江 泉

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

0 引言

航空發(fā)動機外部管路主要用于液壓油、燃油、滑油和空氣等介質(zhì)的輸送，是航空發(fā)動機附件裝置的重要組成部分，是發(fā)動機上使用最多的零部件之一，被稱為航空發(fā)動機的“心血管”，其結(jié)構(gòu)完整性直接決定著發(fā)動機的工作可靠性[1-2]。美國GE 公司對航空發(fā)動機的空中停車事件進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有50%是由于外部管路、導(dǎo)線、傳感器損壞、失效引起的。以往的調(diào)查研究表明，航空發(fā)動機的故障大多數(shù)是由管路的破裂引起的[3]，而管路振動是引起破裂的主要原因之一[4]。

目前，國內(nèi)外的理論研究主要集中在管路的固有振動特性方面。賈志剛等[5]使用有限元分析方法，通過仿真計算機研究航空發(fā)動機復(fù)雜管路的結(jié)構(gòu)振動，獲得管路固有頻率分布。王本利等[6]采用有限元分析方法，同時考慮哥氏力、慣性力和附加動壓力，在計算中采用小范圍降階求逆、狀態(tài)向量等方法求出壓力、流速對管路系統(tǒng)振動特性的影響。在工程實踐中主要是針對管路斷裂故障進行排故方面的分析。呂鳳軍等[7]對某型發(fā)動機中、后軸供油管的裂紋展開研究，通過斷口觀察、痕跡檢查、X 射線能譜分析，對供油管的裂紋展開研究，通過斷口觀察、痕跡檢查、X 射線能譜分析，判定滑油供油管路的裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，波紋管存在裝配應(yīng)力是導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞裂紋的原因。

空氣管路系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要組成部分，其可靠與否關(guān)系到發(fā)動機的安全性。由于發(fā)動機空氣管路系統(tǒng)的剛性強、空間走向復(fù)雜，而且隨著溫度變化與機匣存在熱變形不協(xié)調(diào)，易在局部位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致該系統(tǒng)發(fā)生低周疲勞斷裂等故障[8]。

發(fā)動機進行150 h 持久摸底試驗，進行第28個階段試驗前（工作約81 h）發(fā)動機檢查時，發(fā)現(xiàn)有一處空氣管在管路與安裝座轉(zhuǎn)接截面處斷裂。該空氣管的功能是從壓氣機出口引氣，向熱端渦輪部件提供冷卻氣?？諝夤芎桶惭b座材料牌號均為0Cr18Ni9，空氣管和安裝座用氬弧焊聯(lián)接，焊后進行密封性打壓試驗，對焊縫進行X 射線檢驗合格后交付裝配使用。

針對管路疲勞斷裂強度問題，從空氣管裂紋位置、宏觀形貌、微觀檢查、結(jié)構(gòu)改進與試驗驗證等方面對失效件進行分析研究，開展管路結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算與測量，明確失效性質(zhì)及原因，在工程實踐上具有一定的指導(dǎo)借鑒意義。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

空氣管的外形見圖1，空氣管在靠近發(fā)動機熱端的一個安裝座附近斷裂，斷裂位置位于焊縫與安裝座通氣口倒圓上端之間。

圖1 斷裂空氣管外觀圖Fig.1 Appearance of broken air pipe

空氣管端安裝邊裂紋斷口宏觀形貌見圖2，裂紋斷口整體起伏不大，帶安裝孔兩側(cè)的斷面較平坦，裂紋的擴展具有明顯的疲勞擴展棱線和疲勞弧線，為典型的疲勞斷裂[9]，裂紋位于兩側(cè)空氣管壁外圓，平行于外圓加工痕跡；安裝座法蘭面和斷面上有明顯積碳痕跡。

圖2 管路斷口宏觀形貌Fig.2 Macro fracture of pipe

在體視鏡下安裝座端的斷口放大形貌見圖3，線源位于空氣管外壁。圖3 中左側(cè)裂紋源擴展區(qū)的面積比右側(cè)大，說明擴展得更充分。其中一處裂紋源附近外圓加工情況見圖4，裂紋斷面內(nèi)外都有磨光的痕跡，為斷裂后損傷痕跡；裂紋斷口斷面暗沉，氧化嚴重，最后斷裂處位于右下角附近，斷面有溫色。根據(jù)零件使用情況，參考《發(fā)動機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料溫色圖譜》中1Cr11NiW2MoV 和1Cr17Ni2的溫色圖譜，判斷零件經(jīng)歷的溫度約為300～400 ℃。

