作動筒夾簧斷裂失效分析及控制方法研究

馬良冬

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241007）

0 引言

座艙蓋操縱作動筒是飛機座艙蓋氣動系統的附件，用來操縱座艙蓋的開啟、關閉或任一個行程。該產品分為液壓腔與氣壓腔，通過夾簧（8個卡瓣）連接錐體實現開鎖、上鎖等過程（見圖1）。夾簧任一卡瓣彎曲變形、斷裂等均會導致產品正常收放出現問題，嚴重時導致產品意外開鎖，產品失效，危及設備、人員安全。

圖1 某型座艙蓋操縱作動筒原理結構

某部隊反饋飛機在進行定檢分析時，座艙蓋操縱作動筒夾簧鎖開鎖力偏小，不符合產品工藝要求，產品分解后發現開鎖機構中的夾簧卡瓣頭部發生一處斷裂。

本文以作動筒夾簧為研究對象，結合產品內部特點，通過三維建模還原夾簧工作狀態、外觀檢查、硬度檢測、金相觀察、體式檢查、斷口微觀分析、有限元模擬分析等[1]，對夾簧斷裂進行失效研究，探討產品工作過程中夾簧斷裂的原因，并指出該故障排除方法，對后期產品裝配試驗、裝機使用提出保護措施。

1 試驗分析

1.1 裝配分析

錐體、夾簧和套圈之間依靠錐體壓緊與松開來實現卡頭鎖的鎖定和開鎖，正常工作壓力為，產品開鎖力為MPa，具體裝配位置見圖2、圖3.

圖2 夾簧錐體配合平面示意圖

圖3 夾簧錐體配合三維示意圖

1.2 外觀檢查

如圖4所示，夾簧斷裂處位于卡瓣頭部R角處，卡瓣頭部已整體斷裂掉落，其余卡瓣未發現裂紋。

圖4 夾簧外觀

1.3 硬度檢測

該夾簧材料牌號為30CrMnSiA，熱處理要求為σb=1 080～1 280 MPa，表面處理為化學氧化—磷化—浸油處理。對金相試樣進行維氏硬度試驗，試驗結果見表1.采用GB/T 1172-1999將維氏硬度換算為拉伸強度值，換算后的拉伸強度值為1 125 MPa，符合技術要求σb=1 080～1 280 MPa的規定。

表1 硬度檢測結果

1.4 金相觀察

將斷口所在卡瓣的桿部切割取一截面，經鑲嵌、磨制、拋光后采用4%硝酸酒精進行腐蝕，并在金相顯微鏡下對夾簧斷口桿部截面心部組織進行觀察。如圖5所示，心部組織為回火索氏體。

圖5 心部組織

1.5 體式檢查

如圖6（a）所示，夾簧斷口與水平方向存在一定角度，呈內低外高的形貌。斷口左右側存在明顯剪切唇，且斷面較為粗糙，結合裝配受力情況可以判斷斷裂時應由內側表面起源，見圖6（b）.

圖6 斷口宏觀形貌

斷口兩側表面有明顯加工斜面，且兩側加工斜面面積存在一定差異，可能為人工加工形成，見圖7（a）、圖 7（b）。

圖7 斷口左右側面宏觀形貌

觀察各個卡瓣內側表面有明顯工作時形成的磨光表面，其中圖8（a）為斷口對稱側的卡瓣，其磨光區域的最大長度約為 18.3 mm，圖 8（b）、圖 8（c）為斷口對稱卡瓣的左右桿面形貌，其最大磨光長度分別約為15.2 mm和15.4 mm.

圖8 斷口對稱側卡瓣內側表面磨光情況

1.6 斷口微觀分析

韌性斷裂是材料斷裂前產生明顯宏觀塑性變形的斷裂，有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展中不斷消耗能量；宏觀韌性斷口呈杯錐形，由纖維區、放射區和剪切唇三區域構成。脆性斷裂纖維區很小，剪切唇幾乎沒有，脆性斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或者結晶狀[2]。

一般來說，都是根據斷口形貌以及斷裂所需要的工來判斷。宏觀上，韌性斷裂一般都有纖維區，斷口比較粗糙，脆性斷裂一般無纖維區，斷口比較平滑。微觀上，韌性斷口有典型的韌窩，而脆性斷口為花樣特征，如河流、舌狀、臺階等[3]。一般來講，沿晶斷口以脆性為多，但沿晶韌窩屬韌性斷口。

