757螺栓断裂原因与相应措施的探讨
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757螺栓断裂原因与相应措施的探讨
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757螺栓断裂原因与相应措施的探讨
上海航空公司 李光浩
【摘要】轮毂结合螺栓断裂可能是各航空公司都会遇到的问题,一旦发生螺栓断裂,往往首先会怀疑螺栓探伤环节是否发生漏检,探伤人员承受很大压力。
本文通过对757主轮结合螺栓的断裂原因进行分析,探讨了螺栓断裂产生的实际原因,提出了分析探伤是否漏检的方法,对螺栓断裂提出针对性的措施。以尽可能减少螺栓断裂的发生,保证飞行安全
关键词:螺栓 断裂
一.事件背景
08年初,厦门航空公司发生多次757飞机在外站短停时发现主轮螺栓断裂,造成航班延误,华东局为此发出了整改要求,我公司在此阶段里也发生多次相同的757螺栓断裂。因此,机务部领导要求查出断裂原因,提出应对措施。
二.断口失效分析
08年4月我公司757主轮螺栓发生断裂,同年05月,我们将断裂螺栓样本送至机械工业紧固件产品质量检测中心进行断口失效分析。
断口宏观形貌如下图所示。
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图1
从图上可以看到贝壳纹及快速断裂区,属疲劳断裂。
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2000倍放大的疲劳辉纹,如图2。
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图2
在上图中我们可以看到二次裂纹,结合第一张图中裂纹起始位置呈现的多源,可以判断是受大应力的低周疲劳。
对材料进行了化学成分分析和硬度分析: 表1 化学成分 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
化学元素成分(%)C% Mn% S% P% Si% Cr% Mo% V%
技术要求 0.33-0.43 0.20-0.50 小于等于0.030 小于等于0.030 0.80-1.20 4.75-5.50 1.10-1.60 0.30-0.60
实测结果 0.45 0.29 0.005 0.011 0.96 4.82 1.25 0.43
从表1中可以看出,S、P含量很低,C含量稍超标,所以实际测得的硬度较高,在螺杆处测得的平均硬度为48.5HRC。脆性倾向严重。
该螺栓经分析,排除因腐蚀、氢脆原因引起的断裂,化学成分符合要求,硬度较高。 机械工业紧固件产品质量检测中心的工程师对紧固件断裂分析有着丰富的经验,它们根据该螺栓反复使用,安装、定力等过程特点,并结合机轮在运行过程中的受力规律后判断:来样断裂是由单次安装使用后产生的侧向弯曲疲劳所致。
机械工业紧固件产品质量检测中心工程师了解螺栓反复使用的情况,通过对断裂面观察,结合他们过去的经验。认为从断口观察,如断裂面只有一个裂纹起始位置,可以判断是单次安装后产生的。也就是说,螺栓在安装时尚未产生裂纹。若螺栓存在原始裂纹,在重新
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安装时,螺栓的位置、角度不可能与原来完全相同,这样它受侧向力的情况不同,在断裂面上就会出现两个或以上裂纹起始位置,而在我们目前所有能收集到的断裂螺栓的断口上,都只有一个裂纹起始位置,所以应该是安装时并没有裂纹,裂纹产生与螺栓断裂都是在一个轮毂装机循环周期完成的,故得出单次安装的结论,不能判断为探伤漏检造成的。
当然这样的结论是结合了他们平时的经验总结出的,他们认为已经不需要进行进一步的分析了。如果对螺纹源处进行成分分析,看螺纹起始位置处是否存在磁粉和荧光物质的成分,就能有更直接的证据支持这个结论。
三.讨论
757主轮由邓禄普公司制造。邓禄普公司在其CMM手册中要求每次换胎周期进行螺栓荧光磁粉检查,有裂纹的予以报废。
查阅相关手册确认,该螺栓牌号是H11,大致相当于国内牌号4Cr5MoVSi, 该材料属于中合金高强度钢,铁磁性材料,可做承受中温的强力构件,如螺栓等。 1.螺栓断裂统计分析
查阅我公司757机轮维修的历史记录发现,主轮连接螺栓断裂故障的发生概率较大。下表是我公司06年12月至10年02月螺栓断裂的统计:
表2 757螺栓使用及断裂情况统计 序号
检查情况
更换下螺栓探伤情况
螺栓循环数
*
首次使已使用
时间(年)
8 9 9 8 9 9 9 9 9 9 10 10 6 10 10 10
RL102未见异常 06.12.114588*(10088)98
RL104一根有裂纹 07.05.124221*(972198 KS237一根有裂纹 07.06.30轮毂已报废
98
LU194一根有裂纹 07.07.295846*(11346)98 KF306未见异常 092BY未见异常 RL102全部更换 QY108全部更换 QU179全部更换 RG121全部报废 KF304全部更换 QV149全部更换 RG116未见异常 142AS未见异常 RL094未见异常 KQ088全部更换
