吕华蕾 刘萌
中国航发南方工业有限公司
摘要：某型起动机为国内发动机起动提供辅助动力。该型起动机在排故检查发现多起机匣上的隔热屏螺母脱落。本文针对该故障基于故障树分析（FTA）方法，从锁片失效、螺母预紧力消失等方面进行逐项分析、排除，在大量措施验证的基础上，确定了隔热屏螺母脱落原因，并制定了相应的措施，从根本上解决该系列起动机隔热屏螺母脱落故障。
关键词：故障树分析法；隔热屏；螺母
1概述
某起动机返厂排故时发现多起导向器机匣上的隔热屏螺母脱落，在外厂表征故障现象为尾喷口喷火并冒出大量白烟，停车后，检查发现起动机尾喷口有滑油油迹。起动机冷运转，尾喷口喷出大量滑油。
2隔热屏组合结构
隔热屏组合安装在导向器内罩组合上用螺母联结，并用锁片锁住。
3机理分析
针对螺母松动脱落故障，以螺母松动脱落为顶事件，绘制故障树，如图1所示，并对故障树底事件的可能性开展分析。
图1 螺母脱落故障树
3.1锁片失效
3.1.1锁片抗力不足
3.1.1.1设计强度不足
锁片的作用是在螺母略微松驰时，限制螺母继续松动，保持螺母一定的预紧力矩，此时螺母的锁片槽与锁片保持接触，锁片仅承受微小的接触应力。如是接触应力过大导致锁片失效，锁片弯入螺母锁片槽的部位无法保持完整。从收集到的故障机的锁片来看，锁片弯曲部位均较完整，无证据表明锁片设计强度不足导致锁片失效。
3.1.1.2制造缺陷
根据其他故障机故检情况分析，锁片损伤的原因可能是装配锁片时，锁片未安装到位，螺母拧入时螺纹剪切锁片，致使锁片损伤。后经过一定的工作时间后，损伤处扩展断裂，致使锁片脱落失效。但故障机已经贯彻了锁片更改新工艺，可排除装配工艺问题导致的制造缺陷。
3.1.2作用力
3.1.2.1大应力过载
起动机涡轮转子的转向是逆时针，当与螺母碰磨时，会在螺母上施加拧松力矩，有可能剪断锁片，并造成螺母脱落。通过前期的计算分析，在设计状态下，具有足够的间隙，不会导致螺母与涡轮转子碰磨。
在转子与螺母间掉入异物，转子通过异物对螺母施加扭矩，亦有可能剪断锁片，并造成螺母脱落。但异物若要进入螺母与转子间，需要通过涡轮转子与涡轮导向器之间的小间隙，这种可能性相当小，目前亦无证据发现异物进入的痕迹。
3.1.2.2振动应力
随着发动机高频振动，产生振动应力，磨损锁片槽的螺母保险端，使锁片失效。故障机2个断裂的X型锁片螺母保险端均有磨痕。
3.2螺母预紧力消失
螺母预紧力消失后，有损坏锁片的可能。在大修时有发现螺母松动，拧紧力矩消失的情况，该种现象在X型起动机出现的比例约4%，其他型起动机出现的比例约10%，说明该处螺母的预紧力存在一定的失效概率。
3.2.1接触面塌陷
螺栓头或螺母的支撑面接触应力大时，与之相接触的连接表面会有环状塌陷。继续使用的过程中，特别是经历过温度变化，由于塑性变形继续发生，紧固长度内螺栓拉应力减小，导致螺母不回转的情况下连接的预紧力也会降低，力矩发生衰退。
螺母前端有隔热屏，隔热屏上有0.3mm的小凸台，小凸台切入铜片，铜片凸入动力涡轮导向器机匣上的小凹槽，形成封严结构。
对比设计图纸与X型机动导上的小凹槽，X型机槽深0.52mm，大于Y型机的0.3mm。见
经测量，螺母的拧紧力矩为100N·m时，拧过的角度为(20～25)°，即螺母和铜垫的综合变形为0.056～0.07(螺纹螺距为1.0)，即小凸台切入铜垫的量最大为0.07，隔热屏与铜垫只有微小的凸台面积有接触，从分解的铜垫来看，亦发现铜垫的压痕很浅。小凸台以及铜垫接触面过小，接触应力过大，经冷热循环发生塑性变形，导致螺母拧紧力矩松驰、消失。
3.2.2结构应力释放
螺纹连接结构中，会有一定的应力释放，导致预紧力矩松驰。起动机隔热屏、铜垫的环境温度较高，应力释放可能更为明显。这也可能是导致螺母应力预紧力消失的原因之一。
3.2.3材料表面变化
由于加工原因，螺纹表面可能较粗糙，螺母拧紧时，螺纹表面摩擦较大，摩擦发热导致在微观上出现螺纹焊合现象，使拧紧力矩大部分分配在克服螺纹表面摩擦上，从而使螺母的实际预紧力偏小。经一定的冷、热循环后，微观焊点脱落，螺母预紧力松驰脱落。但早期已发生类似问题，并已进行了整改落实，可排除材料表面变化对拧紧力矩的影响。
4原因分析
由以上分析及故检现象可以得出：动导上的封严槽设计偏小，易导致铜垫安装不好。隔热屏小凸台与铜垫接触面过小，接触应力过大，经冷热循环发生塑性变形，导致隔热屏螺母拧紧力矩松驰，直至消失。螺母预紧力消失后，螺母松动，螺母高频振动，产生振动应力，磨损了锁片槽的螺母保险端，使锁片失效。当锁片失效和螺母预紧力消失同时出现时，导致隔热屏螺母脱落。
隔热屏螺母脱落后，隔热屏组合不能压紧铜垫，起不到封严作用，动导轴承润滑滑油腔内的滑油渗漏流入尾喷管，当起动机点火后，渗漏到气道的滑油遇高温燃烧导致尾喷管喷火；停车后滑油受热挥发，导致尾喷口冒出大量白烟。
5改进措施
改进动导封严槽结构：将原来的三角槽改为方形槽。
加大隔热屏螺母拧紧力矩：螺母拧紧力矩由98～102 N.m更改为200～210 N.m。
以上两条措施均已落实到位，且已通过长期试车考核。目前，贯彻改进措施后的起动机未发生隔热屏脱落故障。
6结论
基于故障树的起动机隔热屏脱落故障分析，通过对锁片失效分析、作用力分析、螺母预紧力消失分析等，找出了影响导致起动机隔热屏脱落故障的主要因素为动导上的封严槽设计偏小，通过工艺改进及装机验证试验，从根本上解决了该故障。
参考文献
【1】廉筱纯 吴虎 编著.《航空发动机原理》〔M〕西安：西北工业大学出版社 2006.
【2】秦鹏译 编著.《轴流式压气机气动设计》〔M〕北京：国防工业出版社 1975.
【3】刘大响 叶培梁 胡骏等 编著.《航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术》〔M〕北京：航空工业出版社 2004.
【4】刘长福 邓明 编著.《航空发动机结构分析》〔M〕西安：西北工业大学出版社 2006.
【5】陈光 编著.《航空发动机构造》〔M〕北京：北京航空航天大学出版社 2006