繼續觀察斷口側的卡瓣內側表面磨光情況，由圖9（a）、圖9（b）可見斷裂桿的左右桿部磨光區域的最大長度分別約為13.2 mm和12.5 mm.斷裂卡瓣部的磨光區域從斷口處開始計算長度約為11.2 mm，見圖 9（c）。

圖9 斷口側的卡瓣內側表面磨光情況

將斷口通過人工手段切割后放入掃描電子顯微鏡中觀察。低倍下觀察斷口形貌，表面無較大起伏，部分區域有輕微磨損，見圖10（a）。觀察斷口內側，斷面無腐蝕、疲勞特征，放大后觀察卡瓣內側表面靠近斷口旁存在二次裂紋，見圖 10（b）、圖 10（c）。繼續觀察斷口其余部分，均為韌窩特征，見圖 10（d）～10（f）。

圖10 斷口微觀形貌

2 綜合分析

夾簧硬度換算值符合熱處理技術要求，且心部組織為回火索氏體，無異常；體式觀察到的磨光表面為工作過程中形成的正常表面，但斷裂一側卡瓣磨光區域的最大長度小于對稱側的卡瓣磨光區域的最大長度，說明該機構在工作過程中，與夾簧配合的錐體的中心線可能不在同一條軸線上；桿部內側靠近斷口旁觀察到的二次裂紋說明斷裂時受力較大，且裂紋由卡瓣內側表面萌生；斷口微觀觀察為韌窩形貌，表明該夾簧為過載斷裂[4]。

據此推斷可能在工作過程中，由于不同軸原因使得夾簧在工作過程中的斷裂處的卡瓣受到較大力的作用，繼而發生過載斷裂。

3 有限元模擬分析

3.1 模擬過程說明

選用ANSYS中的Static Structural模塊，對夾簧局部加載較大載荷情況進行靜力學分析。導入夾簧簡化幾何模型，并設置材料為30CrMnSiA，其密度、泊松比和楊氏彈性模量見表2.使用固定約束條件約束零件底座各面，對工作表面施加3.8 MPa的均勻載荷，并對正常接觸表面施加最大許用均勻載荷，在異常接觸面處施加大于最大許用值的均勻載荷[5-6]。設置輸出零件的應力和位移云圖，并計算求解。

表2 夾簧相關特性數據

3.2 模擬理論分析

由有限元分析結果中的應力云圖11可知，當異常接觸面處施加9.5 MPa均勻載荷時，在卡瓣根部處局部應力為 1 281 MPa大于（1180±100）MPa，即超過材料的屈服強度值，判定材料發生斷裂。而其他正常接觸面處，僅有3.8 MPa的應力，并發生塑性變形。

圖11 夾簧應力云圖

由位移云圖12可知，零件在工作表面發生塑性變形，但是變形量較小，可以忽略。

圖12 夾簧位移云圖

4 結論與建議

通過綜合分析及有限元模擬分析可知，夾簧斷裂是由于外界過載壓力作用，導致夾簧卡瓣受力不均，夾簧在工作過程中與錐體不同軸，進而導致夾簧斷裂；零件工作表面單側受較大載荷時大于9.5 MPa時發生卡瓣斷裂，且斷裂易發生在卡瓣根部處。

座艙蓋操縱作動筒彈簧卡頭鎖的開鎖力的大小是由錐體壓縮彈簧的預緊力及錐體和夾簧、套圈之間的摩擦力決定。由于夾簧的卡瓣出現一片斷裂，導致零件接觸面之間的摩擦力減小，最終表現為卡頭鎖的開鎖力偏小。

針對以上導致故障的可能原因，為避免后續出現類似故障，可采用如下方法提高零件質量：1）零件加工完成后進行淬火處理，提高零件強度，淬火后及時回火去除應力；2）夾簧重新表面處理前在（190±10）℃保溫3 h去除內應力；3）對該零件增加磁粉探傷，確保零件裝機前不存在裂紋；4）零件裝配前目視檢查零件是否變形，防止變形嚴重導致錐體與夾簧不同軸而受力不均；5）產品工作過程中，緩慢增大工作壓力，避免瞬間增大對零件產生較大沖擊。

參考文獻：

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[5]胡于進，王璋奇.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

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