一种固定滑油箱用箍带断裂失效分析及排除

孙越，迟岑，刘硕，马晓微

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043）

0 引言

滑油系统的功能是保障摩擦机件的润滑、带走传动件产生的热量、净化运转磨产生的金属微粒、在金属表面形成油膜防止金属氧化和腐蚀[1-2]。滑油箱是滑油系统中存储滑油的部件，装配后需采用箍带在两侧对其进行固定，保证工作可靠稳定。

本文针对一种随产品短时工作发生断裂的滑油箱箍带，从设计结构、材料强度、制造符合性、装配符合性、产品工作过程受力仿真分析并结合理化检测等方面进行排查分析[2]，最终确定了问题产生的原因，制定了相应改进措施，提高了产品的使用安全可靠性。

1 现象描述

一件用于固定滑油箱的支架组件随产品短时间工作后，检查发现其箍带发生断裂问题。断裂位置为箍带与支架间销轴连接处，如图1所示。箍带本体发生断裂，同时，支架上滑油箱定位销安装U形孔发生磨损。

图1 滑油箱箍带断裂位置示意图

2 滑油箱支架组件技术状态及作用

滑油箱支架组件由支架、箍带、胶带、胶片、小轴、开口销等组成，支架与箍带之间由小轴穿插连接，装配开口销防止脱出，胶带与胶片分别装配于箍带及支架，防止与滑油箱发生接触磨损。发生断裂的箍带材料标准规格为TC1，GJB 2505-1995，技术要求σb≥930 MPa。采用板材线切割+成型加工方法制造。装配时，支架组件通过支架下方的螺栓孔安装与机匣安装边上，滑油箱定位销落于支架上的滑油箱安装孔内，再用箍带将滑油箱两侧箍紧，保证工作过程中滑油箱稳定固定。

3 故障树分析

针对滑油箱支架组件箍带断裂情况，从设计、加工、装配、工况等方面进行分析，并建立故障树，开展排查、验证，如图2所示。

图2 故障树分析图

3.1 设计复查

3.1.1 结构合理性复查

滑油箱支架组件为典型结构件，应用十分广泛。支架组件的箍带两侧采用压弯机压弯成型后点焊固定，结构如图3所示。

图3 箍带正视结构示意图

与其它同类结构滑油箱支架组件进行对比，断裂箍带与支架连接侧的弯曲半径设计尺寸更大，其余件结构尺寸均无变化。但分析认为，箍带弯曲半径尺寸的变化有利于缓解制造压弯过程中产生的应力，不是引起箍带断裂的原因。箍带所固定的滑油箱，与其它同类结构滑油箱对比，仅与管路的接口结构发生变化，分析认为对箍带断裂无影响。因此排除底事件X1。

3.1.2 材料强度复查

断裂箍带的材料为TC1 /GJB 2505-1995，其它同类箍带产品的材料主要为30CrMnSiA / GJB2151-94。经查材料标准，30CrMnSiA/GJB2151-94的抗拉强度为540～735 MPa，TC1/GJB 2505-1995 的抗拉强度为590 ～735 MPa，基本相当。因此可以排除底事件X2。

3.2 制造符合性复查

3.2.1 制造工艺文件复查

箍带现行有效设计图为B版，主要是对电阻焊接质量验收标准进行更改；支架现行有效设计图为F版，主要是为了方便工艺对导圆角的规定进行更改；滑油箱支架组件现行有效设计图为D版，主要是明确支架与胶片之间的粘接要求。上述更改均已贯彻至工艺文件中。

复查滑油箱支架组件、箍带及支架的制造加工工艺规程，均满足设计图纸要求。为了提高生产效率，缓解钳工压力，办理了1份临时工艺规程，将支架的钻孔并锪窝工序由夹具及摇臂钻改为在数控设备上进行，相关尺寸由数控程序保证。工艺规程更改情况以及办理的临时工艺文件不存在验证不充分的工艺方法或环节。因此可以排除X4底事件。

3.2.2 生产过程复查

复查断裂批次箍带，生产过程符合工艺文件要求，经并经100%检验，箍带尺寸、焊接位置尺寸、焊接质量等完全符合设计图要求；滑油箱支架组件经检验合格入库，生产过程符合工艺文件要求。配套支架所在批次，生产过程符合工艺文件要求，首检合格入库。

经上述复查，箍带、支架及支架组件的流卡及检验记录齐全，未见异常。因此可以排除X5底事件。

3.2.3 结构尺寸复测

由于箍带已断裂，只对其可测量位置的尺寸进行复测，测量尺寸均合格，排除X7底事件。

由于支架组件为一对，复查滑油箱上、下两支架尺寸，发现中部为U形孔的支架，除孔靠近安装边一侧边缘磨损外，其余尺寸均符合设计要求；中部为O形孔的支架，孔心距离基准平面的距离尺寸超差。

图4 支架结构及超差尺寸示意图

其余机件尺寸经测量均符合设计要求。

3.3 装配符合性复查

滑油箱支架组件（一对），用六角头螺栓、六角自锁螺母固定于机匣安装边上。在滑油箱支架上安装滑油箱，用转接器将箍带上双头螺栓按设计要求拧紧力矩进行拧紧，用锁紧锁丝。将拧紧力矩提交检验员检验。

从装配符合性复查情况来看，滑油箱装配工艺过程合理，未见异常。同时，滑油箱箍带槽宽较箍带尺寸大，且目视检查即可实现对箍带是否装入箍带槽内进行检查。因此可以排除X9、X10底事件。

3.4 复查结果分析

针对以上复查结果，对支架尺寸超差的情况进行分析，复查机件加工过程，发现零件加工时以铣平面工序形成的平面和钻铰孔形成的的两个胶片定位小孔为定位基准，在加工区域下型面用两个可调螺钉作为辅助支撑，压紧另一侧平面底部区域（装配有效区域）的方式进行装夹定位，如图5所示。

