響；；李豐豐等[11]、張開闊等[12]認(rèn)為支架生產(chǎn)工藝選擇不當(dāng)導(dǎo)致其在加工過程中存在質(zhì)量缺陷，從而造成支架斷裂；Vandersluis 等[13]基于斷口分析、化學(xué)分析和力學(xué)性能分析等發(fā)現(xiàn)，監(jiān)護支架的失效歸因于支架臂長期承受的低應(yīng)力幅以及單向動態(tài)彎曲高周疲勞；Thillikkani S等[14]發(fā)現(xiàn)支架變截面和振動是導(dǎo)致空客懸架吊耳失效的主要原因。以往研究中，未對支架設(shè)計、制造、裝配、使用等全流程進行分析，不利于揭示支架斷裂的本質(zhì)原因及改進方法。

本文針對某型航空發(fā)動機在試車過程中發(fā)生的滑油箱支架斷裂故障，通過耦合斷口分析和有限元模擬分析進行故障排查，確定了故障原因，并通過改變支架受力方式[15]和提高支架剛度[16]，消除了原滑油箱支架結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的偏載問題。

1 故障簡介

某型發(fā)動機在廠內(nèi)臺架試車過程中發(fā)生滑油箱支架斷裂故障，故障支架為雙吊耳結(jié)構(gòu)，斷裂位置在一側(cè)吊耳處，吊耳整體斷裂，支架斷裂形貌如圖1所示。支架故障前工作時間為20 h。

滑油箱通過前后2 根箍帶固定在發(fā)動機風(fēng)扇機匣上，箍帶在發(fā)動機上方位置通過螺栓和小軸、故障支架連接，并通過螺栓施加擰緊力矩；在發(fā)動機水平位置通過小軸與前下支架連接，具體安裝位置如圖2所示。

圖2 故障支架安裝位置

2 故障分析

2.1 故障樹分析

依據(jù)支架故障件設(shè)計、生產(chǎn)加工、制造、裝配和試車的全流程，找出所有可能造成故障的項目，形成支架斷裂故障樹[1,5-6]（如圖3 所示），用于指導(dǎo)排故工作和方便找出故障的原因。

圖3 支架斷裂故障樹

2.2 支架斷口分析

2.2.1 宏觀檢查

支架吊耳內(nèi)弧磨損痕跡的形貌如圖4 所示。從圖中可見，故障支架吊耳內(nèi)弧表面存在明顯的磨損痕跡（虛線區(qū)域），其中未斷裂吊耳內(nèi)弧表面磨損痕跡較均勻，斷裂吊耳內(nèi)側(cè)存在偏摩痕跡。

圖4 支架吊耳內(nèi)弧磨損痕跡

在與支架吊耳配合的小軸表面、螺栓外表面和小軸螺栓孔內(nèi)壁同樣存在明顯偏摩痕跡，形貌如圖5 所示。

圖5 小軸和螺栓磨損痕跡

2.2.2 斷口分析

對故障支架斷口進行掃描電鏡分析，斷口剖面宏觀形貌如圖6 所示。從圖中可見，疲勞起源于吊耳內(nèi)弧表面，距離內(nèi)側(cè)約1.6 mm 處；斷口表面呈灰白色，可見明顯的疲勞弧線及放射棱線特征。疲勞源區(qū)（圖6 中橢圓區(qū)域）的進一步放大形貌如圖7 所示。從圖中可見，故障支架斷口呈單源特征，疲勞擴展區(qū)可見清晰、細密的疲勞條帶形貌，表明斷裂失效類型為高周疲勞。疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷；對斷口疲勞源區(qū)附近側(cè)表面進行放大觀察，未見明顯的機械加工痕跡；通過對故障支架基體進行能譜分析和金相組織檢查可知，支架滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求，基體組織未見異常。

圖6 故障支架斷口剖面宏觀形貌

圖7 疲勞源區(qū)放大形貌

2.3 裝配測量

為確定故障支架吊耳偏摩原因，對滑油箱的裝配工藝進行復(fù)查，滿足設(shè)計要求。對支架雙側(cè)吊耳相對機匣安裝邊的距離在滑油箱裝配過程中是否發(fā)生變化進行測量檢查，如圖8 所示。測量結(jié)果顯示支架2個吊耳位置變化量差較大，測點2 位置變化量比測點1 的大0.8 mm，表明支架2 個吊耳在對螺栓施加裝配力矩后出現(xiàn)明顯的受力偏載[17]。

