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摘要：本文对航空发动机紧固件故障分析进行了总结和分析，提出了故障分析的基本思路。
关键词：航空发动机;紧固件;故障;分析
0 引言
紧固件作为实现连接功能的基本零件，在工业行业内被广泛使用。在航空发动机上，紧固件作为使用数量最多、分布最广的一种零件，以三代军用航空发动机为例，紧固件数量已达到一千余个图号，单台装配数量已达到一万五千余个。
紧固件装配部位基本覆盖了航空发动机的各个单元体的转子、静子和机匣等部位，其使用温度也有很大的变化范围，从几百K到一千余K。对于军用航空发动机而言，发动机要承受更大的机动载荷和冲击载荷，使用工况更加恶劣，紧固件的故障也会更加的频繁。
本文针对紧固件故障分析的方法和思路进行了分析，归纳总结出一套更合理的方法，有助于更快速，更准确的描述故障、定位故障、分析故障、解决故障。
1 紧固件故障分析的方法
紧固件故障的分析流程如图1所示。
1.1 故障信息调查
故障信息调查是对紧固件故障发生的情况做一个系统的梳理，对故障发生时的情况做出具体的描述，明确故障现象。主要信息包括故障发生的时间、地点、台份、架次、发动机状态、试车整机表现;试验项目、试验开展状态、故障发生时试验参数;故障件状态描述等信息。
1.2 故障定位
在充分获取故障现象信息后，进行故障定位。根据前期获取的故障现象信息，通过直观判断、分解检查、微观分析等方法进行故障定位，确定引起故障部位。
1.3 故障原因分析
使用故障树分析的方法进行故障原因分析。故障树分析是自上而下的故障分析方法，是以逻辑关联的形式对故障现象和故障原因建立联系，最终确定故障发生原因的一种方法。对于紧固件的故障，故障树一般分为顶事件、中间事件和底事件三个层级，如图2。
顶事件一般为紧固件故障的失效形式。如断裂、疲劳、磨损、腐蚀、变形、烧蚀等。
中间事件一般为产生紧固件失效的一般归因。如工作状态超额、产品质量缺陷、装配和使用因素等。
底事件一般为紧固件一般归因的具体分解。如工作温度超限、载荷超限;材料选用不合理、规格选用不合理、数量选用不合理;加工质量问题、硬度缺陷、毛坯缺陷;装配扭矩过大、安装形式不合理等。
1.4 事件排查
针对原因分析中的底事件进行逐一排查。排查的方式主要有设计复查、过程文件复查、仪器设备复查、实物失效分析、模拟试验验证几种方式。通过对事件的排查，排除紧固件的非故障因素，锁定故障根本原因。
1.5 综合分析与验证
在事件排查的基础上，对故障机理进行分析，判断故障的根本原因，经过改进，给出改进方案和具体措施，并进行验证。最后形成故障分析总结报告。
2 紧固件故障分析案例
以某型发动机在进行某项试验过程中出现的安装边安装螺栓断裂故障为例，对军用发动机紧固件故障分析及解决的方法进行详细说明。
2.1 故障信息调查
20XX年X月X日，某型发动机进行某项叶片包容试验。在试验过程中，转速上升平稳，振动等各项指标正常，叶片断裂转速正常，预置缺口叶片正常断裂。试验后发现部分螺栓断裂，螺栓和螺母掉落于试验器舱体地面。
2.2 故障定位
经现场分解检查后，除机匣安装边螺栓有部分缺失外，其余部件上螺栓均未见缺失，判定故障部位为机匣安装边螺栓断裂，根据理化分析，确定螺栓为瞬时断裂。
2.3 故障原因分析
根据以上信息，建立螺栓瞬时过载断裂的故障树。故障树以螺栓瞬时过载断裂为顶事件，分别从设计、加工和装配角度进行中间事件的分析，得到三个中间事件：螺栓工作状态超出螺栓设计许用范围、螺栓产品质量存在缺陷、装配不合理。分别对三个中间事件进行分解，得到十个底事件。如图3所示。
2.4 事件排查
对故障树中列出的底事件逐个进行分析，内容见表1。
经过对故障树的底事件进行分析，初步确定10个底事件中能够排除以下7个：1.1螺栓工作温度超出许用温度;2.1螺栓加工质量不合格;2.2螺栓硬度不合格;2.3螺栓毛坯材料成分不合格;2.4螺栓材料组织不合格;3.1螺栓扭紧力矩不合适造成预应力过大;3.2螺栓安装结构形式不合理。
