■ 麥海波 盧俊文 馮巖鵬/ 中國民用航空飛行學(xué)院飛機修理廠 中國民航科學(xué)技術(shù)研究院航空安全研究所

0 引言

AE300 E4A 發(fā)動機由奧地利Austro Engine 公司生產(chǎn)，配裝鉆石飛機公司的DA40NG 飛機。AE300 系列發(fā)動機保留了奔馳OM640 發(fā)動機的核心機，包括其雙質(zhì)量飛輪部分；為了增加扭矩、降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速，引進了減速器，減速器的輸出軸與螺旋槳連接，輸入軸與轂盤的花鍵軸孔相連，轂盤與雙質(zhì)量飛輪通過8 顆螺栓連接（如圖1 所示）。AE300 E4A 發(fā)動機最大功率為123.5kW，最大轉(zhuǎn)速為2300rpm，減速器的減速比為1.69[1]。

圖1 雙質(zhì)量飛輪示意圖

雙質(zhì)量飛輪由初級飛輪、弧形彈簧組成。雙質(zhì)量飛輪相當(dāng)于一個濾波器，可以濾掉來自發(fā)動機和螺旋槳的高頻振動，避免發(fā)生共振[2]，還可減小對螺旋槳振動值的限制。但由于存在共振沖擊扭矩，雙質(zhì)量飛輪中轂盤實際承受的扭矩達到了發(fā)動機最大輸出扭矩的5 倍，轂盤工作在更嚴(yán)苛的載荷工況中，因此應(yīng)重點關(guān)注轂盤的早期失效。如果轂盤失效，嚴(yán)重時將導(dǎo)致發(fā)動機與螺旋槳之間動力傳輸中斷，進而導(dǎo)致飛機失去動力墜毀。針對發(fā)生的兩起轂盤斷裂/裂紋故障，為避免類似故障的發(fā)生，有必要深入研究轂盤失效機理，對故障原因進行分析。

1 故障描述

國內(nèi)某通航公司一架DA40NG 型飛機地面滑行至聯(lián)絡(luò)道口，機組設(shè)置停留剎車后做全功率檢查時，推油門至40%左右，目視觀察到螺旋槳轉(zhuǎn)速突然下降，并聽到螺旋槳轉(zhuǎn)動聲音異常，立即收油門并關(guān)車。之后機務(wù)人員將飛機推回，拆下齒輪箱，進一步檢查發(fā)現(xiàn)雙質(zhì)量飛輪轂盤中心輸出端花鍵處斷裂（如圖2a）所示），導(dǎo)致齒輪箱輸入軸與雙質(zhì)量飛輪脫開，發(fā)動機動力無法傳至螺旋槳，螺旋槳失去動力，該轂盤已經(jīng)裝機使用1714FH。后續(xù)對所涉及機隊進行普查，通過無損檢測發(fā)現(xiàn)另一個轂盤有裂紋（如圖2b）所示），該轂盤已裝機使用957FH。

圖2 轂盤斷裂與裂紋照片

2 故障原因分析

2.1 宏觀分析

圖2a）中，各斷口處存在大量目視可見劃痕，邊緣位置有明顯的變色痕跡。由于轂盤斷裂時發(fā)動機仍處于工作狀態(tài)，表面變色可能是由于轂盤斷裂后中間部分在發(fā)動機驅(qū)動下空載高速轉(zhuǎn)動，斷開的轂盤輻條與花鍵孔處斷面高速摩擦撞擊，形成局部高溫，導(dǎo)致基體材料高溫氧化變色。通過光學(xué)顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其中一個斷口具有明顯的疲勞跡象，疲勞源與沙灘紋較清晰，如圖3所示。另一個轂盤是在輻條處發(fā)生貫穿裂紋。這兩起轂盤裂紋失效應(yīng)該都是由疲勞引起的，與轂盤的材質(zhì)缺陷和制造缺陷無關(guān)。

圖3 具有明顯疲勞特征的斷口

2.2 材質(zhì)分析

通過能譜分析得到轂盤的材質(zhì)成分，如圖4 所示。通過材料對比，判定轂盤材料應(yīng)為SEA 4340 合金鋼[3]。

圖4 轂盤EDS材質(zhì)分析結(jié)果

2.3 力學(xué)分析

AE300 系列發(fā)動機是在奔馳OM640 核心機基礎(chǔ)上研制的，采用了奔馳OM640 的核心機，其中雙質(zhì)量飛輪的轂盤是為了連接減速器而增設(shè)的部件，為了減輕重量，AE300 E4A 發(fā)動機還采用了輻條狀轂盤。轂盤的作用是將扭矩傳遞給減速器輸入軸，但受共振影響，轂盤實際承受的最大扭矩為發(fā)動機最大輸出扭矩的5 倍[4]。根據(jù)活塞發(fā)動機功率與扭矩的關(guān)系表達式，計算AE300 系列發(fā)動機最大輸出扭矩，得出AE300 E4A 的核心機最大輸出扭矩為303N·m。

