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某型发动机桨轴螺母锁紧垫圈断裂分析
鹿东荣 伍彩文
(中国航发南方工业有限公司,湖南株洲,412002)
  摘 要:文章针对某型航空发动机桨轴机构的重要零件锁紧垫圈断裂故障,从桨轴与螺母联接结构和故障模式,研究了锁紧垫圈的断裂性质和原因,提出了改进螺母结构、优化装配工艺的针对性改进措施,验证了改进措施的有效性,对于机械断裂失效分析具有较强的指导意义与参考价值。
  关键词:航空发动机;锁紧垫圈;断裂;预紧力;锁爪;应力集中
  紧固件的基本功能是联结并传递载荷,螺纹紧固件由于可以很方便地产生大的轴向力而成为工程中应用最广泛的一类紧固件。紧固件在其制造和使用过程中,由于设计、选材、装配等原因,往往发生早期失效。本文对某型发动机桨轴螺母锁紧垫圈断裂失效原因进行了分析研究,并针对此缺陷,提出了改进措施,对实际应用有一定的指导应用。
  1 基本情况
  1.1桨轴与螺母联接结构
  桨轴螺母联接结构可简化为螺栓联接模型,通过右端的锁紧垫圈、桨轴螺母将外分油衬套、轴承、螺纹封严圈、前涨圈封严套和前涨圈封严内圈固紧在桨轴上。
  通常控制螺栓联接方法有力矩法、扭角法、测量螺栓伸长法、力矩/扭角法等几种。力矩法虽较简单,但由于连接件和被连接件的表面质量(包括粗糙度、螺纹精度、润滑、镀层等)和拧紧速度等差别导致所获得的预紧力误差大且分散,一般误差达±25%,而测量螺栓伸长法较为麻烦和费时。因此桨轴螺母拧紧在设计和工艺上采用的是扭角法,其方法为当连接部件接合面达到密贴后,控制螺母转动一定角度来达到控制力矩的目的,采用转角法需要注意的是,拧紧过程中必须确认连接部件是否密贴。
  由于桨轴工作时承受轴向拉力载荷,而装配拧紧桨轴螺母给桨轴以轴向预紧力,因此桨轴与桨轴螺母螺纹联接属于承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接。
  1.2锁紧垫圈故障模式
  锁紧垫圈在呈180°对称的两个预弯锁爪侧面R部位发生断裂,垫圈表面及断裂部位存在明显的挤压及擦伤痕迹(见图2~图3)。
  断口分析表明,1#、2#断口形貌基本一致,断裂均起始于预弯锁爪外侧R部位,向垫圈内侧扩展,断口呈疲劳断裂特征,断面擦伤较为严重,无冶金缺陷。
  2 原因分析
  2.1零件设计合理性分析
  根据设计尺寸,对桨轴螺母锁紧的相关零件进行装配尺寸链计算,在装配时,将桨轴螺母按装配要求与锁紧垫圈、外分油衬套等零件进行拧紧时,能保证桨轴螺母和锁紧垫圈拧紧到位。此外,为防止桨轴螺母割伤锁紧垫圈贴合面,对桨轴螺母内螺纹边角及锁紧垫圈锁爪需折弯台肩的尖角进行了打磨光滑,因此锁紧垫圈装配时相关零件设计是合理的。
  2.2锁紧垫圈受力分析
  由桨轴的装配图可知,桨轴前涨圈封严套、螺纹封严圈等零件装于桨轴轴颈上并通过锁紧垫圈和桨轴螺母预紧。当桨轴螺母拧至与锁紧垫圈相贴合的平面时,锁紧垫圈与桨轴螺母的贴合面承受桨轴螺母预紧的正压力作用,若锁紧垫圈强度不够,则锁紧垫圈贴合平面将出现塑性变形。
  由于桨轴上螺纹联接拧紧力矩的设计要求是按拧紧角度进行计算,按文献《螺栓拧紧力矩的极限值》和《紧固件连接设计手册》中拧紧圈数推导计算锁紧垫圈贴合面受力,结果表明在要求的拧紧角度预紧作用下锁紧垫圈强度足够。即锁紧垫圈贴合面在正常工作状态下不会发生塑性变形。
  2.3装配工艺合理性分析