圖8 支架吊耳測量位置

2.4 強度分析

2.4.1 靜強度分析

有限元(Finite Element Analysis,FEA)分析應(yīng)力和位移如圖9 所示。支架吊耳A 處徑向變形為1.04 mm，吊耳B 處徑向變形為0.39 mm，變形差為0.65 mm。支架最大應(yīng)力為576 MPa，小于材料的屈服強度825 MPa 和抗拉強度895 MPa；屈服安全系數(shù)為1.3，極限安全儲備系數(shù)為1.55，支架靜強度滿足設(shè)計要求。

圖9 支架應(yīng)力和位移

2.4.2 剛度分析

滑油箱支架安裝如圖10 所示。為了解前后支架在滑油箱安裝后的變形差異，對其分別施加單位載荷（1000 N），計算變形情況，如圖11 所示。滑油箱前后支架的剛度分別為4.35×108、1.49×107N/m，二者的剛度比為29，差別較大，影響滑油箱支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖10 滑油箱前后支架安裝

圖11 前后支架位移

2.4.3 吊耳載荷分配分析

為了解施加載荷后支架上2 個吊耳的載荷分配情況，在與支架配合的小軸螺栓孔處，加載單位載荷（1000 N），計算出吊耳A、B的載荷分配比例為1∶2.67，表明2 個吊耳載荷分配差別較大，存在偏載情況，易造成吊耳應(yīng)力集中。

2.5 振動應(yīng)力分析

為確定故障支架是否承受比預(yù)計中高的振動應(yīng)力，開展了支架振動應(yīng)力測量工作。在支架吊耳位置的最大振動應(yīng)力為18 MPa，此時N1=8594 r/min，對應(yīng)振動頻率為4008 Hz，激振因素為風(fēng)扇第1 級轉(zhuǎn)子28倍頻，振動應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

3 故障機理分析

經(jīng)過上述分析，確定支架斷裂故障原因為滑油箱前/后支架剛度以及故障支架2 個吊耳載荷分配差別大。在滑油箱裝配過程中，在支架吊耳位置發(fā)生明顯的不協(xié)調(diào)變形，使支架由于偏載承受較大的附加裝配應(yīng)力，導(dǎo)致支架吊耳綜合應(yīng)力增大，在吊耳應(yīng)力集中位置發(fā)生高周疲勞斷裂。

4 改進措施制定和驗證

4.1 結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

滑油箱支架結(jié)構(gòu)改進如圖12 所示。從圖中可見，將滑油箱支架結(jié)構(gòu)改為跨安裝邊的橋型結(jié)構(gòu)，取消吊耳結(jié)構(gòu)，以消除變形不協(xié)調(diào)、減小前后支架剛度比問題。支架與箍帶的連接結(jié)構(gòu)采用帶球頭螺母的雙頭螺桿，在發(fā)動機試車時球頭螺母可在一定角度范圍內(nèi)偏擺，保證箍帶與螺桿相互垂直，避免箍帶偏載導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

圖12 滑油箱支架結(jié)構(gòu)改進

4.2 改進結(jié)構(gòu)強度分析

（1）對改進的滑油箱支架結(jié)構(gòu)進行強度分析，其變形位移和應(yīng)力如圖13、14 所示。支架最大應(yīng)力為255 MPa，屈服安全系數(shù)為3.24，極限安全儲備系數(shù)為3.51；雙頭螺桿最大應(yīng)力為260.7 MPa，屈服安全系數(shù)為2.64，極限安全儲備系數(shù)為3.97。改進結(jié)構(gòu)支架的安全系數(shù)提高，靜強度滿足設(shè)計要求。

圖13 改進結(jié)構(gòu)支架變形位移

圖14 改進結(jié)構(gòu)支架應(yīng)力

（2）在單位載荷（1000 N）下，計算出滑油箱改進支架變形情況，前后支架變形位移如圖15 所示。在結(jié)構(gòu)改進后，滑油箱前后支架剛度比為6，2 個支架剛度差別明顯減小。

圖15 前后支架變形位移

4.3 驗證情況

落實結(jié)構(gòu)改進措施后，對改進支架在螺栓擰緊過程中的變形量進行測量，螺栓偏斜情況明顯改善；對滑油箱支架以及相關(guān)管路進行動應(yīng)力測量[15]，動應(yīng)力符合要求；同時經(jīng)過多臺份發(fā)動機長久試車，均未再發(fā)生此類故障，證明改進措施正確有效。

5 結(jié)束語

支架吊耳結(jié)構(gòu)是滑油箱附件固定的典型結(jié)構(gòu)，為避免此類故障再次發(fā)生，在支架前期設(shè)計時應(yīng)對滑油箱的所有支撐結(jié)構(gòu)進行整體受力分析，在滿足強度要求的同時，合理控制支架剛度和吊耳的載荷分配，避免因偏載帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，以提高支架的可靠性。