不排除以下3个底事件：1.2螺栓规格选用不合适;1.3螺栓材料选用不合适;1.4螺栓个数选用不合适。
在3个无法排除的底事件中，主要原因可以归纳为：
螺栓承载能力不足（1.2螺栓规格选用不合适、1.3螺栓材料选用不合适、1.4螺栓个数选用不合适）。
2.5 综合分析与验证
采用理论计算的方法对螺栓的承载能力进行分析。
拧紧力矩T与预紧力P0的关系为：
T=KP0d
式中：K—拧紧力矩系数，螺纹表面为一般加工表面且无润滑;d——螺纹公称直径，单位为mm。
螺栓所受应力计算公式为：
式中：P∑—螺栓所受的总拉力，N;d1—外螺纹小径，mm;σ—拉伸应力，MPa。
将螺栓的材料、尺寸和飞断叶片的离心力代入公式中，進行计算。经计算，螺栓所受拉力大于其材料的许用值。
应提高连接螺栓的承载能力，主要措施有两项：
增大连接处螺栓直径;
更换强度更高的材料。
由于机匣安装边的尺寸无法增大，如增大螺栓直径，会造影响机匣安装边强度，故不能采取增大连接处螺栓直径的措施。在对几种经固件材料进行分析后，建议对螺栓材料进行更换，并增加定距离套，以增加该处螺栓的承载能力及承载能力裕度。
3 实施效果
此方法已在多型军用航空发动机紧固件排故中应用，具有较为良好的适用性，思路也较为清晰，能够清楚的描述故障、分析故障、解决故障，实施效果良好，具有较高的使用价值。
4 小结
①根据经验，总结出了紧固件故障分析的一套有效方法;②对该方法进行举例说明，说明该方法具有良好的适用性;③对实施效果进行了说明，证明实施效果良好。
参考文献：
[1]刘风坤.航空发动机加力燃烧室内锥组件故障原因分析[J].企业科技与发展，2019（01）：84-86.
[2]王锦邦，杜红喜，董永耀，蔡震.某型航空发动机混合器连接螺钉断裂故障分析与预防[J].航空维修与工程，2018（10）：86-87.
[3]田野，唐旭.螺纹摩擦系数检测对紧固件失效率影响的探讨[J].内燃机与配件，2019（03）：136-137.
关键词：航空发动机;紧固件;故障;分析
0 引言
紧固件作为实现连接功能的基本零件，在工业行业内被广泛使用。在航空发动机上，紧固件作为使用数量最多、分布最广的一种零件，以三代军用航空发动机为例，紧固件数量已达到一千余个图号，单台装配数量已达到一万五千余个。
紧固件装配部位基本覆盖了航空发动机的各个单元体的转子、静子和机匣等部位，其使用温度也有很大的变化范围，从几百K到一千余K。对于军用航空发动机而言，发动机要承受更大的机动载荷和冲击载荷，使用工况更加恶劣，紧固件的故障也会更加的频繁。
本文针对紧固件故障分析的方法和思路进行了分析，归纳总结出一套更合理的方法，有助于更快速，更准确的描述故障、定位故障、分析故障、解决故障。
1 紧固件故障分析的方法
紧固件故障的分析流程如图1所示。
1.1 故障信息调查
故障信息调查是对紧固件故障发生的情况做一个系统的梳理，对故障发生时的情况做出具体的描述，明确故障现象。主要信息包括故障发生的时间、地点、台份、架次、发动机状态、试车整机表现;试验项目、试验开展状态、故障发生时试验参数;故障件状态描述等信息。
1.2 故障定位
在充分获取故障现象信息后，进行故障定位。根据前期获取的故障现象信息，通过直观判断、分解检查、微观分析等方法进行故障定位，确定引起故障部位。
1.3 故障原因分析
使用故障树分析的方法进行故障原因分析。故障树分析是自上而下的故障分析方法，是以逻辑关联的形式对故障现象和故障原因建立联系，最终确定故障发生原因的一种方法。对于紧固件的故障，故障树一般分为顶事件、中间事件和底事件三个层级，如图2。
顶事件一般为紧固件故障的失效形式。如断裂、疲劳、磨损、腐蚀、变形、烧蚀等。
中间事件一般为产生紧固件失效的一般归因。如工作状态超额、产品质量缺陷、装配和使用因素等。
