賽斯納172R型飛機剎車作動筒活塞桿斷裂失效分析

羅裕富

摘要：基于ANSYS有限元分析軟件對賽斯納172R型飛機的剎車作動筒活塞桿斷裂失效進行分析，并展現剎車活塞桿工作過程中的運動及載荷傳遞形式、應力分布、疲勞位置、以及載荷與零件壽命關系，找出活塞桿斷裂失效的原因，確定疲勞壽命的更換周期，提高了飛機運行中剎車系統工作的可靠性。

關鍵詞：失效;斷裂;變形;疲勞;壽命

1故障情況概述

一架賽斯納172R型飛機左剎車主作動筒活塞桿與U形接頭連接的螺紋根部斷裂，如圖1所示。經查詢，另一架國內該型號飛機在2011年4月也曾出現同樣故障;美國FAA報道該型號飛機剎車作動筒活塞桿也出現過同樣的斷裂失效故障。目前，國內兩架發現該型剎車活塞桿失效的飛機使用狀況如表1所示。

目前的狀況是，飛機制造廠家的適航性維修資料對剎車活塞桿無定期檢查要求以及使用壽命限制。因廠家技術和產權保護問題，無法獲取該零件的機械性能參數。

2斷裂失效活塞桿分析

2.1外觀痕跡分析

活塞桿于根部第一螺紋處斷裂，斷口表面潔凈，呈金屬的銀灰色，無明顯磨損和腐蝕氧化特征。斷口表面可見明顯的疲勞弧線特征。如圖2所示，斷口出現兩個疲勞區，均可見明顯的疲勞弧線和疲勞條帶特征，中部存在平直的、微觀上為韌窩的斷裂區。因此可以判斷，活塞桿為疲勞斷裂，與活塞桿承受的彎曲應力有關。

活塞桿靠近螺紋端的光桿區域存在明顯的不均勻的周向磨損痕跡，活塞桿另一端上存在明顯的偏磨，螺紋連接的U形接頭表面也存在不對稱的磨損，這些痕跡表明活塞桿可能承受了彎曲應力。

2.2活塞桿材料構成分析

對活塞桿螺紋段材料進行能譜分析，由分析結論可推斷活塞桿材料接近于30CrMnSiNi2A高強度鋼。

3剎車動作運動過程分析、活塞桿受力、彎矩應力分析

3.1剎車動作運動過程分析

構建各機構的運動簡圖，由運動副組成，以示意剎車作動筒在工作狀態下系統各零件的運動位置關系，分別為腳蹬從中立狀態到剎車作動、轉向作動、復合作動的運動過程。

1）理想狀態下的剎車作動（不帶轉向）。此時腳蹬轉向臂保持靜止，腳蹬繞轉動副轉動，在作動過程中，活塞除了在剎車動作筒上的移動外，還將轉動力矩傳遞到剎車動作筒上，使其轉動。活塞桿受到腳蹬傳遞的壓應力和彎矩。

2）理想狀態下轉向的作動（不帶剎車）。此時腳蹬不轉動，腳蹬轉向臂轉動，在此作動過程中，活塞桿向剎車動作筒內移動;轉向臂的轉矩通過腳蹬、活塞桿傳遞到剎車動作筒上，從而引起剎車動作筒的轉動?；钊麠U受到腳蹬傳遞的壓應力和彎矩。

3）腳蹬實際的運動狀態（復合作動）。實際飛行中，腳蹬作動的同時伴隨有剎車作動和轉向作動兩個過程，如圖3所示。在此作動過程中，活塞桿向剎車動作筒內移動;腳蹬轉動，轉矩通過腳蹬、活塞桿傳遞到剎車動作筒上，從而作動剎車動作筒的轉動。活塞桿受到腳蹬傳遞的壓應力和彎矩。

經過上述分析可知，腳蹬作動時活塞受到壓應力和彎矩的同時作用，且作用力的大小為隨時改變的交變載荷，活塞桿材料或構件在長期的交變載荷持續作用下易產生裂紋，直至失效或斷裂。

3.2受力分析

1）在腳蹬作動過程中某一狀態下，假設腳蹬施加到活塞桿的瞬時壓應力為F，活塞桿的橫截面積為A，則：

其中，Pm為截面瞬時平均應力，其應力分布以及彎矩圖如圖4所示。

2）活塞桿無扭矩的情況下的彎曲應力（參見圖4）：

其中，M為活塞桿所受彎矩;W為活塞桿的抗彎截面系數，單位mm³;[σ_-1]為活塞桿許用彎曲應力。

4基于ANSYS軟件的有限元分析

選用ANSYS 18.0版軟件，按照活塞桿實際測量尺寸建立數據模型，活塞桿材料性能參照30CrMnSiNi2A高強度鋼，參照實際剎車活塞桿工作狀況建立相關邊界條件。

