Lycoming發動機機匣貫穿螺栓失效機理分析

巴文亮

摘 要： 航空發動機貫穿螺栓等緊固件斷裂或松動，將引起滑油滲漏而造成發動機失效。情況嚴重時，斷裂或脫落的螺栓將直接觸碰高速旋轉部件導致發動機內部損壞，將造成空中停車，直接影響飛行安全。本文通過國內某通航飛行學院訓練飛機飛行過程中發生的一起發動機機匣貫穿螺栓斷裂故障，采用斷口分析方法對斷裂螺栓進行詳細分析，從中找出螺栓失效的根本原因。并結合PA44-180型飛機日常中維護特點，提出螺栓、螺帽等緊固件在Lycoming發動機安裝時注意事項及預防措施，為以后發生類似故障提供一定借鑒作用。

關鍵詞： 螺栓；緊固件；形貌特征；斷口；失效

一、故障描述

2017 年3 月24 日，國內某通航飛行學院PA44-180型飛機執行本場起落航線帶飛訓練，14：40機組在穿云加起落三邊位置飛行時突然聽見左側發動機有“砰”一聲響聲，飛機操縱及儀表顯示均無異常。隨即機組報告塔臺后返航，滑回后機務人員打開整流罩檢查發現左發動機（型號：O-360-A1H6，序號L-38137-36A）機匣上部后方貫穿螺栓斷裂，螺栓尾部與螺帽均已丟失。（見圖1）

二、原因分析

螺栓開裂處位于螺牙的齒根位置，通常該位置的應力集中程度較高。螺栓斷口的宏觀形貌如圖2 所示，斷口起伏較大，整個斷口無明顯的疲勞特征。從斷口的起伏特征和宏觀分布來看，裂紋由左端開始起裂，迅速向右端擴展。

起裂區域的微觀形貌如圖3 所示，起裂區位于螺栓的齒根位置。起裂區域有許多非斷裂組織特征的顆粒狀凸起物。其他區域的形貌特征如圖4 所示，主要的形貌均為粗大的韌窩組織。因此整個斷口的開裂方式為高應力下的瞬間斷裂。

為分析起裂區域凸起物的材料類型，首先使用超聲將斷口清洗，然后利用EDAX 能譜儀對斷口區域的元素分布進行分析。如圖5 所示，斷口區域主要的氧化物有Fe 的氧化物、Zn 的氧化物、以及二者共同存在的氧化物或者金屬屑鹽類。從分布特征來看，整個斷口主要是Fe 的氧化物，但在起裂區域兩側，Zn 的氧化物（圖中黃色、綠色和藍色區域）分布較為集中，表明斷口區域Zn 的氧化物含量較高。通常螺栓材料應為均質的Fe 基材料，不應出現Zn 的富集或者偏聚。

起裂區域附近的微觀形貌特征如圖6 所示，表面凸起物與基體結合緊密。該形貌特征與螺栓使用過程中，齒根的沉積物有明顯差異。沉積物疏松，含有較高的C 元素（油脂的殘留物），且在掃描電鏡下導電不好（與基體接觸不好所致），形成白色斑點。而凸起物輪廓分明，均勻附著在斷口表面，彼此之間連接緊密無明顯間隙。

為分析凸起物中富含Zn 元素的來源，對斷口其他區域進行逐個點的能譜分析，如圖7所示（選取位置為遠離斷口的位置）。正常斷口韌窩組織中，點1 和點2 的能譜表面螺栓基體為Fe 基合金鋼。但齒根沉積物為富含氧化鋅和C（來自油泥）的沉積物（圖中spot3 和spot4）。而遠離齒根位置的螺栓表面，形貌特征中含有均勻的凸起物特征，能譜曲線（spot5 和spot6）為含有Zn 的氧化物層。

