滑油散热器爆裂失效分析

孙护国，李 斌，谢镇波

(1.海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041;2.海军驻贵阳地区航空军事代表室，贵阳 561102）

0 引言

直升机的空气－滑油散热器主要功用是利用迎面气流冷却滑油系统的滑油，自动保持滑油温度在允许的范围内，保证滑油在整个飞行包线内都可以正常进行润滑和散热。如果滑油工作温度超过最大允许值，其氧化作用会急剧增强，理化性质发生变化(黏度增大，酸值提高等)，严重时会产生焦化现象，在零部件结合面处析出沥青沉淀物，滞塞运动机件，使发动机的修理维护工作变得复杂而昂贵［1-4］。

2011年3月，某直升机配套研制的滑油散热器在做周期工作地面压力校验时，散热器壳体发生爆裂，该滑油散热器属强制气冷式。爆裂损坏情况如图1所示，右端板组件爆开，组件盖板与端板连接处(图1中A处)焊缝爆开，开口尺寸为65 mm，经分析研究确认该处是失效起源;端板组件与芯子组件连接焊缝(图1中B处)裂开，裂开长度约为278 mm;集油池壳体端板组件呈较严重的鼓起变形(图1中C处)，实测变形量为4～5 mm。橡胶大风道损坏(图1中D处)，凹槽边缘开裂，风机壳体严重碰伤，碰伤凹槽尺寸约为70 mm(长)×30 mm(宽)×4 mm(深)。

1 故障件显微分析

首先参考文献［4］对失效起源即组件端板位置的焊缝进行荧光检查，在焊缝周围没有发现焊接裂纹等缺陷。断口和金相检查情况如下:

图1 失效滑油散热器外观状态Fig.1 External appearance of failure exchanger

1.1 断口检查

低倍断口形貌见图2，断面齐平，无塑性变形，断口呈脆性断裂。断口微观形貌如图3所示，断面主要有解理、韧窝和沿晶特征。

图2 断口低倍形貌Fig.2 Macroscopic pearance of fracture surface

图3 断口微观形貌Fig.3 Microscopic pearance of fracture surface

1.2 金相检查

对焊缝交接处进行金相检查，焊缝处一侧组织为枝晶(图4)，过渡区局部晶粒粗大、晶界平直，有过热现象(图5)。

图4 焊接枝晶Fig.4 Welding arborescent crystal

图5 晶界Fig.5 Grain boundary

断口周围未发现气孔、夹杂、裂纹等缺陷，焊缝附近局部有过热现象，对失效无影响;断口呈脆性断裂特征。

2 故障件的复查及强度校核［5-8］

2.1 故障件复查情况

1)原材料复查。散热器爆裂部位为右端盖组件，该组件由2个零件组成:右端盖及端板，经对所涉及的材料、焊丝等所有材料入厂复验各项指标均合格，无代用情况。

2)生产过程复查。操作者(焊接及钣金)均为高级技师;电焊机、气密试验台等设备功能、仪表均有效;焊丝直径及氩气流量、焊接电流等符合工艺规程要求;路线卡等资料记录齐全，符合要求。

3)试验记录。散热器经气密工序检查，检查参数为:充入1.7 MPa低压空气，保压5 min，散热器无泄漏和其他异常现象，合格。

2.2 强度设计校核

端盖材料采用5A02型材(σb=225 MPa)，通过有限元分析，得到散热器端盖的应力及应变云图(图6、图7)。

图6 端盖应力云图Fig.6 Stress nephogram of end cap

图7 端盖应变云图Fig.7 Strain nephogram of end cap

从应力云图可以看出，端盖应力值平均在60 MPa左右，端盖边缘处应力值比较大，最大值为123 MPa，最大应变为7.56 ×10－6。散热器的试验压力为1.7 MPa，取最大工作压力2.1 MPa为分析点，取安全系数为1.5，许用应力225/1.5=150 MPa，分析结果显示，零件在最大工作压力下的应力值小于材料的许用应力，故散热器结构强度满足使用要求。

3 爆破试验验证

为验证该散热器结构的强度，抽取一套同批次的散热器组件进行爆破试验。用于试验的芯子组件是经压力试验(1.7 MPa，保压5 min)合格的芯子组件。试验共分5个阶段进行，分别为1.7、2.5、3.0、3.5、3.8 MPa，每次加压后保压 5 min，观察散热器的气密性，同时检测各端盖的变形量。当压力达到2.5 MPa时散热器出现轻微变形，当加压至3.8 MPa时下端盖组件中，端板与下端盖连接处出现裂纹，裂纹长约100 mm(图8)，壳体未爆开。试验数据记录见表1。

表1 滑油冷却装置芯子组件爆破试验记录表Table 1 Abruption test data of air-to-oil heat exchanger mandrel

经进一步分析发现:外场使用的滑油冷却装置测试设备为临时搭建的简易试验台，压力源为高压气瓶，压力通过控制阀、管路、压力表直接作用到被测散热器上。气瓶正常压力为12 MPa，试验压力为1.7 MPa，在正常压力与试验压力之间无4 MPa左右减压阀，即在控制管路上无二级减压设计。当加压至3.8 MPa时，试验件端盖组件端板处失效，与故障件的失效位置相同;变形量为1.6 mm，此种结构在承受3.8 MPa压力后变形量≤2 mm，而失效的故障件实际发生的变形量≥4 mm，说明发生故障的产品在试验中所承受的压力远大于 3.8 MPa。

4 结论

1)滑油散热器的强度设计、材料、焊接质量均满足设计要求。

图8 爆破试验裂缝Fig.8 Cracks of abruption test

2)造成散热器故障的主要原因为试验设备设计不合理，无二级减压阀，加上操作人员试验过程中操作失误，导致压力过大(12 MPa)，远大于试验压力(3.8 MPa)，从而瞬间将散热器打爆。

3)建议建立专业化测试试验台，编制专用试验规程，开展相应的培训，正确指导试验操作，消除安全隐患。

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