護板收放作動筒壽命試驗裂紋原因分析及改進

敖文偉，曾祥財，裴華平，龔良國，魯勝,鐘小宏

（航空工業洪都,江西南昌，330024）

0 引言

護板收放作動筒通過液壓系統提供動力，實現飛機護板的收上和放下，從而為飛機起落架的收放提供通路。由于護板收放作動筒不承受地面載荷，只承受護板收放載荷，所以往往要求按與飛機同壽命（允許更換密封件）來設計。按照《飛機I、II型液壓系統直線式作動筒通用技術條件》（HB6090-1986）的要求，護板收放作動筒在設計鑒定時需要完成工作循環及壓力脈沖循環兩部分的壽命試驗考核。

某型飛機的護板收放作動筒在進行壽命試驗中的壓力脈沖循環試驗時，上端蓋出現了裂紋，未能通過壽命試驗考核。通過有限元分析及故障件理化分析，定位了故障原因。并在此基礎上，對故障處進行了結構上的優化改進和增加了工藝上的加工要求，通過理論計算和試驗驗證，改進后的作動筒滿足壽命指標要求。

1 結構及試驗情況

1.1 作動筒結構

某型飛機的護板收放作動筒為往復直線式液壓作動筒，用于實現飛機護板的收放。其結構主要由外筒、活塞桿（活塞與活塞桿為一體）、上端蓋、下端蓋、調節接頭、管接頭、軸承、密封件等組成，如圖1所示。活塞桿上的活塞將作動筒內腔隔成兩腔，圖示左腔為伸出腔，右腔為縮進腔，兩管接頭實現作動筒與液壓系統的連通。

1.2 試驗情況

1）試驗要求

圖1 護板收放作動筒結構圖

按產品試驗大綱要求，護板收放作動筒需完成200000次（活塞桿全縮進和活塞桿全伸出各100000次）壓力峰值為31MPa（1.5倍的系統額定壓力值）的壓力脈沖試驗。脈沖波形要求見HB6090-1986中的3.6.7.2條及該條下的圖1。試驗時，先將活塞桿處于全縮進位置，將縮進腔管接頭與脈沖試驗臺連接，伸出腔管接頭通大氣，進行試驗；再將活塞桿處于全伸展位置，將伸出腔管接頭與脈沖試驗臺連接，縮進腔管接頭通大氣，進行試驗。

在整個壓力脈沖循環試驗中，作動筒不應出現外部和內部泄漏，不允許出現零件松動、永久變形或破壞現象。

2）試驗故障

護板收放作動筒在經歷175000次（活塞桿全縮進100000次，活塞桿全伸出75000次）脈沖后出現了裂紋，裂紋部位位于上端蓋端面與筒壁過渡R區域，沿上端蓋圓筒周向擴展，長約7mm,見圖2。

圖2 故障位置

2 故障分析

2.1 理化分析

上端蓋材料為30CrMnSiA,熱處理要求為：σb=1175±100MPa，故障件硬度檢測結果為：σb=1234 MPa；滿足要求。為定位裂紋原因，對故障件進行了宏觀，微觀觀察，金相組織分析，化學成分和硬度檢測。

2.1.1 宏觀觀察

故障件裂紋處斷口宏觀形貌如圖3所示，上端蓋筒壁外側裂紋長度約7mm，筒壁內側裂紋長度約15mm，斷口較平坦，呈弧形，有明顯的裂紋擴展線痕跡。同時，斷口起始位置有明顯的加工痕跡，且越靠近內壁根部R處，加工刀痕越明顯。

圖3 故障處宏觀形貌

2.1.2 微觀觀察

在掃描鏡下觀察斷口，裂紋起始位置疲勞條帶形貌不明顯，擴展區、疲勞區可見疲勞條帶形貌，剪切唇區可見韌窩形貌，見圖4。

2.1.3 金相組織

裂紋附近未腐蝕狀態下的金相組織，未見夾雜。金相組織，心部組織均為回火索氏體，見圖5。

圖4 微觀形貌

圖5 微觀形貌

2.1.4 成分及硬度檢測

在零件上取光譜試樣進行化學成分檢測，檢測結果與要求對照見表1。

表1 化學成分對照

在零件上去布氏硬度試樣進行硬度檢測，檢測結果為1234MPa,滿足1175±100 MPa的要求。

通過檢測分析，該故障零件的化學成分、硬度值符合要求，金相組織正常，裂紋起始于上端蓋端部與筒內壁交界R處的加工刀痕，由于該處為應力集中處，當受到交變載荷時，易在此部位形成疲勞源。該零件的裂紋為疲勞裂紋。

2.2 理論分析

通過建立上端蓋的有限元分析模型，施加試驗工況載荷，得到上端蓋疲勞危險部位的最大主應力云圖，見圖6。最大主應力為930MPa，位于上端蓋耳片與筒體相貫的內腔R1倒角處，為疲勞危險部位，

與試驗現象吻合性較好。

圖6 上端蓋應力云圖

理化分析和理論計算表明，造成護板收放作動筒上端蓋裂紋的主要原因為：上端蓋端部與筒體內壁相貫R處較大的應力集中與該處存在的加工刀痕相互疊加，加劇了應力集中的程度，導致了試驗件在進行壽命試驗時破壞。

3 處理措施

3.1 改進方案

為改善護板作動筒疲勞性能，使其達到與機體同壽的設計要求，對上端蓋主要做如下改進：

1）內孔根部由R1改為R2，外端面倒圓由R5改為R2；

2）提高內腔根部R2處的粗糙度要求，由6.3優化到3.2；

3）加寬耳片寬度，與端面寬度平齊。

圖7 上端蓋改進方案

3.2 應力分析

根據改進后上端蓋結構，通過之前建立的有限元分析模型，施加試驗工況載荷，得到最大主應力云圖，見圖8，最大主應力為632MPa，位于上端蓋端部與筒體內壁相貫的R2處，較改進前的930 MPa降低了近300MPa，能有效提高疲勞壽命。

圖8 改進后的上端蓋應力云圖

3.3 驗證效果

改進后的護板作動筒按壽命試驗要求，重新開展試驗并進行試驗考核，未出現結構破壞、密封泄漏等故障，改進效果良好，通過試驗考核。

4 結語

護板收放作動筒壽命試驗出現裂紋是由于局部應力集中，是疲勞的危險部位，在多次壓力脈沖的作用下導致裂紋出現。在研究護板收放作動筒結構組成、試驗要求的基礎上，通過故障件理化和理論分析后，在作動筒零件改變最小的前提下，改進了上端蓋的結構形式，降低了上端蓋的最大應力，提高了產品的壽命，改進方案通過試驗驗證，使得故障沒有再現，通過壽命考核，改進方案能有效提高產品壽命。