关于某型发动机螺钉脱落故障的研究

朱正凯

摘 要：本文针对某型发动机（简称G型）后支承封气圈紧固螺钉脱落的问题，通过对比其它型号发动机（简称J型）采用相同防松措施、工作环境类似、安全性更高的紧固螺钉，利用尺寸链计算紧固螺钉与止动垫圈的配合关系、实验计算材料线膨胀系数，从结构和材料方面两个方面分析导致螺钉脱落的原因，提出改进方案，对同类故障的分析有一定的借鉴意义。

关键词：紧固螺钉；止动垫圈；线膨胀系数

中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）16-0061-02

1 前言

角形止动垫圈防松是螺纹紧固件上常用的一种防松方式，常用于发动机的高温部位或其他重要部位，具有操作简单、可靠性高等优点。某发动机后支承封气圈采用六角头螺钉紧固，防松方式为双联双耳止动垫圈防松，六角头螺钉脱落后在机匣内自由活动，存在较大安全隐患。本文介绍并分析了该发动机后支承封严圈紧固螺钉脱落的根本原因。

2 故障现象

某发动机在外场出现转子卡滞故障，返厂分解后发现，转子卡滞是由一颗六角头螺钉卡在涡轮盘与相邻机匣之间造成的。造成卡滞的六角头螺钉从机匣上脱落，而对应的止动垫圈仍在原位，且形貌无明显异常。

3 故障分析

通过分解检查发现，螺钉脱落是导致发动机无法正常工作的直接原因。本文通过对比与J型发动机紧固螺钉的差异，找出导致螺钉脱落的根本原因。

3.1 锁片保险失效的原因

螺钉与止动垫圈正常装配情況如图1所示，计量螺杆与止动垫圈孔的配合间隙，J型发动机配合间隙δ1=0.25 ～0.32mm，G型发动机配合间隙为δ2=0.87～1.0mm。G型发动机六角头螺钉螺杆与止动垫圈孔配合间隙过大，装配过程中紧密贴合的止动垫圈止动耳与螺钉六角面在频繁的振动载荷作用下有较大的相对位移，当止动垫圈与螺钉的相对位置从图2变为图3时，两者相对位移最大为配合间隙δ。如图3所示，当螺钉中心点与螺钉顶点之间的距离L2小于螺钉中心点与止动垫圈止动耳的距离L1时，止动垫圈完全失去防松作用。

由图3可知，L2=L1*cos60°+δ*sin60°，根据实际计量结果可得L2=10.12/2+（0.87～1.0mm）*sin60°=5.813～5.926mm，L1=11.2mm/2=5.6mm，此时L2>L1，止动垫圈完全失去防松作用。

3.2 与J型发动机螺钉的结构对比

G型发动机与J型发动机的螺钉结构如图4、图5所示。对比两种螺钉的结构，G型与J型发动机螺钉的螺杆部位存在差异。G型螺钉设计时选用航空行业标准件，螺杆为中径杆型；而J型螺钉的螺杆部位设计为大径杆型。中径杆型的设计导致螺杆与止动垫圈孔的配合间隙过大。

3.3 与J型发动机螺钉的材料对比

通过实验计算后支承组合相关零件材料线膨胀系数，实验结果详见表1。G型六角头螺钉材料线膨胀系数比其压紧的封气圈材料线膨胀系数大，发动机工作时，G型螺钉受热膨胀程度大于封气圈，螺钉轴向预拧紧力变小，更容易松动脱落。J型螺钉材料线膨胀系数比其压紧的封气圈材料线膨胀系数小，受热膨胀时轴向预拧紧力变大，不容易松动脱落。

4 故障结论

（1）六角头螺钉的螺杆与止动垫圈孔配合间隙过大，止动垫圈防松作用逐步消失是螺钉脱落的主要原因。

（2）六角头螺钉材料线膨胀系数比其压紧的封气圈材料线膨胀系数大，受热后轴向预紧力降低是导致螺钉脱落的客观因素。

综上，六角头螺钉与止动垫圈孔配合间隙过大和螺钉线膨胀系数大于封气圈共同导致螺钉脱落。

5 改进措施

（1）采用双联四耳止动垫圈，减小螺钉的活动裕度。

（2）对六角头螺钉采用大径杆型的加工方式，减小螺杆与止动垫圈孔的配合间隙。

参考文献

[1]陶春虎.紧固件的失效分析及其预防[M].北京：航空工业出版社，2013.11.

[2]刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2006.3.endprint