另一款A(yù)E300 E4C 發(fā)動機裝用在DA42NG 飛機上，其最大功率、輸出扭矩、最大轉(zhuǎn)速與E4A 相同，但轂盤采用了雙圓孔構(gòu)型；二者材質(zhì)相同。E4A 和E4C 發(fā)動機轂盤如圖5所示。

圖5 轂盤示意圖與邊界條件設(shè)置

為了更好地分析AE300 E4A 發(fā)動機轂盤失效原因，通過有限元計算對兩種轂盤進行受力與對比分析。邊界條件設(shè)置為：在轂盤的8 個螺栓孔處施加相對于轂盤中心的扭矩，考慮到共振沖擊扭矩，所施加扭矩為AE300 發(fā)動機的最大輸出扭矩的5 倍（1515N·m）；轂盤花鍵齒與減速器輸入軸的花鍵齒嚙合，對轂盤花鍵齒面施加固定約束。材料性能參數(shù)如表1 所示。

表1 轂盤的材料性能參數(shù)

有限元計算結(jié)果如圖6 所示，得出E4A 和E4C 發(fā)動機轂盤等效應(yīng)力分布。E4A 轂盤的最大應(yīng)力為635.52MPa，約為抗拉極限的一半；E4C 轂盤的應(yīng)力為351.67MPa；E4A 轂盤的最大應(yīng)力比E4C 大將近1 倍。E4A 轂盤的所有輻條倒角處應(yīng)力集中較明顯，應(yīng)力最大位置也在轂盤的輻條倒角處，與斷裂位置一致，說明疲勞源應(yīng)處于應(yīng)力最大位置處，與實際斷裂結(jié)果一致。AE300 E4C 發(fā)動機轂盤構(gòu)型的改進充分降低了轂盤最大應(yīng)力水平，減小了近一半，可以大幅提升轂盤的疲勞壽命。

圖6 轂盤應(yīng)力分布圖

另外，航空活塞發(fā)動機與汽車用活塞發(fā)動機的工作負(fù)荷完全不同。汽車為了節(jié)油，在發(fā)動機大轉(zhuǎn)速時輸出的扭矩會降低，但航空活塞發(fā)動機為保證飛機的安全可靠運行，發(fā)動機在大轉(zhuǎn)速下需要輸出大扭矩，這就導(dǎo)致轂盤持續(xù)工作在大扭矩載荷下，更容易提前發(fā)生疲勞。因此，設(shè)計轂盤時需要重點考慮這一因素。

綜上所述，AE300 E4A 發(fā)動機轂盤斷裂失效應(yīng)是由較高應(yīng)力下的高周疲勞引起。結(jié)合圖2b）和圖6a）分析，疲勞先是從應(yīng)力最大的倒角處發(fā)生，當(dāng)該輻條斷裂后其他輻條接續(xù)斷裂，直到剩余未斷裂輻條的應(yīng)力超出轂盤的抗拉極限，所有輻條均被剪斷，轂盤徹底失效。

3 結(jié)論

經(jīng)宏觀分析、材質(zhì)分析和力學(xué)分析，得出AE300 E4A 發(fā)動機轂盤斷裂失效是由于轂盤輻條倒角處的疲勞引發(fā)。發(fā)動機廠家已將與AE300 E4C 同功率的AE300 E4A 發(fā)動機的轂盤改為E4C 發(fā)動機轂盤構(gòu)型，應(yīng)是考慮到E4A 轂盤存在服役期發(fā)生疲勞的可能性。因此，建議用戶在使用和維護AE 300E4A 發(fā)動機時注意以下幾點：

1）使用過程中，在常規(guī)定檢中加入轂盤無損檢測要求，重點關(guān)注轂盤輻條倒角位置。

2）在DA40 NG 飛機實際操作中，避免猛烈操作油門，以免轂盤頻繁受大扭矩沖擊而導(dǎo)致轂盤倒角處提前發(fā)生疲勞。

3）為了徹底解決轂盤疲勞失效，建議用戶推進原廠家改用AE300 E4C 發(fā)動機轂盤。