某直升機回中機構(gòu)凸輪銹蝕解決方案

陳翔

摘? 要：針對某直升機回中機構(gòu)凸輪在鹽霧試驗中出現(xiàn)銹蝕問題，采用了故障樹對潛在的故障原因進行逐條排查，完成了故障原因定位。依據(jù)金屬腐蝕機理，對已定位的故障原因完成了凸輪銹蝕機理分析，進一步確認了導(dǎo)致凸輪銹蝕的本質(zhì)原因。根據(jù)故障機理分析結(jié)果和其他型號研制經(jīng)驗，選用含鉻量更高、防腐性能更好的沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb進行了凸輪改進設(shè)計。改進后的凸輪通過了鹽霧試驗驗證。

關(guān)鍵詞：直升機;鹽霧試驗;銹蝕;故障分析

中圖分類號：TH112.2? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

0 前言

直升機具有不依賴機場跑道垂直起降、空中懸停、前后左右飛行、超低空飛行等特點，能完成其他航空器、武器和交通工具難以完成的任務(wù)，具有不可替代的重要作用。在軍事應(yīng)用上，直升機可用于戰(zhàn)場低空快速打擊、后勤保障以及戰(zhàn)場救援;在民用方面，直升機可用于近海石油平臺作業(yè)、醫(yī)療救護、森林防火、地質(zhì)勘探等20多個領(lǐng)域。直升機大范圍使用，要求直升機具備高低溫、高濕、鹽霧等環(huán)境適應(yīng)能力。在進行某直升機回中機構(gòu)鹽霧試驗時，凸輪出現(xiàn)銹蝕問題。凸輪銹蝕會導(dǎo)致直升機回中機構(gòu)功能失效，影響直升機出勤效率。為了解決凸輪銹蝕問題，特對該問題進行故障分析，并通過試驗驗證改進措施的有效性。

1 回中機構(gòu)的概述

某型直升機采用后三點布局，起落架由2個主起落架和一個尾起落架構(gòu)成。尾起落架由搖臂、緩沖器、輪叉、回中機構(gòu)、機輪、輪胎和尾輪鎖等組成。為保證直升機在空中或者著陸時尾機輪始終處于中立位置，需要通過尾輪鎖將尾輪鎖定在中立位置。由于尾起落架不具有轉(zhuǎn)向控制功能，直升機在起飛前，尾輪可能不在中立位置，導(dǎo)致無法鎖定尾輪，使直升機不能按時起飛。

為提高出勤效率，某型直升機尾起落架設(shè)計有回中機構(gòu)。回中機構(gòu)用于直升機離地后轉(zhuǎn)尾輪自動回中，以實現(xiàn)尾輪鎖定。回中機構(gòu)主要由驅(qū)動組件、和凸輪組成，其中凸輪通過插銷安裝于輪叉上，驅(qū)動組件安裝于搖臂上，如圖1所示。在尾輪偏轉(zhuǎn)情況下，驅(qū)動組件通過凸輪給尾輪一個回中力矩，將尾輪驅(qū)動到中立位置。當(dāng)尾輪處于中立位置時，尾輪鎖上、下鎖孔對齊，尾輪鎖可以通過插銷將尾輪鎖定在中立位置。

2 凸輪銹蝕故障分析

回中機構(gòu)在進行鹽霧試驗時，凸輪出現(xiàn)比較嚴重的銹蝕問題，如圖2所示。金屬零件的腐蝕是指零件和周圍介質(zhì)接觸時發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用引起的一種破壞現(xiàn)象。按腐蝕機理分類，金屬腐蝕一般分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕。從圖1可知，凸輪安裝于為尾起落架外部，與大氣環(huán)境直接接觸。凸輪在安裝時，采用密封膠與輪叉進行了接觸隔離。凸輪選用4Cr13不銹鋼制造，表面經(jīng)鈍化處理。根據(jù)凸輪設(shè)計情況和金屬腐蝕機理，通過故障樹的形式列出可能導(dǎo)致凸輪銹蝕的原因，如圖3所示。

2.1 選材不合理

凸輪采用選用含鉻量為12%～14%、高硬度、耐磨不銹鋼4Cr13。飛機設(shè)計手冊第10冊推薦：不銹鋼零件需要較高的耐腐蝕性能時，一般應(yīng)該選擇含鉻13%以上的材料。存在凸輪選用的材料防腐能力不足導(dǎo)致凸輪在鹽霧環(huán)境銹蝕的可能性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

凸輪結(jié)構(gòu)敞開，并設(shè)計有排水孔，不會大量積留腐蝕介質(zhì)，且凸輪設(shè)計有尖邊倒圓，凸輪表面質(zhì)量要求合理。結(jié)合凸輪銹蝕狀況看，凸輪光滑平面和曲面也銹蝕，排除結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致凸輪銹蝕。