07.09.115550*(11050)98 07.09.284810*(10310)98 07.11.194860*(10360)98 07.11.19554*(11054)98 07.12.315084*(10584)98 08.01.165171*(10671)98 08.01.305196*(10696)98 08.02.156122*(11622)98 08.02.207188*(828802 08.02.256348*(11848)98 08.03.105475*(10975)98 08.04.084996*(10496)98
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XR184全部更换 08.09.296027*(11527)99 9 10 5 11 11 11 11 11 8 5 11 11 11
RL095两根有裂纹 08.10.306294*(1179
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08.12.235348
03
09.03.156900*(12400)98 09.04.206922*(12422)98 09.06.187356*(12856)98
KF306未见异常 RN024未见异常
KQ089两根有裂纹 09.08.277445*(12945)98 KF304未见异常 YY121未见异常 106CB未见异常 102CF未见异常 RL096全部更换 104CF未见异常
09.11.177075*(12575)98 09.11.218797*(10997)01 09.12.166459
04
09.12.296624*(12124)98 10.01.208098*(13598)98 10.02.017013*(12513)98
注:*Maximo(我公司生产管理用的软件)未统计03年前的循环。对于03年前的轮毂循环数统计,根据连接螺栓03年后循环统计的数据平均折算,采用每年增加1100循环来估算,并在括号内注明估算循环数。
从上表可以看出,发生的29起螺栓断裂事故主要集中在从98年开始使用的轮毂,有24起,占83%(见图3),而且螺栓使用循环估计在10000次以上(因Maximo未统计03年之前的循环,03年前螺栓循环数按上表“注”估算)。
图3 757主轮断裂连接螺栓起用年份统计 . 螺栓失效原因分析 2
我们知道高强度螺栓常见的失效原因,主要归纳为以下几个方面:
①、疲劳: 通常螺栓受到剪切、拉伸和弯曲等三种不同方式的载荷,当螺栓受到两种及以上载荷的联合作用时,将进入复杂应力状态,尤其是超负载的情况下,螺栓的疲劳寿命
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大为缩短,很容易出现早期疲劳断裂。
轮毂螺栓疲劳损伤最常见的部位是在螺纹根部、螺杆与螺栓头部R区,
②、腐蚀 腐蚀是螺栓断裂的又一个主要原因,腐蚀一般分为、化学腐蚀、电解腐蚀和应力腐蚀等多种
③、氢脆 氢脆的产生对螺栓来说是致命的缺陷。氢脆的产生原因主要有两种,一种是内部的,由材料冶炼所产生的,这种情况很少发生。第二类是外部的,在酸洗、电镀时游离状态的氢原子产生后,会嵌入基体并扩散到内部,破坏晶间结合力,在极低应力水平的作用下即可产生断裂。
④、设计及工艺 在设计中忽略了齿根园或是在滚丝时,牙尖尖锐;在螺丝热轧成型时产生褶皱、凹坑。这些尖角、凹槽的产生是产生裂纹的源泉,在设计制造中要重视这一问题,避免潜在裂纹的产生。
⑤、安装及连接 安装扭矩要在规定范围内, 安装螺帽时,螺栓、螺帽表面的粗糙度影响拧紧,表面粗糙安装时要克服摩擦损失一部分扭力,拧紧力相应减少。
⑥、材料及热处理 要根据强度要求不同选择不同的材料,强度越高,尤其是当硬度在HRC35度以上,脆性倾向更加严重。
而通过失效分析,757螺栓断裂就是由于疲劳因素引起的,非腐蚀、氢脆和设计及工艺问题引起。
3.疲劳裂纹产生的原因分析:
高强度螺栓的连接按其受力状况,可分为摩擦型、张拉型和承压型连接3种类型,其中摩擦型连接是广泛应用的形式。精确的连接预紧力对于高强度螺栓连接的强度、刚度至关重要。目前厂商提供两种连接方法,扭矩法和转角法,目前我公司采用扭矩法。
① 扭矩法
扭矩控制法和螺母转角法是高强度螺栓常用的紧固方法。扭矩法是以拧紧扭矩与预紧力的关系为依据的:
M=kdF
式中:
M—扭矩
d--螺纹公称直径
k--扭矩系数
F—轴向力
扭矩法就是将连接副的扭矩系数当做定值,通过控制拧紧扭矩从而控制预紧力的一种紧固方法。这种方法必须以扭矩系数保持定值为前提,否则即便拧紧扭矩施加得很精确也无法得到精确的预紧力。但重复使用后螺栓的扭矩系数必然发生变化,螺纹的锈蚀、划痕、凹坑、裂纹、变形、温度、湿度和润滑等情况都将影响扭矩系数。表面状态不好导致扭矩系数增加,从而导致轴向力不够。
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