航空活塞發(fā)動機機匣結合面磨損失效分析 *

吳 江，常虎山，李 飛

(中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307)

0 引 言

航空活塞發(fā)動機機匣是曲軸、凸輪軸、氣缸等重要部件的安裝基座，由兩半鑄造鋁合金箱體，經數(shù)根貫穿螺栓聯(lián)結組合而成。發(fā)動機工作中，機匣承受著燃氣壓力、活塞連桿組件的往復慣性力矩、螺旋槳拉力及其反作用力矩和陀螺力矩、螺旋槳和發(fā)動機振動力等復雜載苛，是發(fā)動機的主要承載部件[1]。隨著發(fā)動機使用時間增加和修理次數(shù)增多，機匣結合面上會產生微小的坑孔。機匣結合面上的微小坑孔不僅會引起滑油滲漏，而且會造成曲軸主軸承間隙過小，可能導致發(fā)動機嚴重損壞。筆者通過對機匣結合面坑孔的三維輪廓分析、微觀形貌分析以及縱切面納米壓痕測試，并結合機匣所承受的載荷以及兩半機匣聯(lián)接的結構特點，分析了產生坑孔的原因，提出了預防措施。

1 試驗結果與分析

1.1 宏觀形貌

機匣結合面上出現(xiàn)的麻點狀微小坑孔，其典型宏觀形貌如圖1所示。微小坑孔分布區(qū)域無明顯規(guī)則，呈隨機分布。

圖1 結合面坑孔形貌

1.2 三維輪廓分析

從機匣結合面上截取了坑孔區(qū)域試樣，進行了三維輪廓掃描，結果如圖2所示。

圖2 坑孔區(qū)域三維形貌

坑孔區(qū)域表面輪廓起伏較大，部分區(qū)域輪廓起伏為10 μm，表面粗糙度約為Ra5。未有坑孔的相鄰區(qū)域表面粗糙度為Ra0.4，坑孔區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的不光滑表面。

1.3 微觀形貌分析

機匣結合面坑孔區(qū)域的微觀形貌如圖3所示，坑孔分布呈隨機狀，坑孔平面尺寸約為0.5 mm?？涌讌^(qū)域微觀形貌具有如下特征：①大部分表面有相對擠壓特點，接觸點較為平整，接觸區(qū)四周或者外圍呈現(xiàn)擠壓隆起特點，形成類似腳印特征，此特征應為靜態(tài)擠壓所致。接觸面沒有明顯的相對位移，但相對擠壓引起了表面輪廓和平整度的改變；②部分區(qū)域有相對滑移特點，如圖3(b)、(c)中箭頭所示，接觸表面發(fā)生相對位移，形成滑移痕跡；③在一定的的擠壓或者撞擊載荷作用下，將異物嵌入到機匣結合面中，少數(shù)區(qū)域有異物嵌入痕跡，如圖3(d)所示。因此，綜合以上特征表明，機匣在長期服役過程中，結合面間可能有持續(xù)的相對位移和撞擊，導致局部微區(qū)域的擠壓或者剝離脫落，產生了微動磨損[2]。

圖3 坑孔區(qū)域微觀形貌

1.4 縱切面納米壓痕測試

將機匣結合面沿著縱深方向切開，采用納米壓痕方法，共計3組實驗，每組8個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點分布為沿著表面向內部間隔50 μm[3]。實驗結果如圖4所示，受表面應力狀態(tài)影響，靠近表面的第一個數(shù)據(jù)點或者前幾個數(shù)據(jù)點，硬度測量結果均比較低。從圖4可以看出，靠近表面100～300 μm范圍內，材料硬度有一定提高。實驗結果表明，機匣結合面間存在相對位移、撞擊或摩擦，近表面區(qū)域材料產生了一定的硬化現(xiàn)象。

圖4 納米壓痕測試結果

2 分析與討論

機匣結構如圖5所示，發(fā)動機工作期間，氣缸中的燃氣壓力分別經氣缸和曲軸連桿機構作用在左、右機匣上，形成機匣上的分離載荷，該分離載荷經聯(lián)結機匣的貫穿螺栓拉力所抵消。貫穿螺栓上的預緊力遠大于機匣分離載荷，燃氣壓力對機匣結合面上的壓應力影響較小。各氣缸中的燃氣壓力相位差引起的曲軸扭轉變形，將在兩半機匣上產生較大的分離載荷，對機匣結合面上的壓應力影響較大。當貫穿螺栓上的預緊力減小或氣缸中的燃氣壓力增大時，機匣結合面上的壓應力可能減小為零[4]。

圖5 機匣結構

曲軸扭轉振動和螺旋槳振動將在兩半機匣上產生沿結合面方向的往復載荷，使得機匣結合面間具有高頻往復移動的趨勢[5]。機匣上有3組載荷抵消上述往復載荷，阻止結合面往復相對移動，具體為：①機匣結合面上安裝有兩個定位銷，其中定位銷一端與左機匣過盈聯(lián)接，另一端與右機匣定位銷孔過渡配合，此結構所產生的定位銷剪切載荷；②機匣上安裝有數(shù)根貫穿螺栓，其中貫穿螺栓中部與左、右機匣上的螺栓孔過盈配合，此結構所產生的貫穿螺栓剪切載荷；③機匣結合面間壓力所產生的摩擦力。

綜上分析可知，機匣上定位銷和貫穿螺栓的配合狀況以及結合面間壓應力大小共同影響結合面間的往復移動程度。發(fā)動機修理過程中，需要將左、右機匣進行分離并重新組裝，此過程會造成定位銷孔和貫穿螺栓安裝孔磨損，導致過盈量減小甚至變?yōu)殚g隙配合。因此，隨著發(fā)動機修理次數(shù)增加，機匣結合面間的往復移動程度越劇烈。

基于前期試驗結果和發(fā)動機結構特點分析可以得出，機匣在振動載荷作用下，因定位銷和貫穿螺栓的配合狀況惡化或過小的貫穿螺栓預緊載荷，結合面間產生往復移動、互相撞擊、摩擦、剝離脫落以及異物侵入，結合面上形成微動磨損，呈現(xiàn)出坑孔形貌。

3 結論和建議

(1) 機匣結合面上產生坑孔的原因為：機匣在振動載荷作用下，因定位銷和貫穿螺栓的配合狀況惡化或過小的貫穿螺栓預緊載荷，結合面間產生往復移動、互相撞擊、摩擦、剝離脫落以及異物侵入，結合面上形成微動磨損。

(2) 為防止或減緩機匣微動磨損，提出以下兩點建議：①機匣組裝時，貫穿螺栓的螺紋部份涂抹滑油，并擰緊至正確力矩，保證應有的預緊載荷；②發(fā)動機修理過程中，應檢查定位銷和貫穿螺栓的配合狀況，確保其為過盈配合。如果出現(xiàn)間隙配合，應使用專用鉸刀對定位銷孔和貫穿螺栓孔進行加大，并使用加大尺寸的定位銷和貫穿螺栓，恢復配合性質。