图5 支架零件夹具及模拟加工示意图

零件装夹过程中，操作者使用压板将零件压紧后，手动调整辅助支撑螺钉，保证辅助支撑与零件紧密贴合，可满足加工要求。如操作者未顶紧辅助支撑时，辅助支撑与零件表面存在缝隙，加工面受钻削力影响发生倾斜，就会导致中心孔位置加工尺寸超差。

图6 理论加工状态

图7 故障件加工状态

支架上的滑油箱定位孔中心位置尺寸超差，O形孔心位置向安装边一侧偏移，导致上下两支架定位孔沿产品轴向位置不一致，而滑油箱下壳体上两定位销相对位置不变。滑油箱安装后，会产生扭转或翘起趋势，而箍带定位未发生变化，装配箍紧后，工作过程中在滑油箱摩擦力的作用下，箍带受到偏拉力。

4 箍带受力仿真分析

针对箍带受到偏拉力情况，采用有限元仿真方法进行受力分析[3]。滑油箱箍带（后右）材料为TC1，支架材料为ZTC4，查材料手册，计算时选取室温时的材料参数。三者装配结构示意图如图1所示。

正常情况下拉力沿着箍带延伸方向，当存在超差、装配质量误差或特殊工况时，箍带可能还会受到沿着工作方向的载荷，此时拉力不再沿箍带方向即出现“偏拉”现象，两种情况示意图如图8所示。

图8 箍带正常受力及受偏拉力情况

支架下端通过螺栓与机匣连接，在螺栓孔处施加固定约束，如图9所示。

图9 约束位置示意图

根据拉紧箍带的螺栓力矩，假设箍带的拉力为2000 N，偏拉时受到沿工作方向的力200 N。这里仅重点对比正拉、偏拉情况在相同拉力作用下的应力差异，而非实际工况结果。计算组件状态下箍带正拉和偏拉两种方案的应力分布情况如图10、图11所示。

通过图10、图11可知，由于支架组件是一侧固定安装在机匣上，整个组件的约束是左右非对称的，故实际工作中即使是正常的正拉情况，两侧应力也是不对称的，但差距不大，基本可以排除X3底事件。当出现偏拉现象时，进气边一侧拉应力明显增大，由108 MPa增大到151 MPa。最大位置在圆弧外表面。另外，箍带弯曲加工成型时，弯曲圆弧内外表面会存在残余应力，其中圆弧外表面表现为拉应力，内表面表现为压应力。在实际工作中再承受拉紧力和振动动应力的作用效果，达到一定程度时容易诱发疲劳破坏。

图10 正拉及偏拉状态下组合件等效应力分布云图

图11 正拉及偏拉情况箍带Z向应力分布云图

5 箍带理化分析

5.1 宏观检查

切取箍带断裂处观察，断口呈深灰色、较平坦、为疲劳断口，可见起始于外表面棱边处的疲劳弧线，箍带内表面可见面积约5 mm×15 mm的碾压痕迹，裂纹穿过碾压痕迹扩展。

图12 箍带断口形貌

5.2 电镜检查及能谱分析

断口为多源疲劳断口，可见起始于销轴装配处弯曲外表面棱边的疲劳源和起始于箍带内表面中部的疲劳源，其中箍带弯曲外表面棱边的为主疲劳源，主疲劳裂纹起源后向内表面及另一端扩展，扩展过程中与箍带内表面的疲劳源汇合，直至最后断裂，放大观察，断口氧化较重，有较多二次裂纹，局部可见疲劳条带，最后断裂区韧窝形貌。

箍带断口为多源疲劳断口，主疲劳源位于箍带销轴装配孔弯曲外表面棱边处，疲劳源区未见冶金缺陷。箍带材质基本符合TC1。因此可以排除底事件X6。

图13 断口二次裂纹及疲劳条带形貌

图14 瞬断区韧窝形貌

6 故障原因分析

根据设计、制造及装配符合性复查结果，分析认为滑油箱支架O形定位孔中心位置尺寸超差，会导致箍带在装配状态下受到偏拉力。通过受力仿真分析，箍带受偏拉力时其销轴装配孔弯曲圆弧进气侧外表面边缘处为最大应力位置，且应力水平较箍带受正常拉力时更大。工作过程中，在振动等外部应力综合作用下，受偏拉力的箍带在最大应力处产生初始裂纹并最终扩展断裂[5]，同时导致滑油箱下方定位销与支架定位孔间发生磨损。因此滑油箱支架定位孔中心位置尺寸超差是导致箍带发生断裂的直接原因。

支架O形定位孔中心位置尺寸超差的原因是，在进行钻孔并锪窝工序时，因操作者认知不足，故障件装夹过程中夹具辅助支撑未顶紧零件，造成零件受钻削力影响发生倾斜，导致钻孔后尺寸超差。且该件为首检合格入库，因此未发现尺寸超差而装配使用。

7 影响分析及改进措施

由于滑油箱两侧均有箍带固定，分析认为，一侧箍带断裂后，另一侧箍带仍可对滑油箱起到固定作用，同时连接于滑油箱上的导管也会对滑油箱起到一定的支撑作用，短时内滑油箱不会从定位孔中脱出，可以保证短时间内正常工作。且经复查已制产品，均未发现断裂问题，因此认为上述支架滑油箱定位孔位置尺寸超差为小概率事件。后续产品采用数控设备代替摇臂钻及夹具执行钻孔并锪窝工序，可有效避免人为因素导致的产品加工尺寸超差问题，且产品加工后要求进行100%检验，可有效保证交付产品的使用安全可靠性。