某发动机可调静子机构连杆断裂故障分析

陈刚　陈凯征　郭桃都　任志远

摘 要：通过将某发动机分解检查后，发现高压压气机上半机匣静子可调操纵机构第3级联动环搭接段，与操纵支架第3级曲柄连接处球形头连杆组合件从螺纹处断裂，进一步检查发现球形头连杆组合件关节轴承轴向脱出。

关键词：发动机 ；关节轴承 ；脱出

中图分类号：V231 文献标志码：A

1 高压压气机可调机构结构简介

调节机构在发动机工作时随状态变化带动0级～3级静子叶片角度变化三级拉杆一侧的球形头连杆组合件与联动环连接，另一侧通过三级连杆组合件与操纵支架相连，两端连接部位均装有关节轴承。球形头连杆组合件与三级连杆组合件用螺纹连接，根据静子叶片角度调节要求调整长度，调整后拧紧端面螺母并打好保险丝。

2 故障排查分析

故障发生后，从各方面开展复查和分析工作，列出故障树以确定可能引发故障的各种原因，并对相关因素逐一排查。

2.1 断口分析

2.1.1 断口宏观检查

球形头连杆沿螺纹槽底断裂，断口表面较平缓，从颜色上明显地分为3种区域，最外层的呈灰褐色，中间层的呈亮灰色，中心部呈暗灰色；断口表面可见到较明显的疲劳弧线特征，初步判断球形头连杆断口性质为疲劳断口。

2.1.2 断口微观检查

在扫描电镜下进行观察，可见到较明显的放射棱线及疲劳弧线特征，表明断口性质为疲劳断口。根据放射棱线汇聚方向判断，疲劳起源于球形头连杆螺纹槽底的两侧表面，相向扩展。可见疲劳源区为多源起始，表面磨损均较严重，未见明显的冶金缺陷。

2.1.3 材质分析

对故障件断口处进行能谱分析，主要合金元素含量与标准要求基本相符，从发生断裂的球形头连杆螺纹段取样进行硬度测试及金相组织检查，硬度测试结果满足设计要求，金相组织未见明显异常。

2.1.4 断口分析结论

（1）故障机球形连杆断裂性质为多源疲劳断裂，疲劳起源于螺纹两侧槽底的表面，相向扩展；（2）疲劳源区未见明显的冶金缺陷，球形头连杆组合件断裂故障的产生与其材质无直接关系。

2.2 故障件检查

2.2.1 故障件关节轴承扩口情况检查

检查故障件关节轴承，发现其脱出装配位置约2mm，进一步检查关节轴承两端扩口部位未形成明显扩口。转动球形头连杆组合件关节轴承灵活无卡滞。

进一步检查故障件，对比扩口标准件与随机抽取的库存件球形头连杆组合件关节轴承扩口情况，从对比检查结果看，扩口标准件、库存件形成明显扩口，标准件扩口较好，库存件扩口不规则，故障件关节轴承外缘未形成明显扩口，槽底有工装压痕。

2.2.2 表面磨痕检查

进一步检查发现故障件球形头连杆表面存在两处磨痕，对与故障件配合的三级连杆组合件、三级联动环搭接段及三级曲柄进行检查，对应表面也存在磨损痕迹。

2.2.3 故障件检查结果

通过对故障件进行仔细检查，结合故障件装配位置及与周围零组件之间的配合关系以及断口分析结论，初步分析认为：（1）关节轴承轴向脱出，扩口部位未形成明显扩口；（2）关节轴承脱出后工作过程中与相配件存在干涉，磨痕情况与断口检查发现的双向疲劳扩展断裂形貌有对应关系。

2.3 质量复查

故障发生后，故障分析组对故障件同批次球形头连杆装机情况进行复查，同时对具备检查条件的批产和科研发动机关节轴承脱出及扩口情况进行了全面检查。

2.3.1 实物复查

故障件同批次件复查。复查56件操纵支架组合件装机情况，关节轴承扩口实际质量状况参差不齐，目视关节轴承外缘未形成明显扩口的较多，同时存在局部扩口、扩口不规则等情况，存在轴向脱出现象的关节轴承外缘均未形成明显扩口。