2.3 制造材料不合格

用于生產(chǎn)凸輪的材料4Cr13來自于合格材料供應(yīng)商，且材料需進行了入廠復(fù)驗，材料合格后才用于零件生產(chǎn)。可以排除制造材料不合格導(dǎo)致凸輪銹蝕的原因。

2.4 加工工藝不合理

經(jīng)核查凸輪加工工藝路線，凸輪表面處理安排在所有機加工序后，不存在表面鈍化層不被機加工破壞的可能，保證了凸輪的環(huán)境防護能力。凸輪熱處理按航空用不銹鋼熱處理標(biāo)準(zhǔn)進行，鈍化處理質(zhì)量控制執(zhí)行不銹鋼酸洗鈍化質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。核查凸輪整個加工工藝路線和每道加工工序的結(jié)果表明，凸輪加工工藝路線安排合理，可以排除加工工藝不合理導(dǎo)致凸輪銹蝕的原因。

2.5 發(fā)生接觸腐蝕

凸輪在進行鹽霧試驗時未和其他零件進行接觸，可以排除接觸腐蝕導(dǎo)致凸輪銹蝕的原因。

2.6 試驗條件不合理

鹽霧試驗的條件按GJB150.11A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，鹽霧試驗機處于校準(zhǔn)期內(nèi)，可以排除試驗條件不合理導(dǎo)致凸輪銹蝕的原因。

3 凸輪銹蝕機理分析

凸輪采用材料4Cr13不銹鋼，鈍化處理。在鹽霧環(huán)境下，氯離子本身不能直接滲透不銹鋼鈍化膜，但是由于水蒸氣和氯離子吸附在不銹鋼表面，從微觀角度來看，微觀區(qū)域間成分的不均勻性，容易形成多個微電極，當(dāng)區(qū)域電極存在一定電位差以及凹凸不平的表面形成電解液時，則在不銹鋼表面容易形成許多微小的原電池。原電池中作為負極的金屬或金屬氧化物失去電子被氧化，形成陽離子進入溶液。隨著鈍化層逐漸溶解，電阻變小（鈍化層有一定的電阻），電流變大，腐蝕加速，空氣中的氧氣和水蒸氣中的氯離子同時進入不銹鋼裸露面。當(dāng)鐵原子的溶解速度不足完全消耗電解液中滲透的氧氣時，則在不銹鋼表面仍能形成防護層，表現(xiàn)出一定的防銹能力。當(dāng)鐵原子的溶解速度完全消耗電解液中滲透的氧氣生成氧化亞鐵時，不銹鋼由于沒有氧化層阻擋，微電池腐蝕直接與裸露金屬接觸，腐蝕金屬基體。

不銹鋼的主要化學(xué)成分是Fe、Ni、Cr、C。其中Cr電位值較低，容易與氧結(jié)合形成氧化層，氧化層勢能較高，電阻也較大。因此含Cr成分較高的不銹鋼表面的氧化層的耐腐蝕性能較好。因此Cr含量不高的不銹鋼可能在鹽霧環(huán)境下發(fā)生銹蝕。

綜上所述，回中機構(gòu)鹽霧試驗發(fā)生凸輪銹蝕的原因為：凸輪選用的不銹鋼材料4Cr13耐鹽霧腐蝕能力不足，在鹽霧環(huán)境下會發(fā)生銹蝕。

4 改進措施及試驗驗證

依據(jù)上述故障原因定位和機理分析，凸輪需要選用含鉻量更高的不銹鋼制造。根據(jù)其他型號研制經(jīng)驗，高強度沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb含鉻為15%～17%，已應(yīng)用于制造飛機零件，防護能力較強，并通過了鹽霧試驗驗證。采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb來制造凸輪，可滿足凸輪高硬度、耐磨和耐腐蝕性要求。改進后的凸輪重新進行了鹽霧試驗，如圖4所示，試驗結(jié)果滿足試驗合格判據(jù)要求。

5 結(jié)論

通過對凸輪銹蝕問題故障分析，完成了凸輪銹蝕故障定位和相關(guān)機理分析，確定了4Cr13含鉻量不高導(dǎo)致凸輪銹蝕。通過采用含鉻量更高的沉淀硬化不銹鋼可滿足凸輪高硬度、耐磨和耐腐蝕性要求。改進后的凸輪通過了鹽霧試驗，能滿足產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性要求。綜上所述，在進行直升機外露、無噴漆要求不銹鋼零件設(shè)計時，應(yīng)選用含鉻量較高的不銹鋼材料，以避免出現(xiàn)零件銹蝕問題。

參考文獻

[1]飛機設(shè)計手冊總編委會.飛機設(shè)計手冊14分冊——起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]李慕勤，李俊剛，呂迎，等.材料表面工程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版，2010.

[3]飛機設(shè)計手冊總編委會.飛機設(shè)計手冊10分冊——結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[4]GJB150.11A—2009.軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版社發(fā)行部，2009.

[5]曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.