某型航空发动机燃油调节器弹簧片裂纹故障分析

姚俊华 陶敏

摘要：某型航空发动机燃油调节器在外场使用中电门杠杆组件的弹簧片出现裂纹，经外观、微观检查，确定了弹簧片裂纹的性质，制定了相应的修理及预防措施，为今后类似故障的排除提供借鉴。

关键词：弹簧片；裂纹；预防措施

Keywords：spring slice；crack；prevention measures

1 故障描述

某型航空发动机地面试车检查，当发动机从正常状态转为应急状态时多次发生应急工作异常故障，故障表现形式为：当油门杆处于慢车状态时，发动机排气温度急剧上升，发动机无法继续工作。更换燃油调节器的应急放气电门组件后故障排除。进一步检查应急放气电门组件，发现电门杠杆组件的弹簧片有裂纹。故障件如图1所示。

电门杠杆组件主要由弹簧片、杠杆架等组成，铆钉将弹簧片与杠杆架固定连接，如图2所示。弹簧片所用材料为65Mn弹簧钢，厚度为0.7mm，表面进行了镀镉钝化处理。

2 断口失效分析

2.1 宏观检查

从图1可以看出，电门杠杆组合件上的弹簧片弯曲部位裂纹位于弹簧片上表面转角根部，弹簧片与杠杆架接触的表面局部发黑，表面镀层不完整。杠杆架没有明显塑性变形。弹簧片螺栓连接处表面存在一定程度的磨损。

2.2 微观检查

对弹簧片进行观察，上表面裂纹开裂，裂纹呈直线状，附近可见次生的小裂纹，如图3所示。

人为打开弹簧片裂纹，对断面进行观察：断口平整没有明显的塑性变形；断口源区起始于弹簧片上表面转角处，局部已没有镀镉层（见图4）；大部分断裂形貌为典型的沿晶断裂特征，且局部有腐蚀特征（见图5）；部分断口被附着物覆盖（见图6）；靠近弹簧片下表面的局部断口为剪切撕裂韧窝形貌，该区域为最后形成的瞬断区（见图7、图8）。断口侧面附近可见二次裂纹及腐蚀点形貌（见图9），这是应力腐蚀微观断口的常见形貌。

2.3 能谱分析

对弹簧片断口表面进行能谱分析，弹簧件附着物含有C、O、S、Cl等元素，为腐蚀产物，其能谱分析结果如表1所示。离源区越近，腐蚀产物越明显，即越靠近弹簧片表面的断口，腐蚀产物越多，腐蚀特征越明显。

2.4 分析结论

上述分析表明，弹簧片断口为沿晶断裂形貌，断面上可见腐蚀物并可检测出腐蚀元素O、S、Cl，裂纹起始于弹簧片上表面转角处。因此，应急放气电门组件电门杠杆弹簧片断裂性质为应力腐蚀断裂。

3 裂纹故障原因分析

3.1 工作原理分析

如图10所示，发动机转换为应急工作状态时，当油门杆角度≤77°，油门杆顶压机械力小于电门杠杆组件弹簧片弹力，不能按下微动电门按钮，放气活门应急电路通电，接通手动应急电磁阀，放气活门打开；当油门杆角度>77°，顶压机械力大于电门杠杆组件弹簧片弹力，微动电门按钮被按下，放气活门应急电路断电，放气活门关闭。

因此，无论发动机是在正常状态还是在应急状态，应急放气电门组件弹簧片始终随油门杆角度的变化而不同程度地被压紧，弹簧片上表面长期受到拉应力作用，弹簧片弯曲部位为应力集中区，随着工作时间的增加出现疲劳裂纹，最终开裂。

3.2 修理方法分析

现行技术文件中对电门杠杆组件规定了检查弹簧片的角度，但未对弹簧片弯曲部位做具体检查要求。断口失效分析中提到弹簧片裂纹源区表面镀层有缺失。若弹簧片弯曲部位镀层脱落，会使基体局部抗腐蚀能力变差，可能产生应力腐蝕裂纹。

弹簧片弯曲部位因弯曲形成应力集中区，若弯曲部位有磕碰伤，会造成组织形变，在某些部位形成尖锐角，使工作截面变小、应力增加，随着工作时间的增加将出现裂纹。因此，有必要对弹簧片弯曲部位的表面质量提出具体的检查要求。

4 修理及预防措施

针对弹簧片裂纹故障原因，提出如下修理及预防措施。

1）在弹簧片制作时，建立疲劳试验规范，增加对弹簧片的疲劳试验考核，以保证弹簧片的工作可靠性。

2）将弹簧片作为必换件，修理时予以更换。

3）重点检查弹簧片弯曲部位，不允许有坑点、压痕，表面镀层应完好。

4）增加电门杠杆磁粉探伤检查要求，弹簧片弯曲部位应无裂纹。

5）为防止弹簧片发生磕碰类损伤，在产品修理完成后及产品交接中须将产品装入专用盒内。

5 使用验证

在燃油调节器应急放气电门组件修理工作中已贯彻上述预防措施。跟踪近两年来外场使用情况，再未发生因弹簧片裂纹导致发动机应急工作异常的故障。

参考文献

[1]王云普. 某型发动机构造[Z]. 空军第二航空学院，1998.

[2]张栋，钟培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

作者简介

姚俊华，高级工程师，从事航空发动机电器附件技术工作。

陶敏，工程师，从事失效分析及检测分析工作。