熊鴻建 , 高彩虹 , 陳學(xué)軍
(中國直升機設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333002)
槳轂中央件是直升機上的關(guān)鍵部件,它是直升機旋翼傳動軸與旋翼槳葉的連接結(jié)構(gòu)[1-3]。支臂限動鎖通過4個連接螺栓與中央件進行固定連接,限動鎖連接螺栓安裝位置如圖1所示。中央件疲勞壽命考核試驗中,限動鎖連接螺栓提前斷裂破壞,針對此現(xiàn)象進行原因分析并改進。
限動鎖連接螺栓的材料為35Cr2Ni4MoA超高強度鋼。該材料具有高強度、高韌性、低冷脆轉(zhuǎn)變溫度、高疲勞強度等性能,適用于制造截面較大的、承受疲勞載荷的關(guān)鍵部件,如軸類、接頭、專用螺栓、起落架零部件等[4]。
國內(nèi)外許多學(xué)者都有在直升機失效分析領(lǐng)域進行研究。F.Vigano等[5]采用譜載荷法對直升機主槳轂進行了全尺寸的疲勞試驗?zāi)P偷臉?gòu)建,并與試驗結(jié)果取得較好的吻合;R.J.H.Wanhill[6]通過分析某架荷蘭直升機在起飛前槳葉失效,發(fā)現(xiàn)飛行實際載荷大于此種材料槳葉所能承受的載荷;SlagerA[7]對直升機主傳動螺旋錐齒輪斷裂進行一系列研究,發(fā)現(xiàn)化學(xué)腐蝕是其主要的失效原因。王影等[8]通過研究鳥撞蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗,建立顯式非線性鳥撞有限元模型,并對比試驗具有較好的準(zhǔn)確性;賈寶惠等[9]根據(jù)現(xiàn)役民用直升機的使用特點,建立了一個三層三級的EDR指標(biāo)評級模型,為直升機金屬結(jié)構(gòu)維修間隔評估提供工程依據(jù);李權(quán)等[10]通過研究主動齒輪軸承失效,發(fā)現(xiàn)滾子尺寸相差較大會導(dǎo)致齒輪失效。
圖 1 限動鎖連接螺栓安裝圖Fig.1 Installation diagram of lock connection bolt
本研究通過宏觀微觀分析、斷口特征分析、硬度檢測、化學(xué)分析等手段,分析連接螺栓斷口性質(zhì),并確定連接螺栓斷裂的原因[11-14]。
槳轂中央件疲勞試驗按照相關(guān)文件要求需要進行75萬次循環(huán)載荷加載,然而在試驗過程中,限動鎖連接螺栓前后經(jīng)歷了2次提前斷裂故障,分別記為故障A、故障B。故障A發(fā)生在1.4萬次循環(huán)載荷加載時,該故障發(fā)生后,通過分析發(fā)現(xiàn)其原因為螺栓擰緊力矩未達到要求,則增加力矩后再進行疲勞試驗。在循環(huán)載荷加載2.1萬次時發(fā)生故障B。對限動鎖連接螺栓強度進行分析,經(jīng)計算限動鎖連接螺栓設(shè)計強度能夠滿足疲勞試驗載荷要求。將2次故障后的連接螺栓分別進行失效分析。
1.1.1 故障A斷裂螺栓宏觀觀察
故障A中有2根螺栓斷裂、2根螺栓彎曲,選其中 2根斷裂螺栓(A1、A2)進行分析。A1、A2螺栓及其斷口宏觀形貌如圖2所示。螺栓斷裂位置均為螺栓頭的第一個螺牙根部位置,螺栓的光桿上有較嚴(yán)重的磨損痕跡。
A1螺栓斷口呈灰色,斷面平坦,源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可辨。源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位,為長線源;裂紋擴展方向如圖2c中白色箭頭所示,沿著螺栓徑向向上擴展,擴展區(qū)占整個斷面的80%以上;上邊緣的深灰色剪切唇粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)。
A2螺栓斷口呈暗灰色,斷面高差較大,源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可辨。源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位,為長線源;裂紋擴展方向如圖2d中白色箭頭所示,沿著螺栓徑向向上擴展,約1/3斷面的較平坦區(qū)域為擴展區(qū),可見有疲勞弧線。后面約2/3高差較大的錐形粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)。
