发动机燃油导管裂纹失效分析

发动机燃油导管裂纹失效分析
作者：周杨娜王国鹏
来源：《科技创新与应用》2016年第22期
摘要：文章主要论述了发动机导管的失效分析过程、分析方法。

借助典型案例，对发动机导管的主要失效形式及预防方法进行了论述。

关键词：导管；失效；失效分析；疲劳断裂
1 概述
发动机外部导管主要用来输送燃油、滑油、空气等物质，起着与人体血管一样极为重要的作用，是发动机的重要零部件。

在航空发动机的生产、研制和使用过程中，导管的断裂故障十分突出。

外部导管的质量和工作状态直接影响到发动机的可靠性，导管的设计、选材、振动等因素都影响导管的寿命。

文章主要讨论当发动机导管断裂失效时，如何进行分析，发现失效原因，找到解决办法。

2 导管失效形式
某发动机燃油导管产生裂纹（见图1），工作时间353h54min，裂纹发生在焊缝附近。

2.1 失效及失效分析
产品丧失规定的功能称为失效。

通过分析、检测、研究、判断失效的原因，找出失效的机理和规律，为改进提供依据，这个过程称为失效分析。

2.2 发动机导管的失效形式及产生原因
（1）疲劳断裂：指导管在反复多次的应力或能量负荷循环后，才发生的断裂现象。

断裂位置多发生在焊缝处，主要是由于焊接热影响区强度下降，加之导管的装配应力与发动机的振动应力叠加，构成疲劳断裂。

如果导管不按要求进行修理和维护，就有可能使导管产生磨损、压伤、变形和腐蚀，而这些都会使导管损伤，在振动作用下，就可导致导管破裂。

（2）漏油：如果导管内液体流动不畅，或有阻塞，导致流体从导管连接处溢出。

因此要保证导管内流体流动通畅，没有阻塞，导管连接良好。

（3）磨损：由于发动机结构复杂，导管安装空间狭小，加上拆装时导管变形，卡箍松紧度不合适，使导管表面与其它物体相互磨损，而引起表面材料损失的现象。

3 导管的失效分析过程
3.1 材料检查
导管材料为1Cr18Ni9Ti，符合设计要求。

3.2 外观检查
导管的断裂位置在焊缝附近，外观上只能看到断口的宏观形貌。

经显微镜检查，发现断口表面磨损严重，属于疲劳断口，断口位置可见两个明显的疲劳源，疲劳源侧面没有腐蚀的痕迹。

3.3 微观检查
在高倍显微镜下观察，疲劳源附近有棱线，没有观察到明显的冶金缺陷，疲劳扩展区可观察到疲劳弧线。

经以上检查分析：断口是由于正常的装配应力叠加引起的疲劳断裂。

3.4 静频和动应力测试
3.4.1 静频测试
将导管在安装状态下测试调整夹箍前后的固有频率，发动机转速频率在221HZ以内，结果表明，调整夹箍对导管固有频率无明显变化，导管固有频率在在发动机转速频率范围内，与发动机存在共振的可能，说明导管在设计上存在不足。

3.4.2 动应力测试
在导管断裂位置粘贴应变片，发动机试车过程中，应变片拾取导管的微弱振动，经过放大器放大信号，传输到测试软件，得到导管的振动应力及振动频率。

试验结果表明断裂位置的振动频率与液压系统柱塞泵脉动压力频率相近。

3.4.3 原因分析
通过以上试验及分析可知，主要由于设计缺陷，与导管相连的柱塞泵的脉动压力迫使导管振动应力过大，致使发生断裂故障。

3.5 排故措施
改进导管设计，避开柱塞泵的脉动压力频率，提高导管强度。

4 预防发动机导管疲劳破坏的方法
疲劳断裂是发动机的主要失效形式，而材料缺陷、焊接缺陷、装配应力过大、导管共振等原因都会引起疲劳断裂，下面针对不同情况分别加以论述。

4.1 材料缺陷
导管在安装过程中，不得随意矫形，要使用橡胶或木质工具敲打导管，避免导管出现损伤；要保持导管表面清洁；导管之间的间隙要符合要求，不小于3mm。

有些导管对温度比较敏感，在安装过程中要考虑热膨胀的影响。

4.2 焊接缺陷
常见的焊接缺陷有：夹渣、焊缝尺寸不合要求、未焊透、咬边或漏边、气孔及裂纹等。

由于这些缺陷导致焊缝位置强度降低，抗冲击能力差，易发生疲劳断裂。

因此在焊接过程中，焊缝表面应圆滑转接，焊接速度均匀，电流大小合适，焊缝打磨干净，不允许有焊缝裂纹或气孔等缺陷。

并用X光严格检查焊缝内部缺陷。

4.3 装配应力引起
由于发动机结构复杂，零部件都是通过人工进行安装。

导管的制造误差、发动机安装附件位置积累误差，会影响到导管的安装，留下较大的装配应力，降低导管工作的可靠性。

因此，在发动机导管装配过程中要严格执行装配工艺。

安装过程中杜绝过度矫型和碰伤，力求将装配应力控制在较低水平，保证发动机安全使用。

4.4 共振引起
由于发动机结构复杂，工作转速高，频率范围宽，振动大。

如果导管的固有频率与发动机上的某激振源固有频率相等时，将产生共振，有发生裂断故障的危险。

所以，在导管设计过程中要控制导管频率，避免与发动机转子转动频率相同或相近，安装过程中合理安排管路支承点的位置。

参考文献
[1]陶春虎，习年生，钟培道.航空装备失效典型案例分析[M].北京：国防工业出版社，1998.
[2]唐有才，马乃苍，房学祥.飞机液压导管破裂故障分析及措施[J].航空工程与维修，2001.。