摘　要：文章針對某型航空發動機槳軸機構的（de）重要零件鎖緊墊（diàn）圈斷裂故障，從槳軸（zhóu）與螺母聯接結構和故障模式，研究了鎖緊墊圈（quān）的斷裂性質和原因，提出了改進螺母結（jié）構、優化裝配工藝的針對性改進措施，驗證了改進措施的有效性，對於機（jī）械斷裂失效分析具有較強的指導意義與參考價值。
　　關鍵詞：航空（kōng）發動機；鎖緊墊圈；斷裂；預緊力；鎖爪；應力集中
　　緊固件的基本功能是（shì）聯結並傳遞載荷，螺紋緊固件由於可以很方便地產生大的軸向力而（ér）成（chéng）為（wéi）工程中應用Z廣泛的一類緊固件。緊固件在其製造和（hé）使用過程中（zhōng），由（yóu）於（yú）設計、選材、裝配等（děng）原因，往往發生早期（qī）失效。本（běn）文對某型發（fā）動機槳軸螺母鎖緊墊圈斷裂失效原因進行了分析研究，並（bìng）針對（duì）此缺陷（xiàn），提出了改進措施，對（duì）實（shí）際應（yīng）用有一定的（de）指導應用。
　　1　基本情況
　　1.1槳軸與螺母聯（lián）接結構
　　槳軸螺母聯接結構可簡化為螺栓聯接（jiē）模型，通過右端的鎖緊墊圈、槳軸螺母將外分油襯套、軸（zhóu）承、螺紋（wén）封嚴圈、前漲（zhǎng）圈封（fēng）嚴套和前漲圈封嚴內圈固緊在槳（jiǎng）軸上。
　　通常控製（zhì）螺栓聯接方法有力矩法、扭（niǔ）角法、測量螺栓伸長法、力矩/扭角法等幾種。力矩法雖較簡單（dān），但（dàn）由於連接件和被連接件（jiàn）的表麵質量（包括粗糙度、螺紋精度、潤滑、鍍層等）和擰緊速度等差別導致（zhì）所獲（huò）得的預緊力誤差大且分散（sàn），一般誤差達±25%，而測量螺栓伸長法較為麻煩和費（fèi）時。因此槳軸螺母擰緊在（zài）設計和工藝上采用的是扭角（jiǎo）法，其方法為當連（lián）接部件接合麵達到密貼後，控製螺母轉動一定角度來達到控製力矩的目的，采用轉角法需要注意的是，擰緊（jǐn）過程中必須確（què）認連接部件是否密貼。
　　由於槳軸（zhóu）工作時承受軸向拉（lā）力載荷，而裝配擰緊槳軸螺母給槳軸以軸向預緊力，因（yīn）此槳軸（zhóu）與槳軸螺母螺紋聯接屬於承受預緊力和工作拉力的緊螺（luó）栓聯接。 　　1.2鎖緊墊圈故障模式
　　鎖緊墊圈在呈（chéng）180°對稱的（de）兩個預彎鎖爪側麵R部位發生斷裂，墊圈表麵及斷裂部位存在明顯的（de）擠壓及擦傷痕（hén）跡（見圖2～圖3）。 　　斷口分析表明（míng），1^#、2^#斷（duàn）口形貌基本一致，斷（duàn）裂均起始於預彎鎖爪外側R部位，向（xiàng）墊圈內側擴展，斷口呈疲勞（láo）斷（duàn）裂特征，斷麵擦傷較為嚴重，無冶金缺陷。
　　2　原因分析
　　2.1零件設（shè）計合理性分析（xī）