2.3.2 裂纹件检查

对存在关节轴承脱出的球形头连杆组合件均进行荧光检查，发现关节轴承脱出量最大的发动机高压压气机上半机匣三级拉杆球形头连杆组合件螺纹段存在裂纹，脱出量小于1.5mm的其余件未见异常。

对该新发现故障件进行仔细检查及断口分析，并与故障机故障件进行对比，结论如下： （a）该故障件关节轴承轴向脱出1.78mm，比故障机发动机故障件脱出量略小，两者脱出方向一致；（b）在该故障件上发现两处异常磨损，位置与故障机发动机故障件相同；（c）该故障件表面裂纹为双向疲劳裂纹，裂纹断口源区未见材质冶金缺陷，金相组织及材料硬度检查也未见异常，断口检查结果与故障机故障件断口分析结论一致。

2.3.3 生产和工艺复查

对整改前球形头连杆组合件扩口的工艺和实施情况进行复查，发现问题如下：（1）故障件批次扩口工序使用的工装图纸未保留，实物已报废，均不可追溯。现场使用的工装是测绘旧工装后设计加工的；（2）扩口工装尺寸不进行检查，也未规定可加工零件的数量，以加工出的零件是否满足要求判定；（3）扩口工装定位芯棒与扩口锥面无同轴度要求，可能导致扩口时位置存在偏差，會造成扩口形状不规则；（4）连杆组合件关节轴承扩口后，检测轴向载荷的工装存在不足，影响测量的准确性。

2.3.4 质量复查小结

质量复查的主要结论如下：（1）存在轴向脱出现象的关节轴承外缘均未形成明显扩口；（2）故障球形头连杆组合件所在批件扩口工序使用的工装图纸及实物均不可查；（3）新发现的关节轴承故障件情况与故障机发动机故障件一致，可按同一故障处理；（4）生产和工艺复查中发现的问题可能导致实际加工产品关节轴承外缘未形成明显扩口。

2.4 连杆断裂分析

通过断口分析及实物复查，故障件断裂可能是由零组件之间相互干涉引起的双向疲劳扩展，下面对产生干涉的原因及故障件断裂的机理进行分析。

3 故障原因分析

通过上述复查、试验和分析工作，对于故障机号发动机可调静子机构球形头连杆断裂故障原因分析结论如下：（1）故障件关节轴承扩口不满足要求，不能对轴承起到轴向定位的作用，导致可调静子操纵机构工作过程中关节轴承脱出，造成连杆工作时活动空间减小，当关节轴承脱出严重后使零组件之间发生严重的干涉和碰磨。（2）零组件之间的干涉会导致球形头连杆除承受正常的拉压载荷外，还承受附加的双向周期性变化的弯矩作用，经一定工作时间的累积，干涉发展变严重时，附加弯矩会随之迅速增大，最终引起拉杆的螺纹段出现初始裂纹。（3）发动机工作过程中，在上述附加载荷和工作振动等因素的共同作用下，裂纹逐渐扩展，并最终导致拉杆在螺纹段断裂。

4 排故措施

针对本次故障，通过分析讨论，制定相关排故及改进措施如下：（1）改进扩口模具及检测工装，增加防错措施，减少人为因素的影响；（2）加强扩口模具及检测工装的管理，建立使用档案，定期对其进行检定；（3）优化工艺参数并对其进行固化，并纳入工艺规程； （4）加强并落实产品出厂前各项检验，轴向载荷检查和扩口形貌严格按照要求验收。

5 故障危害性分析

发动机工作时，高压压气机静子可调机构0级～3级拉杆带动联动环运动，达到调节静子叶片角度的目的。当关节轴承脱出严重时，拉杆与配合零件间产生严重的干涉和碰磨，对连杆施加较大的附加载荷，导致相对薄弱的连杆螺纹底部产生裂纹，扩展后造成拉杆断裂。

当单级一侧拉杆断裂后，会对该级可调静子叶片调节可靠性产生一定影响；单级拉杆两侧断裂时，导致该级可调静子叶片角度失控；同时拉杆断裂可能引起调节机构卡滞，也使静子叶片角度不可控，会直接引起发动机喘振，危害发动机的使用安全。

参考文献

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