以上結果表明，斷口為瞬斷特征。且起裂區域附近有致密的Zn的氧化或金屬Zn 存在。

三、螺栓斷裂結論

出于防腐和防止電化學腐蝕的目的，發動機殼體螺栓通常會使用鍍敷層工藝。電化學鍍鋅工藝較為成熟，鍍敷層均勻覆蓋在基體表面，能夠提供較好的防護，此次失效螺栓表面的Zn 鍍層可能為電化學方法形成的鍍鋅層。但斷口中的起裂區域位于基體內部，不應當有Zn 鍍層的存在。鍍敷處理后Zn 鍍層覆蓋了裂紋，導致無法及時發現螺栓的缺陷。

1、 螺栓開裂于應力集中程度較大的齒根位置，斷口區域均為韌窩組織，表明斷口為一次性開裂。

2、螺栓表面經過鍍鋅處理。但起裂區域的斷口組織中發現金屬鋅的沉積物（溶液鍍鋅處理），表明鍍鋅處理前，起裂區域已經存在裂紋，鍍鋅處理后裂紋被鋅鍍層覆蓋。

四、Lycoming發動機螺栓安裝注意事項及預防措施

Lycoming發動機貫穿螺栓等緊固件斷裂或松動，將引起滑油滲漏而造成發動機失效。情況嚴重時，斷裂或脫落的螺栓將直接觸碰高速旋轉部件而導致發動機內部損壞，在飛機運行時，將直接造成空中停車。因此，螺栓等緊固件安裝注意事項及預防措施顯得尤為重要。

發動機螺栓安裝注意事項：

1、發動機在日常維護中，維修工作單卡對螺栓及螺帽等緊固件都要明確的檢查要求，目視檢查時需注意放松特征：1）漆層沿緊固件頭部周緣破裂；2）緊固件頭部周緣有黑色異物呈“外翻”狀積聚 ；3）緊固件及孔壁表面臟污。

2、螺栓安裝除需要考慮螺栓尺寸大小外，還應考慮長度合適的螺栓以及應與連接的金屬厚度相配。

3、擰緊螺栓時要防止重復拆裝造成螺帽孔變大導致連接松脫。

4、使用墊片可以進一步消除和減少裝配時產生的應力；因對防腐有一定要求，墊片不能隨意更換，更換安裝時必須要求和手冊的墊圈件號要一致。

5、螺栓、墊圈和螺帽安裝后，螺紋必須完全咬合；螺栓的螺紋端有倒角的要求倒角露出螺帽，如果螺紋端頭沒有倒角，則要求螺栓螺紋露出螺帽至少1-1/2圈螺紋。

6、光桿長度大于所需材料的總厚度，可通過在螺紋端施加墊圈解決，但螺紋端的墊圈厚度不能超過1/8英寸且不能使用超過兩個墊圈。

7、為保證被連接部分接合、貼緊和受壓均勻：圓圈或者多排螺釘的情況下，不要一個接一個的擰緊相鄰的螺桿。在安裝螺桿形成一個封閉模式的情況，如一個圓圈或方形的情況下，應對角擰緊。

日常維護采取的預防措施：

1、飛機發動機在進行定檢或日常排故工作時，螺栓的安裝必須嚴格按AMM（飛機維護手冊）中給出的力矩值進行緊固。過小的力矩會因預緊力不足引起部件松動或斷裂；過大的力矩將直接導致螺栓斷裂或因應力集中造成潛在失效的風險。

2、發動機上的螺栓、螺帽、墊片等緊固件不可隨意安裝，必須嚴格按飛機IPC（飛機圖解目錄）指定位置安裝。 螺栓的螺紋是粗牙還是細牙、螺帽的形式是自鎖還是普通、墊片的數量是一個還是若干個在IPC中都有明確要求。

3、在飛機發動機維護中，部分緊固件需要打保險（用金屬絲固定螺栓或螺帽）。在打保險的過長中，保險的方向尤為重要，保險方向一般為右旋拉近方向。一旦打反，將直接拉松緊固件，造成緊固失效。

參考文獻

[1]肖志濱. LYCOMING發動機部件壽命規律及維修優化研究[D].中國民用航空飛行學院，2015.

[2]劉顯超，王在俊.Lycoming發動機配重擋片失效分析[J].熱加工工藝，2010，39（22）：194-195+198.