由此可知,A1、A2連接螺栓的斷裂前期宏觀形貌特征基本一致,主要表現(xiàn)為疲勞擴展,而斷裂
圖 2 故障A斷裂螺栓及斷口形貌Fig.2 Fracture bolt and fracture morphology in fault A
圖 3 故障B斷裂螺栓及斷口形貌Fig.3 Fracture bolt and fracture morphology in fault B
B1螺栓斷面源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位,為線源;裂紋擴展方向如圖3c白色箭頭所示,沿著螺栓徑向向上擴展,較大平坦區(qū)域為擴展區(qū),約占整個斷面的80%;上邊緣的粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)。B2螺栓斷面源區(qū)位于螺栓外側(cè)正下邊緣部位,為線源;裂紋擴展方向如圖3d白色箭頭所示,沿著螺栓徑向向上擴展,較大平坦區(qū)域為擴展區(qū),約占整個斷面的60%;上邊緣的粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū),約占整個斷面的40%。
將超聲清洗后的斷裂螺栓放在掃描電鏡下微觀觀察斷口形貌。
1.2.1 故障A斷口微觀觀察
A1連接螺栓斷口微觀形貌見圖4。由圖可知:源區(qū)位于邊緣外側(cè)部位,為長線源起源,高倍觀察可見有磨損磨平形貌和黑色的磨損氧化產(chǎn)物,未見冶金缺陷;擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌,可見有二次裂紋;瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。后期的A2螺栓則為過載斷裂特征,這是因為,在A1螺栓斷裂之后,由于載荷加載失穩(wěn)偏心,導(dǎo)致A2螺栓受到較大的拉伸載荷作用而引起過載斷裂。
1.1.2 故障B斷裂螺栓宏觀觀察
取故障B中2根斷裂螺栓(B1、B2)進行分析。B1、B2螺栓及其斷口宏觀形貌如圖3所示。兩螺栓斷裂位置是在螺栓頭部的圓弧倒角過渡位置,螺栓的光桿上有較嚴(yán)重的磨損痕跡。螺栓整個斷口呈灰色,斷口斷面平坦,源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可辨。
A2連接螺栓斷口微觀形貌與A1斷口形貌類似,斷口源區(qū)位于邊緣外側(cè)部位,為長線源,且多源起源,高倍下可見多條交匯的疲勞臺階,未見冶金缺陷;擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌,也可見二次裂紋;瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。
1.2.2 故障B斷口微觀觀察
B1連接螺栓斷口微觀形貌見圖5。由圖可知:源區(qū)位于右邊邊緣外側(cè)部位,為長線源高倍下可見多條交匯的疲勞臺階,未見冶金缺陷;擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌,且可見一些二次裂紋;瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。
B2連接螺栓斷口微觀形貌與B1斷口形貌類似。源區(qū)位于左上方邊緣外側(cè)部位,為長線源,且多源起源;高倍下可見多條交匯的疲勞臺階,未見冶金缺陷;擴展區(qū)為明顯的疲勞條帶形貌,可見一些二次裂紋;瞬斷區(qū)為典型韌窩形貌特征。
選取其中一個斷口進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1?;瘜W(xué)成分符合材料要求。
圖 4 A1連接螺栓斷口微觀形貌Fig.4 Fracture micromorphology of bolt A1
圖 5 B1連接螺栓斷口微觀形貌Fig.5 Fracture micromorphology of bolt B1
從A1、A2、B1、B2連接螺栓上切取金相試樣(橫向切?。?,進行磨制拋光后腐蝕。金相組織為回火索氏體組織[15-17],組織未見異常(圖6)。