圖3 安裝座斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of mounting base fracture

圖4 安裝座左端裂紋源外圓加工情況Fig.4 Outer machining mark of crack source at the left of the mounting base

1.2 微觀檢查

用掃描電鏡觀察安裝座右端斷口形貌，結(jié)果如圖5 所示。圖5a 為安裝座右端裂源，擴展區(qū)可見細密的疲勞條帶特征（圖5b、圖5c），斷面末端疲勞區(qū)與瞬斷區(qū)分界處有明顯的臺階（圖5d）。

圖5 安裝座右端斷口微觀形貌Fig.5 Micro morphology of the right end fracture of mounting seat

空氣管與安裝座裂紋疲勞弧線特征明顯，疲勞條帶細密，說明斷口性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞擴展的應(yīng)力水平不高。安裝座有積碳痕跡，可知氣管斷裂后有返氣的現(xiàn)象出現(xiàn)?？諝夤芰鸭y斷口主裂源呈兩側(cè)分布，次裂源較多，左側(cè)擴展的更充分，可知左裂源先于右裂源開裂和擴展?？諝夤芘c安裝座連接方式為氬弧焊焊接，焊縫內(nèi)壁經(jīng)打磨光滑，打磨痕跡明顯，無突出魚鱗痕；外壁經(jīng)過修整，焊縫圓潤，魚鱗痕較光滑明顯；因此，空氣管疲勞斷裂可能主要與空氣管安裝應(yīng)力、工作時振動應(yīng)力大有關(guān)。

1.3 管路應(yīng)力計算與測量

1）應(yīng)力計算。

為獲取空氣管在工作中的應(yīng)力分布情況，運用有限元方法對空氣管進行應(yīng)力計算分析，采用十節(jié)點四面體單元（Solid 187 單元）對空氣管劃分有限元網(wǎng)格（共52 902 個單元，90 721 個節(jié)點），約束空氣管兩端安裝面的全部位移，計算獲取空氣管的應(yīng)力分布圖，從圖6 可以看出，管路計算應(yīng)力最大約為15～20 MPa，應(yīng)力最大處即位于空氣管斷裂的焊接位置。

圖6 空氣管應(yīng)力計算分布圖Fig.6 Stress distribution diagram of air pipe

2）管路應(yīng)力測量。

空氣管的固有頻率落入發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，會引起管路的共振，導(dǎo)致瞬態(tài)應(yīng)力過大。為獲取空氣管在發(fā)動機上的固有頻率，分析其產(chǎn)生共振的可能性，對空氣管路在發(fā)動機上安裝狀態(tài)下進行測頻。將被測管路在發(fā)動機上安裝靜止狀態(tài)下人為激勵（脈沖激振），采集其振動響應(yīng)輸出信號，通過DEWE 動態(tài)信號分析儀進行傅里葉頻譜分析獲得管路的頻譜圖，從而得到其靜態(tài)固有頻率，采用此方法獲得的空氣管在工作范圍內(nèi)的頻譜分析見圖7。從結(jié)果可以看出，管路固有頻率比較密集，在發(fā)動機最大工作轉(zhuǎn)速范圍（45 000 r/min，750 Hz）內(nèi)存在多階固有頻率，均有共振的可能性。

圖7 發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)空氣管頻譜分析圖Fig.7 Spectrum analysis diagram of air pipe in the working speed range of engine

通過對空氣管斷裂處進行理化分析得知，空氣管斷裂與工作時振動應(yīng)力過大有關(guān)。因此，在發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過在空氣管計算應(yīng)力最大處粘貼應(yīng)變片的方式測量管路在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作下的振動應(yīng)力。從管路振動應(yīng)力測量結(jié)果可知，在管路沒有發(fā)生共振時，即只存在強迫振動，管路應(yīng)力不大；在最大轉(zhuǎn)速45 000 r/min 工作范圍內(nèi)，所貼位置應(yīng)變片可分析出存在的共振轉(zhuǎn)速及對應(yīng)的最大應(yīng)力，見表1。