　　根據設計尺寸，對槳軸螺母（mǔ）鎖緊的相關零件進行裝配尺寸鏈計算，在（zài）裝（zhuāng）配時，將槳軸螺母按裝配要求與鎖緊墊圈、外分油襯套等零件進行擰緊時，能保證槳軸螺母和鎖緊墊圈擰緊到位。此外，為防（fáng）止槳軸螺母割傷鎖緊墊圈貼合麵，對槳軸螺母（mǔ）內螺紋邊角及鎖緊墊圈鎖爪需折（shé）彎台肩的（de）尖角進行了打磨光滑，因此鎖緊墊圈裝配時相關零件設計是合理（lǐ）的。
　　2.2鎖緊墊圈受力分析
　　由槳軸的裝配圖可知，槳軸前漲（zhǎng）圈封嚴（yán）套、螺紋封嚴圈等零件裝於槳軸軸頸上並通過鎖緊墊圈和槳軸螺（luó）母預緊。當槳軸螺母擰至與鎖緊（jǐn）墊圈（quān）相貼合的平麵時，鎖緊（jǐn）墊圈與槳（jiǎng）軸螺母的貼合麵承受槳軸螺母預緊（jǐn）的正壓力作（zuò）用，若鎖（suǒ）緊墊圈強（qiáng）度不夠，則鎖緊墊圈貼合平麵將出現塑（sù）性變（biàn）形。
　　由於槳軸上螺紋聯接擰緊力矩（jǔ）的設（shè）計要求是按（àn）擰緊角度（dù）進（jìn）行計算，按文獻《螺栓擰緊力矩的極限值（zhí）》和《緊固件連接設計手冊》中擰緊圈數推導計算鎖緊墊（diàn）圈貼合麵受力，結果表明在要求的擰緊（jǐn）角度預緊作用下鎖緊墊圈強度足（zú）夠。即鎖緊墊圈貼合（hé）麵在正常工作狀態下不會發生（shēng）塑性變形。
　　2.3裝配工藝（yì）合理性分析（xī）
　　裝配時（shí），先將鎖（suǒ）緊墊（diàn）圈（quān）安裝於（yú）槳軸上，對應的兩個預彎鎖（suǒ）爪分別卡在分油襯套的鎖片槽處，再預緊槳軸螺母，然後將槳軸（zhóu）螺母擰緊至要（yào）求角度，Z後將鎖緊墊圈兩個保險鎖爪折彎（wān）卡入槳軸螺母的（de）開槽處。
　　複查裝配工藝，沒有規定槳軸螺母預緊力的大小。而螺（luó）紋緊固件連（lián）接質量的好壞，很大程度上取決於預緊力，預緊目的在於增強聯接的（de）可靠（kào）性和緊密性，預緊力（lì）將對螺栓的總載荷、聯結的臨界載荷等產（chǎn）生影響。過大或過小的預緊力均是有害的，所以預緊力的大小、準確度都十分重要。由於使零件端麵密貼的預緊力的分界（jiè）點很難控製，工藝規（guī）程上也未作具體規定，因此在實（shí）際裝配時也是靠人（rén）工摸索進行控製。若螺紋緊固件擰的過緊，即（jí）預緊力過大，則螺栓（shuān）可能被擰斷，被（bèi）聯接件可能被壓碎、扭（niǔ）曲（qǔ）或斷裂，也（yě）可能（néng）螺紋牙被剪斷而脫扣；若過小，則會使螺栓（shuān）疲勞壽命下（xià）降，被聯接件（jiàn）出現滑移甚至緊（jǐn）固（gù）件被剪斷。
　　槳軸螺母在外圓麵上（shàng）均勻開（kāi）有16槽，兩槽之間的夾角為22.5°，而槳軸螺母的（de）擰緊力（lì）矩（jǔ）角為40°±5°，螺母轉過兩（liǎng）個槽的角度為45°。由（yóu）於沒有規定預緊力的大小，所以無法確定螺母開始計（jì）算擰緊力矩角的初始位置，裝配時為同時保（bǎo）證擰緊力矩角（jiǎo）及鎖緊墊（diàn）圈保險鎖爪能夠卡入槳軸螺母槽，有可能導致槳軸螺母實際擰緊力（lì）矩過大。
　　2.4鎖緊墊圈斷裂原因分析