對4個連接螺栓的金相試樣進行硬度檢測,測試結(jié)果見表2。由表可知,4個螺栓硬度值基本一致,按照GB/T 1172—1999碳鋼及合金鋼硬度換算值表[18-19]換算后,符合HBS 363~415的技術(shù)要求。
查找連接螺栓工藝設(shè)計要求發(fā)現(xiàn),螺栓頭與螺桿的過渡區(qū)要求加工為0.8 mm倒圓弧,因此對螺栓的倒角部分進行檢測。用顯微鏡對2件有裂紋的螺栓倒角部位進行檢測,測得B1螺栓倒角為44°20',B2 螺栓倒角為 43°50',故可以得出連接螺栓過渡區(qū)倒角為45°,沒有達到設(shè)計要求。
表 1 連接螺栓化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition analysis of connecting bolts(mass fraction /%)
圖 6 連接螺栓金相組織形貌Fig.6 Metallographic morphology of connecting bolts
表 2 連接螺栓硬度檢測結(jié)果Table 2 Hardness test results of connection bolts
由以上分析可知,A1、A2連接螺栓的斷裂部位都是在螺栓頭的第一個螺牙根部位置,源區(qū)起源于螺栓第一個螺牙根部一側(cè)外表面,沿螺栓徑向擴展,源區(qū)為長線源,擴展區(qū)上微觀可見明顯的疲勞條帶和二次裂紋,由此可判斷,A故障兩連接螺栓的斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。且A1、A2連接螺栓為槳轂中央件2號支臂左側(cè)上、下的兩個連接螺栓,從A1螺栓斷面主要為擴展區(qū)疲勞形貌特征和A2螺栓斷面主要為瞬斷區(qū)韌窩形貌特征可判斷,A2連接螺栓是在A1連接螺栓斷裂失效后,載荷加載失穩(wěn)偏心,導(dǎo)致A2連接螺栓受到較大的拉伸載荷作用而過載斷裂。另外,兩連接螺栓的金相組織和硬度未見異常,符合技術(shù)要求,說明其失效與材質(zhì)無關(guān)。B1、B2連接螺栓的斷裂部位都是在螺栓頭部的倒角過渡位置,源區(qū)起源于螺栓根部一側(cè)外表面,沿螺栓徑向擴展,源區(qū)為長線源且多源,擴展區(qū)上微觀可見明顯的疲勞條帶和二次裂紋,由此可判斷,B故障兩連接螺栓的斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。兩連接螺栓的金相組織和硬度未見異常,符合技術(shù)要求,說明其失效與材質(zhì)無關(guān)。
A故障連接螺栓的斷裂部位為螺栓受剪切應(yīng)力最大的部位,且加上螺紋在此處的界面變化產(chǎn)生較大的的應(yīng)力集中,導(dǎo)致A1、A2連接螺栓易在此部位發(fā)生疲勞斷裂。B故障連接螺栓的倒角過渡位置的界面變化會產(chǎn)生較大的的應(yīng)力集中,加上該部位所受剪切應(yīng)力的作用,導(dǎo)致B1、B2連接螺栓易在此部位發(fā)生疲勞斷裂。
針對此次連接螺栓故障,進行以下改進:
1)增大限動鎖連接螺栓擰緊力矩;
2)限動鎖連接螺栓螺紋及螺栓頭部R區(qū)進行倒圓弧滾壓強化;
3)在光桿表面增加碳化鎢噴涂,增加其耐磨性以減少試驗過程中的表面磨損。
此外,雖然限動鎖連接螺栓設(shè)計強度能夠滿足疲勞試驗載荷要求,但是出于安全性考慮,也適當(dāng)從加工工藝、外徑等方面增強螺栓強度:將限動鎖連接螺栓棒材材料加工工藝更改為Ⅱ類鍛件,將限動鎖連接螺栓直徑從φ10 mm增加到φ12 mm。經(jīng)改進后的連接螺栓在周期性載荷加載下進行75萬次疲勞試驗,不再發(fā)生提前斷裂。
1)連接螺栓斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。
2)A故障連接螺栓斷裂主要原因是由于擰緊力矩小、試驗載荷大造成結(jié)構(gòu)螺紋承受過大試驗載荷,造成螺栓頭的第一個螺牙根部位置的應(yīng)力集中;B故障連接螺栓斷裂主要原因是局部連接細(xì)節(jié)設(shè)計不佳,同時倒圓存在加工質(zhì)量不佳,造成螺栓頭部倒角過渡位置的應(yīng)力集中。