航空發(fā)動機掛架失效及解決辦法
時間:2022-03-28 05:07:46
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摘要:某小型航空發(fā)動機在性能測試中,試車幾分鐘突然出現(xiàn)懸掛支架斷裂,造成發(fā)動機懸掛支撐系統(tǒng)報廢,電動啟動系統(tǒng)受損。經(jīng)分析懸掛支架上的減振塊從其根部斷裂,借助顯微鏡等技術(shù)手段對失效件進行技術(shù)分析,最終找出失效產(chǎn)生原因并經(jīng)過技術(shù)改進,解決了發(fā)動機懸掛支架故障,發(fā)動機運行正常。
關(guān)鍵詞:發(fā)動機懸掛;失效;斷裂;技術(shù)改造
小型活塞式航空發(fā)動機具有體積小、重量輕、升功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便等優(yōu)點,在渦噴、渦槳、渦軸和渦扇發(fā)動機在各類飛機上的大量應(yīng)用的今天,小型活塞式航空發(fā)動機仍因其優(yōu)點受到青睞,特別在小型無人機上應(yīng)用很廣[1]。公司生產(chǎn)的無人機采用POLINITHOR250二沖程航空發(fā)動機,重量18kg,動力為26.46kW(36馬力),采用3點懸掛方式固定。
1測試失效現(xiàn)象描述及失效原因分析
1.1發(fā)動機掛架失效現(xiàn)象。POLINITHOR250二沖程航空發(fā)動機具有體積小、重量輕、性能可靠等優(yōu)點,采用3點固定的方式,如圖1所示,圖1a為發(fā)動機及其懸掛桿,圖1b為發(fā)動機三維模型,圖1c為在測試中發(fā)動機懸掛之一與測試架裝配在一起的(橢圓圈中所示)。在給發(fā)動機輸出軸裝配上槳轂及槳葉后點火加油后,螺旋槳轉(zhuǎn)速升高過程中未見異常,在轉(zhuǎn)速升至2000r/min后運行約1min,實然出現(xiàn)發(fā)動機從測試架上傾斜、螺旋槳葉片觸地斷裂飛濺的事故,馬上減油停機檢查。1.2失效原因分析。檢查后發(fā)現(xiàn),發(fā)動機懸掛3個支架,其中2個完全斷裂,另一個也彎曲變形嚴重,導(dǎo)致了發(fā)動機失去重心,嚴重傾斜,發(fā)生本次事故,圖2所示為損壞的懸掛支架。圖2a為發(fā)生事故后,從發(fā)動機上拆下來的損壞的掛架,可以看出,此掛架發(fā)生了嚴重的彎曲變形,并在表面發(fā)生了明顯的磨損;圖2b為事故中折斷的發(fā)動機掛架,由此圖可以看出,此掛架與發(fā)動機連接的圓孔處發(fā)生了折斷,而用于固定在測試平臺的左側(cè)圓孔處出現(xiàn)了明顯的半圓形黑色痕跡,而右側(cè)的圓孔處出現(xiàn)了明顯的磨損印痕;圖2c是掛架減振塊上橡膠脫落后的情況。由圖2b中孔周圍的黑色痕跡及磨損印痕可以判斷,在掛架失效前,掛架上固定的橡膠減振塊與掛架發(fā)生了強烈的磨擦,也就可判斷發(fā)動機在掛架失效前發(fā)生了劇烈的振動,振動導(dǎo)致了減振塊從掛架上脫落,從而引發(fā)更大的振動,導(dǎo)致掛架斷裂而失效。由以上分析可知,過度振動是引發(fā)事故產(chǎn)生的根本原因,只有找到引發(fā)振動的原因,才可能從根本上解決此類事故的再度發(fā)生。1.3掛架界面微觀分析。圖3a為發(fā)動機掛架減振塊橡膠與鋼質(zhì)嵌塊斷裂后的界面宏觀照片。由圖3a可以看出,中間部分為白色鋼質(zhì),周圍為黑色橡膠,可以判斷兩者之間的斷裂為混合型斷裂形式,在中間局部區(qū)域橡膠與鋼材結(jié)合性不好,從而導(dǎo)致從界面開裂;周圍區(qū)域從橡膠內(nèi)部斷裂,這說明在此區(qū)域內(nèi)橡膠與鋼材之間結(jié)合強度好,從而在橡膠內(nèi)部開裂;圖3b為減振塊斷裂界面的光學(xué)顯微照片(×50),由圖可以看出,橡膠上有許多微裂紋及孔洞(圖中箭頭所指處),工作過程中在這些區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中,導(dǎo)致了橡膠從此界面處斷裂;圖3c為掛架斷裂的斷面宏觀照片,可以看到明顯撕裂唇,是由于受力明顯超過其強度極限造成的。1.4發(fā)動機掛架失效原因及改進方法。由以上分析可知,發(fā)動機掛架斷裂的主要原因是由于發(fā)動機振動過大,從而引起橡膠減振塊上的鋼質(zhì)螺栓從兩者的界面上斷裂,斷裂的原因可能由于兩者的界面結(jié)合不好,加之橡膠中有細小的缺陷(裂紋、孔洞等)導(dǎo)致了減振塊脫落,從而導(dǎo)致掛架斷裂。經(jīng)過測試,發(fā)動機振動過大不是發(fā)動機本身的問題,經(jīng)分析可能由于安裝在發(fā)動機輸出軸上的螺旋槳葉片、槳榖及相關(guān)配件動平衡存在問題引起的。在接下來的測試中,首先將槳葉片、槳榖及相關(guān)的配件進行動平衡檢測,并經(jīng)過相關(guān)處理,使其達到動平衡的相關(guān)技術(shù)指標,再將其安裝到發(fā)動機輸出軸上,并改用了通孔型減振塊,也避免了減振塊失效帶來的風險。沒有再出現(xiàn)發(fā)動機懸掛件失效的問題。
2結(jié)束語
通過對掛架減振塊、掛架的斷口宏觀、微觀分析、嚴判,找到了發(fā)生發(fā)動機掛架失效斷裂的根本原因,并對相關(guān)的結(jié)構(gòu)進行了檢測及改進,消除了安全隱患,避免了相同事故的發(fā)生。建議后續(xù)增加系統(tǒng)的動平衡檢測,并做好質(zhì)量預(yù)防,盡量減少此類質(zhì)量問題發(fā)生。
作者:單位:1.湖南工程學(xué)院機械學(xué)院 2.長沙云智航科技有限公司