航空发动机放气活门随动杆断裂故障分析

田慧清，梁 键，刘忠华

（中国航发西安航空发动机有限公司，西安710021）

0 引言

某航空发动机多次发生放气活门随动杆断裂故障。为降低故障发生率，找出故障发生的机理和原因，需开展对随动杆工作机理和受力状态的动态测试研究。

以往同类故障分析往往采取外观检查、断口分析、表面微观检查、截面金相检查等方式[1，3]，但此类方法不能判断出随动杆的受力方式，无法找出随动杆断裂的主要原因。要找出其原因，关键是要对随动杆进行动应力测试，而完成此类动态测试必须解决发动机装配状态空间限制、环境影响、应变计引线穿过外涵道等测试技术难题，在动测基础上分析随动杆断裂故障特征，掌握随动杆在工作状态下的受力情况，进而找出故障发生的机理和原因，为准确排除随动杆断裂故障,从设计和装配上采取针对性的改进措施提供可靠的测试分析依据。

1 放气活门机构

放气活门机构总体外观如图1所示。

1.1 随动杆工作原理

随动杆、从动杆均属于放气活门操纵杆，是某型发动机放气机构的主要组件。放气活门操纵杆共有4个，1个为主动杆即随动杆，其余3个为支撑杆，主动杆对面的支撑杆为从动杆。均安装在中介机匣的外套管中，内端用支架固定在中介机匣分隔环上，外端用圆板和螺母固定在中介机匣的安装凸台上，沿360°周向均布。

各操纵杆的内端有1个“U”形拨叉与放气活门连接。随动杆外端有外花键与防喘调节系统的放气活门控制杆连接，将防喘调节系统的运动传给主动杆（随动杆）的拨叉，操纵放气活门的开、关。主动杆和从动杆带动放气活门运动，2个支撑杆保证了放气活门运动的平稳性，放气活门的运动轨迹近似螺旋形。随动杆安装方式如图2所示。

1.2 故障断裂模式

故障多发生在随动杆上，其对面的从动杆断裂较少。随动杆、从动杆断裂位置和模式相同，如图3所示。断裂均属疲劳断裂，线源起始表明疲劳裂纹起始应力较大，起源于杆部退刀槽与拨叉转接R处，属较大应力起始，具有高周疲劳扩展特点。

2 动应力测试方案

2.1 测试方法

应力测试最简单准确的方法，就是在需测试部位粘贴应变片直接测试。由于该发动机随动杆故障裂纹起始位置在零件的转接R处，并且裂纹起始面不平整，无法贴应变片，可将应变片粘贴在断裂面的背面测试，再通过有限元计算，将测试面的应力换算到断裂处受力。

然而，随动杆背面处于发动机机匣内流道中，发动机工作时机匣内的温度一般为200℃左右，同时还有较高的空气压力和流速。此外，因随动杆工作时还要来回摆动以带动放气活门的开、关。为防止应变片在测试过程中脱落给发动机运行造成安全隐患，以及防止应变片的测试导线影响随动杆的动作或在机匣流道内被扯断，必须可靠固定测试用应变片及导线。采取在随动杆中心加工1个φ2 mm通孔（如图4所示，孔的直径以导线能通过即可）的方式将导线引出机匣。同时选择军品级中温应变片及相应的胶粘剂对应变片及导线进行粘贴、固定，将粘贴固定后的零件放入烘箱内加温固化，保证应变片粘贴牢固。

随动杆、从动杆结构形状和端面尺寸相同，可以采用相同的贴片方式（图4）。为了尽量了解断裂部位的应力分布状态，尽可能多的在零件表面粘贴应变片，每杆粘贴5片应变片，其中4片竖片，1片横片。

2.2 测试方案

为了充分了解随动杆在发动机不同装配状态及不同运行状态下随动杆受力情况，充分了解随动杆断裂机理，为故障分析提供依据，试验采取先在试验台上模拟发动机运行状态，测试放气活门工作过程中随动杆的受力变化。再按随动杆应变片粘贴方法，提前将随动杆、从动杆粘贴固化好应变片装配发动机，在试车台进行发动机试车过程中应力对比测试，以验证各项测试结果。具体步骤如下。

（1）试验台应力测试。在试验台上按发动机正常装配状态装配放气机构，测试放气活门正常开关过程中随动杆、从动杆的受力情况；调整各处间隙（随动杆、从动杆轴向间隙，摩擦块间隙，4连杆垫片间隙等），测试间隙变化对随动杆受力的影响以及当活门在运动过程中存在阻塞或卡滞时，随动杆、从动杆受力的变化情况；

（2）试车台发动机试车状态测试。选用正常发动机分别通过调整放气机构4连杆第4节刚性连杆使随动杆、从动杆处活门同时处于关闭、打开位置和使随动杆、从动杆处活门不能同步关闭、打开位置时进行试车台试车状态对比测试；