底事件一般为紧固件一般归因的具体分解。如工作温度超限、载荷超限;材料选用不合理、规格选用不合理、数量选用不合理;加工质量问题、硬度缺陷、毛坯缺陷;装配扭矩过大、安装形式不合理等。
1.4 事件排查
针对原因分析中的底事件进行逐一排查。排查的方式主要有设计复查、过程文件复查、仪器设备复查、实物失效分析、模拟试验验证几种方式。通过对事件的排查，排除紧固件的非故障因素，锁定故障根本原因。
1.5 综合分析与验证
在事件排查的基础上，对故障机理进行分析，判断故障的根本原因，经过改进，给出改进方案和具体措施，并进行验证。最后形成故障分析总结报告。
2 紧固件故障分析案例
以某型发动机在进行某项试验过程中出现的安装边安装螺栓断裂故障为例，对军用发动机紧固件故障分析及解决的方法进行详细说明。
2.1 故障信息调查
20XX年X月X日，某型发动机进行某项叶片包容试验。在试验过程中，转速上升平稳，振动等各项指标正常，叶片断裂转速正常，预置缺口叶片正常断裂。试验后发现部分螺栓断裂，螺栓和螺母掉落于试验器舱体地面。
2.2 故障定位
经现场分解检查后，除机匣安装边螺栓有部分缺失外，其余部件上螺栓均未见缺失，判定故障部位为机匣安装边螺栓断裂，根据理化分析，确定螺栓为瞬时断裂。
2.3 故障原因分析
根据以上信息，建立螺栓瞬时过载断裂的故障树。故障树以螺栓瞬时过载断裂为顶事件，分别从设计、加工和装配角度进行中间事件的分析，得到三个中间事件：螺栓工作状态超出螺栓设计许用范围、螺栓产品质量存在缺陷、装配不合理。分别对三个中间事件进行分解，得到十个底事件。如图3所示。
2.4 事件排查
对故障树中列出的底事件逐个进行分析，内容见表1。
经过对故障树的底事件进行分析，初步确定10个底事件中能够排除以下7个：1.1螺栓工作温度超出许用温度;2.1螺栓加工质量不合格;2.2螺栓硬度不合格;2.3螺栓毛坯材料成分不合格;2.4螺栓材料组织不合格;3.1螺栓扭紧力矩不合适造成预应力过大;3.2螺栓安装结构形式不合理。
不排除以下3个底事件：1.2螺栓规格选用不合适;1.3螺栓材料选用不合适;1.4螺栓个数选用不合适。
在3个无法排除的底事件中，主要原因可以归纳为：
螺栓承载能力不足（1.2螺栓规格选用不合适、1.3螺栓材料选用不合适、1.4螺栓个数选用不合适）。
2.5 综合分析与验证
采用理论计算的方法对螺栓的承载能力进行分析。
拧紧力矩T与预紧力P0的关系为：
T=KP0d
式中：K—拧紧力矩系数，螺纹表面为一般加工表面且无润滑;d——螺纹公称直径，单位为mm。
螺栓所受应力计算公式为：
式中：P∑—螺栓所受的总拉力，N;d1—外螺纹小径，mm;σ—拉伸应力，MPa。
将螺栓的材料、尺寸和飞断叶片的离心力代入公式中，進行计算。经计算，螺栓所受拉力大于其材料的许用值。
应提高连接螺栓的承载能力，主要措施有两项：
增大连接处螺栓直径;
更换强度更高的材料。
由于机匣安装边的尺寸无法增大，如增大螺栓直径，会造影响机匣安装边强度，故不能采取增大连接处螺栓直径的措施。在对几种经固件材料进行分析后，建议对螺栓材料进行更换，并增加定距离套，以增加该处螺栓的承载能力及承载能力裕度。
3 实施效果
此方法已在多型军用航空发动机紧固件排故中应用，具有较为良好的适用性，思路也较为清晰，能够清楚的描述故障、分析故障、解决故障，实施效果良好，具有较高的使用价值。
4 小结
①根据经验，总结出了紧固件故障分析的一套有效方法;②对该方法进行举例说明，说明该方法具有良好的适用性;③对实施效果进行了说明，证明实施效果良好。
参考文献：
[1]刘风坤.航空发动机加力燃烧室内锥组件故障原因分析[J].企业科技与发展，2019（01）：84-86.
[2]王锦邦，杜红喜，董永耀，蔡震.某型航空发动机混合器连接螺钉断裂故障分析与预防[J].航空维修与工程，2018（10）：86-87.
[3]田野，唐旭.螺纹摩擦系数检测对紧固件失效率影响的探讨[J].内燃机与配件，2019（03）：136-137.