宋丙新 熊高峰

摘要：分析了某型航空發(fā)動機渦輪后機匣外封嚴環(huán)固定螺釘脫落故障的模式和機理，利用瞬態(tài)動力學方法計算固定螺釘保險鎖片使用改進材料前后在承受4. 6N·m力矩時的總位移，得出了將保險鎖片材料由1Cr18Ni9Ti改為GH536后，抗變形能力提高2.74倍的結(jié)論，提出了保險鎖片設計改進意見。

關(guān)鍵詞：外封嚴環(huán);固定螺釘;瞬態(tài)動力學;故障;分析;改進

在進行某型航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子檢查時，發(fā)現(xiàn)其低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動卡滯，進一步檢查發(fā)現(xiàn)有一顆脫落螺釘卡在低壓渦輪轉(zhuǎn)子與渦輪后機匣之間，螺釘表面有磨損痕跡。分解發(fā)動機后檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機渦輪后機匣外封嚴環(huán)有一顆固定螺釘脫落。初步分析認為，發(fā)動機渦輪后機匣外封嚴環(huán)上的一顆螺釘脫落后，卡在低壓渦輪轉(zhuǎn)子與渦輪后機匣之間，導致低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動卡滯。

1故障模式和機理分析

1.1故障模式

發(fā)動機渦輪后機匣外封嚴環(huán)的結(jié)構(gòu)主要由固定螺釘、外封嚴環(huán)和保險鎖片組成（見圖1）。對故障渦輪后機匣外封嚴環(huán)圓周的16處固定螺釘進行檢查，發(fā)現(xiàn)有2處出現(xiàn)保險鎖片鎖緊邊變形，對應的固定螺釘松動。因此，渦輪后機匣外封嚴環(huán)固定螺釘脫落故障的故障原因為保險鎖片鎖緊邊變形，導致鎖緊功能失效，固定螺釘失去周向約束，在振動載荷作用下松動，嚴重時脫落。

1.2故障機理

該保險鎖片材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，屬薄壁件結(jié)構(gòu)，裝配中通過鎖緊邊彎曲變形起到約束固定螺釘周向轉(zhuǎn)動，鎖緊固定螺釘?shù)淖饔?，其安裝結(jié)構(gòu)見圖2所示。

發(fā)動機工作中，螺釘承受到由渦輪后機匣傳遞的振動載荷，保險鎖片承受來自螺釘?shù)倪B續(xù)隨機振動載荷。保險鎖片在受到上述載荷作用下，經(jīng)計算，當保險鎖片鎖緊處最大位移為0.75mm時，保險鎖片完全失效，如圖3所示。

2計算方案分析

2.1強度分析類型

該固定螺釘初始裝配力矩為9N·m，在螺釘上施加初始裝配力矩，通過瞬態(tài)動力學分析，計算保險鎖片在該力矩下的總位移。然后根據(jù)計算結(jié)果，將保險鎖片總位移0.75mm作為自變量，施加的力矩作為因變量，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強度迭代，以保險鎖片總位移0.75mm時的理論計算力矩M0.75進行驗證分析。最后，在考慮保險鎖片承溫能力的前提下，選用一種強度更高的材料，在固定螺釘上施加理論計算力矩M0.75，計算此時的新材料保險鎖片總位移，將計算結(jié)果作為保險鎖片材料改進的依據(jù)。

2.2邊界條件

本方案主要計算保險鎖片在一定量力矩下的總位移，因此，求解中假設外封嚴環(huán)固定，保險鎖片分別和外封嚴環(huán)、螺釘建立接觸對，接觸單元設置為無摩擦（Frictionless）及摩擦（Frictional）;螺釘上建立以螺釘中軸為旋轉(zhuǎn)中心的關(guān)節(jié)（ Joints），并在此關(guān)節(jié)上施加初始量為以此為9N·m、5N·m及2N·m的力矩，分別求解在此力矩下保險鎖片的總位移;在外封嚴環(huán)三處分別設置固定約束（Fixed）。施加的邊界條件及接觸單元如圖4、圖5所示。

3計算過程與計算結(jié)果分析

3.1計算過程

針對固定螺釘、外封嚴環(huán)和保險鎖片三個零件的結(jié)構(gòu)特點，本計算方案中固定螺釘采用四面體網(wǎng)格劃分，外封嚴環(huán)采用了多區(qū)域網(wǎng)格劃分，保險鎖片采用了六面體網(wǎng)格劃分，并且為求解其變形及位移，六面體網(wǎng)格保留了中點節(jié)點，降低了網(wǎng)格的剛度系數(shù)。單元及網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

3.2計算結(jié)果及分析

保險鎖片首先采用1Cr18Ni9Ti材料計算，通過瞬態(tài)動力學分析，并且經(jīng)過多次強度迭代求解得知，螺釘承受4.6 N·m力矩時，保險鎖片的總位移為0.75464mm。此時，保險鎖片完全失效，導致螺釘自由轉(zhuǎn)動后松動或者脫落。加載及計算結(jié)果如圖7所示。

3.3改進保險鎖片材料后計算結(jié)果及分析

為抑制保險鎖片變形，選擇硬度和抗拉強度更高的GH536材料作為改進后保險鎖片材料，其改進前后材料對比見表1。

再次施加4.6N·m力矩時，經(jīng)計算，GH536材料保險鎖片的總位移為0.27463mm，遠小于完全失效位移0.75mm。此時，保險鎖片功能正常，螺釘無法自由轉(zhuǎn)動。加載及計算結(jié)果如圖8所示。

4結(jié)論

1）渦輪后機匣外封嚴環(huán)固定螺釘脫落故障的故障原因為保險鎖片鎖緊邊變形，導致鎖緊功能失效，螺釘失去周向約束，在振動載荷作用下松動，嚴重時脫落。

2）發(fā)動機工作中，螺釘承受到由渦輪后機匣傳遞的振動載荷，保險鎖片承受來自螺釘?shù)倪B續(xù)隨機振動載荷。當保險鎖片在受到上述載荷后，保險鎖片鎖緊處最大位移為0.75mm時，保險鎖片完全失效。

3）將保險鎖片材料由1Cr18Ni9Ti改為GH536，承受4.6 N·m力矩時，保險鎖片的總位移由0.75464mm降低為0.27463mm，其抗變形能力提高2.74倍，工作中鎖緊邊不會產(chǎn)生導致失效的變形，能夠預防因保險鎖片失效導致的螺釘松動及脫落故障。