（3）试车台故障发动机对比测试。选用故障发动机更换测试用随动杆、从动杆，测试发动机在原台故障放气活门且其它部件均为原台件、原装配状态的故障情况下和更换合格放气活门、其它件保持原状态情况下，进行试车对比测试。

2.3 测试系统

测试系统如图5所示。测试时要求发动机必须在冷机状态下起动，为保证测试数据真实完整，采样频率设为10 k，整个试车过程连续采样。

DHDAS动态信号采集分析系统主要技术指标：

测量范围：0±2000 με；桥路电阻：50～10000Ω；

频 响：DC-10 kHz；系统准确度：0.5%(FS)。

2.4 试车程序

测试时要求发动机必须在冷机状态下起动。为尽可能得到各状态试车完整数据，测试所用试车程序需尽可能涵盖随动杆动作的各位置，并保持各位置试车状态工作30 s采集数据。

测试时，发动机先由低状态向高状态按台阶录取1遍试车数据，再按逆顺序录取1遍试车数据；之后重复1次上述程序；最后将发动机从慢车状态快推（≯1 s）至军用状态，军用状态工作30 s，发动机再从军用状态快拉（≯1 s）至慢车状态，慢车状态工作30 s，并采集数据，之后再重复1遍此快速推拉程序并采集数据。

3 测试结果及分析

3.1 试验台应力测试结果

（1）在正常情况下，放气活门随动杆和从动杆带动放气活门开关，随动杆和从动杆会受到弯曲应力作用。

（2）如果存在阻塞或卡滞，放气活门在即将打开和即将关闭的瞬间，随动杆和从动杆受到的应力最大；随着放气活门开度的不断增大或减小，随动杆和从动杆承受的应力不断减小。

（3）通过改变放气活门随动杆、从动杆轴向间隙、放气活门止动块位置、摩擦块间隙、4连杆垫片间隙、作动筒行程变化，测试放气活门随动杆、从动杆在带动放气活门开关的过程中的应变变化，发现应力变化不明显，初步说明上述间隙的变化对随动杆拨叉处应力变化影响较小。

（4）通过改变4连杆靠近从动杆处第4节刚性连杆（4连杆中只有此节可以调整）的长度，控制放气活门在随动杆和从动杆位置处的开度，测试在正常和存在阻塞或卡滞情况下放气活门随动杆和从动杆受力情况。结果表明：4连杆在正常情况下，在随动杆和从动杆位置处放气活门开度没有明显差异，2杆断裂部位承受的应力均能满足零件许用的要求。当4连杆长度较正常位置缩短或伸长时，随动杆、从动杆处活门会出现关不紧，使活门关、开运动出现阻塞、卡滞现象，从而使随动杆、从动杆断裂处应力变大。而当随动杆与从动杆部位活门开度相差达到一定数值以上时，随动杆与从动杆所承受的应力的分配出现明显差异，随动杆受力明显增大，根据测试结果，最大可为从动杆应力的5倍。在调整、测试的过程中还发现，多数情况下随动杆受力较大，从动杆受力较小；少数情况下出现了从动杆受力比随动杆大的现象。

3.2 试车台试车应力测试结果

对试验台测试结果分别进行试车状态下验证试验。在试车台分别进行了正常发动机使随动杆、从动杆处放气活门能或不能同时处于关闭、打开位置的试验；故障发动机在故障放气活门和更换合格放气活门时随动杆、从动杆所受应力对比试验测试。

通过试验可知：各次对比测试，随动杆、从动杆在整个试车过程中受力情况与试验台测试结果大致相同，所受应力时域曲线（如图6所示，图中较粗曲线段为高压转速在放气活门动作转速附近）趋势相同，但随动杆、从动杆所受应力变化明显。经分析，随动杆、从动杆在发动机运行过程中主要承受静应力、振动应力和冲击应力[8]。

3.2.1 静应力分析

静应力主要由随动杆机械力、温度及气流静压分量等引起，以应力平均值表示。

由各次试车数据和时域曲线可知，随动杆承受的静应力受温度影响变化明显，这也与测试方式有关。在测试时，应变片接线采取半桥的接线方式，即1片工作片、1片补偿片，但补偿片仅起桥路平衡的作用，由于试车时测试部位无法放置补偿片，所以在测试过程中应变片的温度无法补偿。随着温度的升高，随动杆测点位置受温度变化受力分析如下。

（1）随动杆（或从动杆）受热自由伸长。形成测点的拉应变特征的第1种可能性是随动杆（或从动杆）受热延如图7所示方向伸长，这种拉应变是否能产生拉应力，取决于连接结构是否有约束。

由于随动杆、从动杆的拨叉与活门相连，活门上端无约束，活门运动有足够的行程，此行程可以消除随动杆、从动杆受热产生的自由伸长量（随动杆与放气活门连接装配如图1所示）。因此，该状态所显现的拉应变特性并未使随动杆、从动杆产生应力。

