巴文亮

摘 要： 航空发动机贯穿螺栓等紧固件断裂或松动，将引起滑油渗漏而造成发动机失效。情况严重时，断裂或脱落的螺栓将直接触碰高速旋转部件导致发动机内部损坏，将造成空中停车，直接影响飞行安全。本文通过国内某通航飞行学院训练飞机飞行过程中发生的一起发动机机匣贯穿螺栓断裂故障，采用断口分析方法对断裂螺栓进行详细分析，从中找出螺栓失效的根本原因。并结合PA44-180型飞机日常中维护特点，提出螺栓、螺帽等紧固件在Lycoming发动机安装时注意事项及预防措施，为以后发生类似故障提供一定借鉴作用。

关键词： 螺栓；紧固件；形貌特征；断口；失效

一、故障描述

2017 年3 月24 日，国内某通航飞行学院PA44-180型飞机执行本场起落航线带飞训练，14：40机组在穿云加起落三边位置飞行时突然听见左侧发动机有“砰”一声响声，飞机操纵及仪表显示均无异常。随即机组报告塔台后返航，滑回后机务人员打开整流罩检查发现左发动机（型号：O-360-A1H6，序号L-38137-36A）机匣上部后方贯穿螺栓断裂，螺栓尾部与螺帽均已丢失。（见图1）

二、原因分析

螺栓开裂处位于螺牙的齿根位置，通常该位置的应力集中程度较高。螺栓断口的宏观形貌如图2 所示，断口起伏较大，整个断口无明显的疲劳特征。从断口的起伏特征和宏观分布来看，裂纹由左端开始起裂，迅速向右端扩展。

起裂区域的微观形貌如图3 所示，起裂区位于螺栓的齿根位置。起裂区域有许多非断裂组织特征的颗粒状凸起物。其他区域的形貌特征如图4 所示，主要的形貌均为粗大的韧窝组织。因此整个断口的开裂方式为高应力下的瞬间断裂。

为分析起裂区域凸起物的材料类型，首先使用超声将断口清洗，然后利用EDAX 能谱仪对断口区域的元素分布进行分析。如图5 所示，断口区域主要的氧化物有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属屑盐类。从分布特征来看，整个断口主要是Fe 的氧化物，但在起裂区域两侧，Zn 的氧化物（图中黄色、绿色和蓝色区域）分布较为集中，表明断口区域Zn 的氧化物含量较高。通常螺栓材料应为均质的Fe 基材料，不应出现Zn 的富集或者偏聚。

起裂区域附近的微观形貌特征如图6 所示，表面凸起物与基体结合紧密。该形貌特征与螺栓使用过程中，齿根的沉积物有明显差异。沉积物疏松，含有较高的C 元素（油脂的残留物），且在扫描电镜下导电不好（与基体接触不好所致），形成白色斑点。而凸起物轮廓分明，均匀附着在断口表面，彼此之间连接紧密无明显间隙。

为分析凸起物中富含Zn 元素的来源，对断口其他区域进行逐个点的能谱分析，如图7所示（选取位置为远离断口的位置）。正常断口韧窝组织中，点1 和点2 的能谱表面螺栓基体为Fe 基合金钢。但齿根沉积物为富含氧化锌和C（来自油泥）的沉积物（图中spot3 和spot4）。而远离齿根位置的螺栓表面，形貌特征中含有均匀的凸起物特征，能谱曲线（spot5 和spot6）为含有Zn 的氧化物层。

以上结果表明，断口为瞬断特征。且起裂区域附近有致密的Zn的氧化或金属Zn 存在。

三、螺栓断裂结论

出于防腐和防止电化学腐蚀的目的，发动机壳体螺栓通常会使用镀敷层工艺。电化学镀锌工艺较为成熟，镀敷层均匀覆盖在基体表面，能够提供较好的防护，此次失效螺栓表面的Zn 镀层可能为电化学方法形成的镀锌层。但断口中的起裂区域位于基体内部，不应当有Zn 镀层的存在。镀敷处理后Zn 镀层覆盖了裂纹，导致无法及时发现螺栓的缺陷。

1、 螺栓开裂于应力集中程度较大的齿根位置，断口区域均为韧窝组织，表明断口为一次性开裂。

2、螺栓表面经过镀锌处理。但起裂区域的断口组织中发现金属锌的沉积物（溶液镀锌处理），表明镀锌处理前，起裂区域已经存在裂纹，镀锌处理后裂纹被锌镀层覆盖。

四、Lycoming发动机螺栓安装注意事项及预防措施

Lycoming发动机贯穿螺栓等紧固件断裂或松动，将引起滑油渗漏而造成发动机失效。情况严重时，断裂或脱落的螺栓将直接触碰高速旋转部件而导致发动机内部损坏，在飞机运行时，将直接造成空中停车。因此，螺栓等紧固件安装注意事项及预防措施显得尤为重要。

发动机螺栓安装注意事项：

1、发动机在日常维护中，维修工作单卡对螺栓及螺帽等紧固件都要明确的检查要求，目视检查时需注意放松特征：1）漆层沿紧固件头部周缘破裂；2）紧固件头部周缘有黑色异物呈“外翻”状积聚 ；3）紧固件及孔壁表面脏污。

2、螺栓安装除需要考虑螺栓尺寸大小外，还应考虑长度合适的螺栓以及应与连接的金属厚度相配。

3、拧紧螺栓时要防止重复拆装造成螺帽孔变大导致连接松脱。

4、使用垫片可以进一步消除和减少装配时产生的应力；因对防腐有一定要求，墊片不能随意更换，更换安装时必须要求和手册的垫圈件号要一致。

5、螺栓、垫圈和螺帽安装后，螺纹必须完全咬合；螺栓的螺纹端有倒角的要求倒角露出螺帽，如果螺纹端头没有倒角，则要求螺栓螺纹露出螺帽至少1-1/2圈螺纹。

6、光杆长度大于所需材料的总厚度，可通过在螺纹端施加垫圈解决，但螺纹端的垫圈厚度不能超过1/8英寸且不能使用超过两个垫圈。

7、为保证被连接部分接合、贴紧和受压均匀：圆圈或者多排螺钉的情况下，不要一个接一个的拧紧相邻的螺杆。在安装螺杆形成一个封闭模式的情况，如一个圆圈或方形的情况下，应对角拧紧。

日常维护采取的预防措施：

1、飞机发动机在进行定检或日常排故工作时，螺栓的安装必须严格按AMM（飞机维护手册）中给出的力矩值进行紧固。过小的力矩会因预紧力不足引起部件松动或断裂；过大的力矩将直接导致螺栓断裂或因应力集中造成潜在失效的风险。

2、发动机上的螺栓、螺帽、垫片等紧固件不可随意安装，必须严格按飞机IPC（飞机图解目录）指定位置安装。 螺栓的螺纹是粗牙还是细牙、螺帽的形式是自锁还是普通、垫片的数量是一个还是若干个在IPC中都有明确要求。

3、在飞机发动机维护中，部分紧固件需要打保险（用金属丝固定螺栓或螺帽）。在打保险的过长中，保险的方向尤为重要，保险方向一般为右旋拉近方向。一旦打反，将直接拉松紧固件，造成紧固失效。

参考文献

[1]肖志滨. LYCOMING发动机部件寿命规律及维修优化研究[D].中国民用航空飞行学院，2015.

[2]刘显超，王在俊.Lycoming发动机配重挡片失效分析[J].热加工工艺，2010，39（22）：194-195+198.