4.1計算得出活塞桿應變、應力、壽命

分別在活塞桿螺紋端螺紋面與另一側端面加載20kg（200N）載荷，模擬剎車液壓力;在活塞桿螺紋與U型接頭安裝區域加載剪應力載荷10kg （100N），模擬該件工作時的彎矩;在活塞桿與剎車作動筒的實際工作狀態位置建立約束。

1）活塞桿整體應變云圖

如圖5所示，活塞桿在液壓端應變量最大，在其與剎車作動筒接觸的約束位置應變最小。計算結論與損傷件在液壓端有偏磨以及活塞桿受剎車作動筒約束區域出現的周向不均磨損的實際使用情況吻合。

2）活塞桿剪應力云圖

如圖6所示，經計算后的剪應力最大區域出現在螺紋根部位置，其次是剎車作動筒殼體對活塞桿的建立約束的區域。因此，在剎車作動時活塞桿螺紋根部區域應為最先失效破損的區域，計算結果與活塞桿實際斷裂故障損傷位置一致。

3）活塞桿等效應力云圖

如圖7所示，經計算后的等效應力最大區域出現在螺紋根部位置，其次是剎車作動筒殼體對活塞桿建立約束的區域。因此，在剎車作動時活塞桿螺紋根部區域應為等效應力最大區域，從該件結構尺寸設計來說應為最先失效破損的區域，計算結果與活塞桿實際斷裂故障損傷位置一致。

4）活塞桿壽命應力云圖

如圖8所示，經計算后的疲勞壽命最小區域出現在螺紋根部位置，其次是剎車作動筒殼體對活塞桿建立約束的區域。因此，在剎車作動時活塞桿螺紋根部區域應為最先失效破損的區域。

4.2彎矩對活塞桿壽命分析

改變活塞桿施加的彎矩剪力，可以通過ANSYS計算得到疲勞極限（以剪應力σ_T表征）與壽命（應力循環次數N）的關系曲線，如圖9所示。

隨著模擬施加的剪應力的下降，該活塞桿件的壽命（應力循環次數N）不斷增加，相應的循環次數N約為5×10⁴，此階段的疲勞破壞循環次數相對較小，可稱為低周疲勞;在循環次數N達到10⁶后，表示為有限疲勞階段，經過一定階段的交變應力作用后總會發生疲勞破壞。當最大應力小于25N時，無論應力變化多少次，材料都不會被破壞，為無限壽命疲勞階段，符合材料應力疲勞特性（S-N曲線）。

4.3安全因子

安全因子是計算的強度值與允許的強度值的比例關系（是按照規范選取的一個建議值）。本次運算設計剪應力為40N，通過ANSYS計算的安全因子云圖如圖10所示?？筛鶕踩蜃訙y算出對應部位在該施加載荷下的安全系數，建立對應的使用限制。

5總結

根據以上分析可以得出：首先，在實際工作環境下，該故障活塞桿在螺紋端根部區域存在應力突變，且是等效應力最大區域，為整個零件最先可能出現破損的位置;其次，活塞桿為時壽件;第三，施加在該件上的剪切應力越大，活塞桿可承受的應力循環次數N越小;第四，隨著使用應力循環次數N的增加，許用最大剪應力σ_max下降。

故障表象與失效前期表象包括：剎車松軟或無效;腳蹬剎車作動后復位位置與相鄰腳蹬的相對位置不正確或無復位現象;腳蹬在無載荷作用下松動或行程異常（過大或過?。?/p>

為此提出以下使用及維護建議：

1）將剎車作動筒活塞桿檢查加入定期維護工作，發現變形、裂紋件后直接更換。

2）將活塞桿列為時控件，定期更換（或按起落次數，循環次數N≈18×10⁴以內）。

3）如飛行著陸滑跑中出現主機輪拖胎跡象，應拆下剎車作動筒活塞桿進行磁粉探傷、滲透等無損檢查，確認該件無變形、裂紋等損傷后再裝機使用。

為了正確使用剎車機構，建議使用人員（包括機務和飛行人員）操作腳蹬剎車作動、方向舵作動時，在滿足操縱要求的前提下應柔和操作，禁止動作粗猛（σ_max≤35N）。在使用地面停留剎車時，應先使用腳蹬剎車作動，再拉動并鎖住停留剎車手柄。使用過程中有任何異常（如操作生硬或松軟等），要及時向相關工程維護人員反饋。

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