  装配时,先将锁紧垫圈安装于桨轴上,对应的两个预弯锁爪分别卡在分油衬套的锁片槽处,再预紧桨轴螺母,然后将桨轴螺母拧紧至要求角度,最后将锁紧垫圈两个保险锁爪折弯卡入桨轴螺母的开槽处。
  复查装配工艺,没有规定桨轴螺母预紧力的大小。而螺纹紧固件连接质量的好坏,很大程度上取决于预紧力,预紧目的在于增强联接的可靠性和紧密性,预紧力将对螺栓的总载荷、联结的临界载荷等产生影响。过大或过小的预紧力均是有害的,所以预紧力的大小、准确度都十分重要。由于使零件端面密贴的预紧力的分界点很难控制,工艺规程上也未作具体规定,因此在实际装配时也是靠人工摸索进行控制。若螺纹紧固件拧的过紧,即预紧力过大,则螺栓可能被拧断,被联接件可能被压碎、扭曲或断裂,也可能螺纹牙被剪断而脱扣;若过小,则会使螺栓疲劳寿命下降,被联接件出现滑移甚至紧固件被剪断。
  桨轴螺母在外圆面上均匀开有16槽,两槽之间的夹角为22.5°,而桨轴螺母的拧紧力矩角为40°±5°,螺母转过两个槽的角度为45°。由于没有规定预紧力的大小,所以无法确定螺母开始计算拧紧力矩角的初始位置,装配时为同时保证拧紧力矩角及锁紧垫圈保险锁爪能够卡入桨轴螺母槽,有可能导致桨轴螺母实际拧紧力矩过大。
  2.4锁紧垫圈断裂原因分析
  根据冶金分析结论,锁紧垫圈为疲劳断裂,起始于预弯爪外侧R部位,向内侧扩展,且源区部分表面擦伤严重。结合该部位装配结构及现场装配情况,分析认为锁紧垫圈断裂起始时所受到的应力较大,原因是拧紧桨轴螺母时,未规定预紧力大小,是靠人为的拧紧至扳不动为止,再用长杆扳手扳过一定角度,而桨轴螺母槽夹角偏大,这使得预紧力和拧紧力矩较难控制,导致故障锁紧垫圈实际拧紧力矩过大,在锁紧垫圈贴合面产生较大的摩擦力,因此在桨轴螺母与锁紧垫圈的部分接触面上留下较严重的擦伤痕迹。由装配结构可知,当拧紧桨轴螺母时,预弯锁爪卡在桨轴外分油衬套锁爪槽内,若拧紧力矩过大,会使预弯锁爪与垫圈平面的转接处R部位承受很大的弯曲应力,造成该部位应力集中,而疲劳裂纹通常形成在导致应力集中的表面不连续性部位,即截面变化部位(台阶和肩部)。
  另外,发动机正常工作时,螺旋桨-桨轴需承受外界变化的气动载荷、飞行时的陀螺力矩、发动机传递的扭矩等力和力矩,由此产生的振动会造成循环惯性力,导致锁紧垫圈与名义上相对静止的接触件(桨轴外分油衬套和螺母)间,产生高频微动应力。在微动交变应力作用下,桨轴外分油衬套上的锁爪槽进一步挤压锁紧垫圈的预弯锁爪,使预弯锁爪的转接R部位在承受拧紧时产生的弯曲应力的基础上叠加微动交变应力产生的弯曲应力,从而萌生疲劳裂纹并扩展,导致断裂失效。
  3 改进措施
  (1)将原来无角度的拧紧盘改进为标印上角度刻印的拧紧刻度盘,并新增转接装置,便于控制拧紧角度,同时采用增力器减轻人力负担;(2)将拧紧桨轴螺母的扭角法改为力矩-转角法,先通过预紧力试验数据统计获得使零件密贴的预紧力,然后再使用增力器转过设计要求的角度,确保拧紧力矩的同时使锁紧垫圈的锁片能锁进桨轴螺母的锁片槽;(3)对桨轴螺母槽数进行改进,由原来的16槽改为24槽,减小螺母槽夹角,以便用转角法装配桨轴螺母时可有效控制拧紧力矩角。
  4 装机验证
  将贯彻上述改进措施的改进件装机进行了600小时试车考核,试车后分解检查,锁紧垫圈外观正常,无变形,磁粉检查合格,这说明上述改进措施是有效的,达到了预期改进目的。
  参考文献
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来源:《中国高新技术企业》2017年3期
2018-08-07