某航空發(fā)動(dòng)機(jī)掛架失效分析及解決辦法

孫振起，伍澤全，吳安如，陳 蓉，董麗君

（1.湖南工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，湖南湘潭 411101；2.長沙云智航科技有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

小型活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、升功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在渦噴、渦槳、渦軸和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在各類飛機(jī)上的大量應(yīng)用的今天，小型活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍因其優(yōu)點(diǎn)受到青睞，特別在小型無人機(jī)上應(yīng)用很廣[1]。公司生產(chǎn)的無人機(jī)采用POLINI THOR 250二沖程航空發(fā)動(dòng)機(jī)，重量18 kg，動(dòng)力為26.46 kW（36馬力），采用3點(diǎn)懸掛方式固定。

1 測試失效現(xiàn)象描述及失效原因分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)掛架失效現(xiàn)象

POLINI THOR 250二沖程航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，采用3點(diǎn)固定的方式，如圖1所示，圖1a為發(fā)動(dòng)機(jī)及其懸掛桿，圖1b為發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型，圖1c為在測試中發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛之一與測試架裝配在一起的（橢圓圈中所示）。

在給發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸裝配上槳轂及槳葉后點(diǎn)火加油后，螺旋槳轉(zhuǎn)速升高過程中未見異常，在轉(zhuǎn)速升至2000 r/min后運(yùn)行約1 min，實(shí)然出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)從測試架上傾斜、螺旋槳葉片觸地?cái)嗔扬w濺的事故，馬上減油停機(jī)檢查。

圖1 POLINI THOR250發(fā)動(dòng)機(jī)

1.2 失效原因分析

檢查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛3個(gè)支架，其中2個(gè)完全斷裂，另一個(gè)也彎曲變形嚴(yán)重，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)失去重心，嚴(yán)重傾斜，發(fā)生本次事故，圖2所示為損壞的懸掛支架。圖2a為發(fā)生事故后，從發(fā)動(dòng)機(jī)上拆下來的損壞的掛架，可以看出，此掛架發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，并在表面發(fā)生了明顯的磨損；圖2b為事故中折斷的發(fā)動(dòng)機(jī)掛架，由此圖可以看出，此掛架與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的圓孔處發(fā)生了折斷，而用于固定在測試平臺的左側(cè)圓孔處出現(xiàn)了明顯的半圓形黑色痕跡，而右側(cè)的圓孔處出現(xiàn)了明顯的磨損印痕；圖2c是掛架減振塊上橡膠脫落后的情況。由圖2b中孔周圍的黑色痕跡及磨損印痕可以判斷，在掛架失效前，掛架上固定的橡膠減振塊與掛架發(fā)生了強(qiáng)烈的磨擦，也就可判斷發(fā)動(dòng)機(jī)在掛架失效前發(fā)生了劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)導(dǎo)致了減振塊從掛架上脫落，從而引發(fā)更大的振動(dòng)，導(dǎo)致掛架斷裂而失效。由以上分析可知，過度振動(dòng)是引發(fā)事故產(chǎn)生的根本原因，只有找到引發(fā)振動(dòng)的原因，才可能從根本上解決此類事故的再度發(fā)生。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)掛架斷裂部位

1.3 掛架界面微觀分析

圖3為掛架失效后對失效部件進(jìn)行的進(jìn)行了斷面的宏觀及微觀分析，圖3a為發(fā)動(dòng)機(jī)掛架減振塊橡膠與鋼質(zhì)嵌塊斷裂后的界面宏觀照片。由圖3a可以看出，中間部分為白色鋼質(zhì)，周圍為黑色橡膠，可以判斷兩者之間的斷裂為混合型斷裂形式，在中間局部區(qū)域橡膠與鋼材結(jié)合性不好，從而導(dǎo)致從界面開裂；周圍區(qū)域從橡膠內(nèi)部斷裂，這說明在此區(qū)域內(nèi)橡膠與鋼材之間結(jié)合強(qiáng)度好，從而在橡膠內(nèi)部開裂；圖3b為減振塊斷裂界面的光學(xué)顯微照片（×50），由圖可以看出，橡膠上有許多微裂紋及孔洞（圖中箭頭所指處），工作過程中在這些區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致了橡膠從此界面處斷裂；圖3c為掛架斷裂的斷面宏觀照片，可以看到明顯撕裂唇，是由于受力明顯超過其強(qiáng)度極限造成的。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)掛架失效原因及改進(jìn)方法

由以上分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)掛架斷裂的主要原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過大，從而引起橡膠減振塊上的鋼質(zhì)螺栓從兩者的界面上斷裂，斷裂的原因可能由于兩者的界面結(jié)合不好，加之橡膠中有細(xì)小的缺陷（裂紋、孔洞等）導(dǎo)致了減振塊脫落，從而導(dǎo)致掛架斷裂。

經(jīng)過測試，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過大不是發(fā)動(dòng)機(jī)本身的問題，經(jīng)分析可能由于安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上的螺旋槳葉片、槳榖及相關(guān)配件動(dòng)平衡存在問題引起的。在接下來的測試中，首先將槳葉片、槳榖及相關(guān)的配件進(jìn)行動(dòng)平衡檢測，并經(jīng)過相關(guān)處理，使其達(dá)到動(dòng)平衡的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，再將其安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上，并改用了通孔型減振塊，也避免了減振塊失效帶來的風(fēng)險(xiǎn)。沒有再出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛件失效的問題。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)掛架及減振塊斷裂部位

2 結(jié)束語

通過對掛架減振塊、掛架的斷口宏觀、微觀分析、嚴(yán)判，找到了發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)掛架失效斷裂的根本原因，并對相關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測及改進(jìn)，消除了安全隱患，避免了相同事故的發(fā)生。建議后續(xù)增加系統(tǒng)的動(dòng)平衡檢測，并做好質(zhì)量預(yù)防，盡量減少此類質(zhì)量問題發(fā)生。