某型航空發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器彈簧片裂紋故障分析

姚俊華 陶敏

摘要：某型航空發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器在外場使用中電門杠桿組件的彈簧片出現(xiàn)裂紋，經(jīng)外觀、微觀檢查，確定了彈簧片裂紋的性質(zhì)，制定了相應(yīng)的修理及預(yù)防措施，為今后類似故障的排除提供借鑒。

關(guān)鍵詞：彈簧片；裂紋；預(yù)防措施

Keywords：spring slice；crack；prevention measures

1 故障描述

某型航空發(fā)動機(jī)地面試車檢查，當(dāng)發(fā)動機(jī)從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)為應(yīng)急狀態(tài)時多次發(fā)生應(yīng)急工作異常故障，故障表現(xiàn)形式為：當(dāng)油門桿處于慢車狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)排氣溫度急劇上升，發(fā)動機(jī)無法繼續(xù)工作。更換燃油調(diào)節(jié)器的應(yīng)急放氣電門組件后故障排除。進(jìn)一步檢查應(yīng)急放氣電門組件，發(fā)現(xiàn)電門杠桿組件的彈簧片有裂紋。故障件如圖1所示。

電門杠桿組件主要由彈簧片、杠桿架等組成，鉚釘將彈簧片與杠桿架固定連接，如圖2所示。彈簧片所用材料為65Mn彈簧鋼，厚度為0.7mm，表面進(jìn)行了鍍鎘鈍化處理。

2 斷口失效分析

2.1 宏觀檢查

從圖1可以看出，電門杠桿組合件上的彈簧片彎曲部位裂紋位于彈簧片上表面轉(zhuǎn)角根部，彈簧片與杠桿架接觸的表面局部發(fā)黑，表面鍍層不完整。杠桿架沒有明顯塑性變形。彈簧片螺栓連接處表面存在一定程度的磨損。

2.2 微觀檢查

對彈簧片進(jìn)行觀察，上表面裂紋開裂，裂紋呈直線狀，附近可見次生的小裂紋，如圖3所示。

人為打開彈簧片裂紋，對斷面進(jìn)行觀察：斷口平整沒有明顯的塑性變形；斷口源區(qū)起始于彈簧片上表面轉(zhuǎn)角處，局部已沒有鍍鎘層（見圖4）；大部分?jǐn)嗔研蚊矠榈湫偷难鼐嗔烟卣鳎揖植坑懈g特征（見圖5）；部分?jǐn)嗫诒桓街锔采w（見圖6）；靠近彈簧片下表面的局部斷口為剪切撕裂韌窩形貌，該區(qū)域為最后形成的瞬斷區(qū)（見圖7、圖8）。斷口側(cè)面附近可見二次裂紋及腐蝕點形貌（見圖9），這是應(yīng)力腐蝕微觀斷口的常見形貌。

2.3 能譜分析

對彈簧片斷口表面進(jìn)行能譜分析，彈簧件附著物含有C、O、S、Cl等元素，為腐蝕產(chǎn)物，其能譜分析結(jié)果如表1所示。離源區(qū)越近，腐蝕產(chǎn)物越明顯，即越靠近彈簧片表面的斷口，腐蝕產(chǎn)物越多，腐蝕特征越明顯。

2.4 分析結(jié)論

上述分析表明，彈簧片斷口為沿晶斷裂形貌，斷面上可見腐蝕物并可檢測出腐蝕元素O、S、Cl，裂紋起始于彈簧片上表面轉(zhuǎn)角處。因此，應(yīng)急放氣電門組件電門杠桿彈簧片斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕斷裂。

3 裂紋故障原因分析

3.1 工作原理分析

如圖10所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換為應(yīng)急工作狀態(tài)時，當(dāng)油門桿角度≤77°，油門桿頂壓機(jī)械力小于電門杠桿組件彈簧片彈力，不能按下微動電門按鈕，放氣活門應(yīng)急電路通電，接通手動應(yīng)急電磁閥，放氣活門打開；當(dāng)油門桿角度>77°，頂壓機(jī)械力大于電門杠桿組件彈簧片彈力，微動電門按鈕被按下，放氣活門應(yīng)急電路斷電，放氣活門關(guān)閉。

因此，無論發(fā)動機(jī)是在正常狀態(tài)還是在應(yīng)急狀態(tài)，應(yīng)急放氣電門組件彈簧片始終隨油門桿角度的變化而不同程度地被壓緊，彈簧片上表面長期受到拉應(yīng)力作用，彈簧片彎曲部位為應(yīng)力集中區(qū)，隨著工作時間的增加出現(xiàn)疲勞裂紋，最終開裂。

3.2 修理方法分析

現(xiàn)行技術(shù)文件中對電門杠桿組件規(guī)定了檢查彈簧片的角度，但未對彈簧片彎曲部位做具體檢查要求。斷口失效分析中提到彈簧片裂紋源區(qū)表面鍍層有缺失。若彈簧片彎曲部位鍍層脫落，會使基體局部抗腐蝕能力變差，可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

彈簧片彎曲部位因彎曲形成應(yīng)力集中區(qū)，若彎曲部位有磕碰傷，會造成組織形變，在某些部位形成尖銳角，使工作截面變小、應(yīng)力增加，隨著工作時間的增加將出現(xiàn)裂紋。因此，有必要對彈簧片彎曲部位的表面質(zhì)量提出具體的檢查要求。

4 修理及預(yù)防措施

針對彈簧片裂紋故障原因，提出如下修理及預(yù)防措施。

1）在彈簧片制作時，建立疲勞試驗規(guī)范，增加對彈簧片的疲勞試驗考核，以保證彈簧片的工作可靠性。

2）將彈簧片作為必?fù)Q件，修理時予以更換。

3）重點檢查彈簧片彎曲部位，不允許有坑點、壓痕，表面鍍層應(yīng)完好。

4）增加電門杠桿磁粉探傷檢查要求，彈簧片彎曲部位應(yīng)無裂紋。

5）為防止彈簧片發(fā)生磕碰類損傷，在產(chǎn)品修理完成后及產(chǎn)品交接中須將產(chǎn)品裝入專用盒內(nèi)。

5 使用驗證

在燃油調(diào)節(jié)器應(yīng)急放氣電門組件修理工作中已貫徹上述預(yù)防措施。跟蹤近兩年來外場使用情況，再未發(fā)生因彈簧片裂紋導(dǎo)致發(fā)動機(jī)應(yīng)急工作異常的故障。

參考文獻(xiàn)

[1]王云普. 某型發(fā)動機(jī)構(gòu)造[Z]. 空軍第二航空學(xué)院，1998.

[2]張棟，鐘培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2008.

作者簡介

姚俊華，高級工程師，從事航空發(fā)動機(jī)電器附件技術(shù)工作。

陶敏，工程師，從事失效分析及檢測分析工作。