（2）随动杆（或从动杆）受热产生向右弯曲应力。形成测点的拉应变特征的第2种可能性是随动杆（或从动杆）受如图7所示的向右的弯曲应力。

随着温度的升高，测点拉应力增大，向右的弯曲应力也会增大，该应力使随动杆（或从动杆）起始裂纹处产生压应力，而压应力受力方向显然与随动杆（或从动杆）断裂模式不相符。因此，这种受力状态不会造成随动杆（或从动杆）发生如图3所示的断裂。

综上分析，静应力不是造成随动杆断裂主要因素。

3.2.2 振动应力分析

振动应力主要由随动杆、从动杆振动及气流动压分量等引起，以应力峰峰值表示。

通过对不同装配状态时正常发动机及其与故障发动机进行对比测试，随动杆的主动杆、从动杆振动应力最大值位置均在放气活门即将关闭或打开转速附近。从不同发动机不同装配状态下，放气活门动作转速附近随动杆主动杆、从动杆所受动应力值可得到以下结论：

表1 随动杆3#测点、从动杆2#测点活门动作转速附近振动应力

（1）发动机高压转速在放气活门即将关闭或打开转速时（对于IGV35%～IGV45%），随动杆、从动杆2杆所受应力最大。

（2）通过调整4连杆第4节刚性连杆，使随动杆、从动杆处活门同时处于关闭、打开位置2杆断裂处应力明显小于4连杆调长或调短使2杆不能处于同时关闭、打开位置时连杆断裂处应力。

（3）故障发动机在放气活门动作转速附近时的振动应力远大于正常发动机该转速附近时的应力，应力量值为正常发动机的100%以上，测试数据见表1。3#为随动杆受力较大点，2#为从动杆受力较大。从表中数据可见，故障发动机使用故障放气活门进行试验测试时随动杆所受最大应力为315 MPa，而当故障发动机更换了合格的放气活门后测试，随动杆所受最大应力为56 MPa。

故障发动机活门及活门处相关零件的磨损情况如图8～10所示。对分解下的活门等零件磨损情况及位置进行分析可知，放气活门的磨损位置与放气活门即将关闭或打开的位置对应，故其磨损主要与放气活门的振动有关。

由以上结果可得出：放气活门磨损、变形及随动杆、从动杆运动不同步是导致放气活门随动杆或从动杆断裂的主要原因。发动机应避免长时间在放气活门动作转速左右工作，频繁的开、关放气活门转速区间内工作是导致随动杆或从动杆断裂的影响因素。

3.2.3 冲击应力分析

通过试车时域曲线和数据可知，发动机在加、减速过程中，随着操纵杆的动作，在转速达到放气活门将要关闭和打开的瞬间，随动杆、从动杆均有瞬间的冲击应力，冲击应力时域曲线如图11～13所示。发动机上推过程冲击应力较下拉过程跨越活门开启瞬间的大，且发动机油门杆快速推拉时的冲击应力比慢推慢拉的略大，但慢推慢拉时，随动杆在该转速的振动应力较大。对比试车从慢车到军用，从军用到慢车冲击应力测试数据见表2。

表2 随动杆3#测点、从动杆2#测点不同试车状态冲击应力

由冲击应力时域曲线图、表可得出如下结论：

安装合格放气活门发动机无论随动杆、从动杆处活门是否能同步关闭和打开，随动杆所受冲击应力大小相当，从动杆所受冲击应力大小也相当，并且随动杆受力要大于从动杆的。但当发动机放气活门磨损发生故障时，2杆所受冲击应力明显增大，且随动杆、从动杆受力相当，更换正常活门后明显改善。

上述现象表明，随动杆更容易发生断裂故障，当放气活门磨损2杆所受冲击应力大小相当时，从动杆也会发生断裂故障。

3.2.4 频谱分析

选取振动应力较大的放气活门动作转速状态段作频谱分析，频谱如图14所示。

从图中可见，在此转速附近时振动应变的特征频率均为发动机高压转子工作频率，且在该转速下特征频率幅值均低于35με，幅值较低不会发生共振。

4 结论

（1）在发动机运行过程中，在放气活门即将关闭或打开转速附近即高压转速NH=84%附近（对应IGV35%～IGV45%）时，放气活门随动杆、从动杆承受较大的振动应力；

（2）在发动机运行过程中，在放气活门关闭或打开动作的瞬间，随动杆、从动杆均承受大的冲击应力；

（3）当放气机构运行卡滞或运行不正常时会带来较大的应力，该应力会使放气机构零件磨损从而使随动杆、从动杆承受更大的振动应力和冲击应力，在振动应力和冲击应力的叠加作用下，会导致随动杆、从动杆发生断裂故障。

5 建议

（1）发动机不要在放气活门动作转速附近长时间工作，同时避免放气活门频繁的开、关。

（2）在放气机构装配过程中，尽量保证随动杆、从动杆处活门同时关闭、打开（可通过划线等措施，使随动杆、从动杆装配后与发动机轴线平行）。

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