表1 空氣管路應(yīng)力測量結(jié)果（共振）Table 1 Stress measurement results of air pipe (resonance)

2 管路斷裂原因分析

2.1 管路振動應(yīng)力過大

振動環(huán)境中管路的破壞主要是因為振動疲勞導(dǎo)致的疲勞失效。振動疲勞是結(jié)構(gòu)所受動態(tài)交變載荷的頻率分布與結(jié)構(gòu)固有頻率分布具有交集或相接近，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振所導(dǎo)致的疲勞破壞現(xiàn)象，也可直接說成是結(jié)構(gòu)受到重復(fù)載荷作用激起結(jié)構(gòu)共振所導(dǎo)致的疲勞破壞[10-11]。

通過對斷口的理化分析可知，空氣管斷口性質(zhì)為疲勞，斷裂主要與管路安裝應(yīng)力、工作時振動應(yīng)力有關(guān)。通過對同批次空氣管應(yīng)力計算及測量可知，管路在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在多階固有頻率，且在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)停留轉(zhuǎn)速36 917 r/min（地面慢車附近）及45 000 r/min 起飛狀態(tài)工作轉(zhuǎn)速）下存在共振，產(chǎn)生共振時空氣管與安裝座焊接位置應(yīng)力較大，斷口位置的應(yīng)力達到84.6 MPa。

2.2 安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

空氣管安裝座結(jié)構(gòu)示意圖見圖8，由于焊接面與轉(zhuǎn)接圓角處的垂直距離較短，焊接可能對圓角處材料產(chǎn)生影響，降低材料的抗疲勞性能。同時，由于空氣管的壁厚只有1 mm，法蘭接頭采用等壁厚結(jié)構(gòu)難以保證空氣管在發(fā)動機各種工況下的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖8 空氣管安裝座法蘭接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of flange joint of mounting base

綜上分析，空氣管的斷裂主要是由于管路在穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速下存在共振，斷口處應(yīng)力過大，且安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，抗振能力弱，空氣管在長時間工作后在焊接處產(chǎn)生疲勞斷裂。

3 改進驗證

根據(jù)上述原因分析，結(jié)合外部管路應(yīng)力測量結(jié)果，參考其它發(fā)動機管路連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，對其進行局部結(jié)構(gòu)改進或剛度調(diào)整，達到避開共振、提高管系剛度、降低振動應(yīng)力等目標[12]，主要改進措施如下：

1）改進安裝邊法蘭接頭的結(jié)構(gòu)，使焊接區(qū)域遠離法蘭接頭的斷裂圓角處，避免焊接對圓角處材料的影響（圖9）。

圖9 安裝座法蘭接頭改進前、后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of flange joint of mounting base before and after improvement

2）將法蘭接頭的壁厚由等壁厚改為漸變壁厚，增加圓角處的壁厚，從而提高結(jié)構(gòu)強度。

3）優(yōu)化管路形狀，使管子的共振轉(zhuǎn)速遠離發(fā)動機停留的工作轉(zhuǎn)速。

采取以上改進措施后的空氣管裝整機順利通過60 h 考核、150 h 持久摸底，累計完成600 余h 的整機試驗，空氣管未出現(xiàn)裂紋及斷裂情況，驗證改進措施的有效性。

4 結(jié)論

1）空氣管斷口的性質(zhì)為疲勞，主裂源位于安裝座通氣孔左右兩側(cè)外圓處。

2）斷口左側(cè)裂源擴展比右側(cè)更充分，擴展區(qū)面積更大，左側(cè)裂源先于右側(cè)開裂和擴展。

3）空氣管斷裂主要與空氣管安裝應(yīng)力、工作時的振動應(yīng)力有關(guān)。

4）改進安裝邊結(jié)構(gòu)可提高空氣管的結(jié)構(gòu)強度及抗振性，優(yōu)化空氣管形狀可降低空氣管的安裝應(yīng)力。