　　根據冶金分析結論，鎖緊墊圈為疲勞斷裂，起（qǐ）始於預彎（wān）爪外側R部位，向內側擴展，且源區部分表麵擦傷（shāng）嚴重。結合該部位裝（zhuāng）配（pèi）結構（gòu）及現場裝配情況，分析認為鎖緊墊圈斷裂起始時所受（shòu）到的應力較大，原因（yīn）是擰緊槳軸螺母時（shí），未規（guī）定預緊力大小（xiǎo），是靠人為的擰緊至扳不動為止，再用（yòng）長杆扳手扳過一定角度，而（ér）槳軸螺母槽夾角偏（piān）大，這使得預緊力和擰緊力（lì）矩較難控製，導致故障鎖緊墊圈實際擰緊（jǐn）力矩過（guò）大，在鎖緊墊圈貼合麵產生較大的摩擦力，因此在槳軸螺母與鎖緊墊圈的部分接觸麵上留下較嚴重的擦傷痕跡。由裝配結構可知，當擰緊（jǐn）槳軸螺母時，預彎鎖爪（zhǎo）卡在槳軸外分油襯套鎖爪槽內（nèi），若擰緊力矩過（guò）大，會（huì）使預彎鎖爪與墊圈（quān）平麵（miàn）的轉接處R部位承（chéng）受很大的彎曲（qǔ）應（yīng）力，造成該部位應力集中，而疲勞裂紋通常形成在導致應力集中的表麵不連續性部位，即截（jié）麵變化部位（台階和肩部）。
　　另外，發動機正（zhèng）常工作時，螺旋槳-槳軸需承受外界變化的氣動載荷（hé）、飛行時的陀螺力矩、發動機傳遞的（de）扭矩等力和力矩，由此產生的（de）振動會造成循環慣性力，導致鎖緊墊（diàn）圈與（yǔ）名義上（shàng）相對靜止的接觸件（jiàn）（槳軸外分油襯套和螺母）間，產生（shēng）高頻微動應力。在微動交變應力作用下，槳軸外分（fèn）油襯套上的鎖爪槽進一步擠壓鎖緊墊圈（quān）的預彎鎖爪，使預（yù）彎鎖爪的轉接R部位在（zài）承受擰緊（jǐn）時產生的彎曲應力的基礎上疊加微動交變應力產生的（de）彎曲應（yīng）力，從而萌（méng）生（shēng）疲勞裂紋並擴展（zhǎn），導致斷裂（liè）失效。
　　3　改進措施
　　（1）將原來無角度的擰緊盤改進為標印上（shàng）角度（dù）刻印的擰緊刻度盤，並新（xīn）增轉接裝（zhuāng）置，便於控製擰（nǐng）緊角度，同（tóng）時采用增力器減輕人力負擔；（2）將擰緊槳軸（zhóu）螺（luó）母的扭角法改為力矩-轉角法，先通過預緊力（lì）試驗數（shù）據統計（jì）獲（huò）得使零件密貼的預緊力，然後再使用增力器轉過設（shè）計要求的角度，確保擰緊力矩的同時使鎖（suǒ）緊墊圈的鎖（suǒ）片能鎖（suǒ）進槳軸螺母的鎖片槽；（3）對槳軸（zhóu）螺母槽數進行改進，由原來的16槽改為24槽，減小螺母（mǔ）槽夾角，以便用轉角法裝配槳軸螺母時可有效控製擰緊（jǐn）力矩角。
　　4　裝機（jī）驗證
　　將（jiāng）貫（guàn）徹（chè）上述（shù）改進措施的改進件裝機進行了600小時試（shì）車考核，試車（chē）後分解檢查，鎖緊墊圈外觀正常，無變形，磁粉檢查合格，這（zhè）說明上述改進措施是有效的，達到了預期改進目的。
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