淺談超聲波技術在液壓部件疲勞裂紋在翼檢測中的應用

摘要：本文對應用超聲波技術在翼探測飛機液壓部件疲勞裂紋進行了探討和分析，并制定了相關的預防性措施，以供業界同仁參考。

關鍵詞：作動筒；超聲波；疲勞裂紋；預防性措施

Keywords：actuator；ultrasonic；fatigue crack；preventive measure

0 引言

郵政航空擁有國內最大的波音737-300/400F貨運機隊，截至目前機隊平均機齡已達24.5年，隨著機齡的增加，對老齡飛機安全影響最大的因素——疲勞裂紋不僅在機體結構上頻現，在液壓部件上也呈現逐漸上升的趨勢。

近期，某架飛機在進近著陸過程中，機組發現飛機液壓A系統失效，后續機組執行快速檢查單，飛機安全落地。機務地面檢查發現1#地面擾流板作動筒的殼體端頭發生斷裂，導致A系統液壓油基本漏光（見圖1）。

1 故障分析

拆下的故障作動筒（件號65C26864-3）的TSI為15485.12FH，斷裂位置是作動筒作動端的殼體（見圖1），該部件殼體為鋁合金材質。由該部件的零件分解圖（見圖2）和部件的工作原理可知，活塞（170）在液壓壓力作用下在作動筒殼體內往復運動，螺母（15）固定在殼體端頭，長期承受液壓壓力的沖擊作用。由于螺母（15）與殼體端部通過螺紋固定，因此殼體端部內螺紋根部長期處于交變載荷作用下，繼而發生了疲勞裂紋，且裂紋沿殼體內螺紋周向逐步擴展，最終在此次液壓壓力的作用下將殼體端頭拉斷。

2 故障后果

地面擾流板作動筒殼體端頭的破裂導致液壓A系統失效（A系統液壓油基本漏光）。正常情況下，液壓A系統為飛機起落架收放、前輪轉彎、左發反推、副翼、升降舵、方向舵等重要操控系統提供液壓動力。雖然目前民航飛機的重要系統都采用冗余設計，即重要系統有備份（液壓系統除了A系統之外還有B系統和備用系統），但A系統失效也是比較少見的故障，尤其是發生在空中階段，必然給機組增加了很大的操作負擔和心理壓力，不利于航班的安全運行。

3 擾流板作動筒失效MSG-3分析

依據MSG-3邏輯，液壓系統部件失效會導致相應系統液壓油的滲漏，從而導致液壓系統低壓甚至失效，駕駛艙出現相應警告（低壓燈或低油量燈點亮），因此是顯性故障。液壓系統失效雖然涉及飛行控制、起落架收放等重要系統，但這些系統都有一兩套備用系統，單個系統失效對飛行安全沒有影響，但會增加機組的操作負擔，因此屬于顯性操作/經濟類故障。

依據顯性操作/經濟類故障的MSG-3邏輯，共有以下5種應對措施：潤滑/勤務；檢查/功能檢查；恢復（修復）；報廢；重新設計。

1）潤滑/勤務：目前維修方案中沒有針對擾流板作動筒本體的潤滑/勤務工作，不適用。

2）檢查/功能檢查：針對擾流板作動筒，目前維修方案中有定期的目視檢查的要求（間隔1C），但通過目視檢查并不能有效發現作動筒殼體內部的損傷情況。當前無損探傷（NDT）技術在機體結構上已經廣泛應用，如果采用NDT技術，可以有效地發現潛在的疲勞裂紋，但針對液壓部件在翼進行NDT檢測還未有成熟的工藝方案，目前只能將液壓部件拆下送修理廠進行NDT檢測。鑒于此，液壓部件在翼進行NDT檢測是一個值得探索的方向。

3）恢復（修復）：針對擾流板作動筒，可以定期拆下送廠翻修的形式進行性能恢復，但是，翻修必然會大幅增加送修成本和航材周轉周期，并不適合采用。

4）報廢：如果執行報廢處理，航材成本上無法承受，不適用。

5）重新設計：波音反饋，目前對于此件號的作動筒沒有其他升級改進措施，因此也不適用。

綜上分析，對于擾流板作動筒可采用第2項措施，即定期執行在翼NDT探傷檢測工作。

4 后續措施

波音737-300/400F飛機共有10塊擾流板，其中外側地面擾流板（0#、1#、8#、9#）各有1個作動筒，件號65C26864-系列（此次斷裂的是1#擾流板作動筒）；內側地面擾流板（4#、5#）各有2個作動筒，件號65-44851-系列；飛行擾流板（2#、3#、6#、7#）各有1個作動筒，件號65-44561-系列。查詢以上系列件號作動筒的CMM手冊，發現內場修理時對于內外側地面擾流板作動筒的殼體都有滲透探傷檢測的要求；對于飛行擾流板作動筒，由于其部件自身構造特點，CMM手冊對其殼體沒有探傷要求。既然在部件修理時可以執行相應的無損探傷工作，那么應該也能在翼執行相應的檢測工作。通過對不同NDT方法（磁粉檢測、熒光滲透、渦流探測、超聲波探測等）的篩選，發現超聲波檢測非常適合對在翼液壓部件執行檢測工作。

不同件號系列的作動筒的結構和材質不同，內側地面擾流板作動筒結構與外側地面擾流板作動筒類似，但內側筒殼體的材質為鋼制材料（見圖3），這一點差異最大。對于這兩個件號系列的作動筒而言，鋼制殼體抗疲勞裂紋的能力明顯強于鋁合金殼體，這也得到了波音的證實，截至目前波音還未收到過關于內側地面擾流板作動筒殼體破裂的報告。飛行擾流板作動筒的構造與地面擾流板作動筒差異較大，飛行擾流板作動筒主要是通過殼體端頭堵蓋的四個螺栓（見圖3）來承受液壓壓力的反復沖擊作用，而且作動筒端頭部分殼壁較厚，這樣的設計也使得該件號系列的作動筒未發生過殼體破裂故障。另外，只有分解作動筒、拆下端頭堵蓋才能對螺栓孔進行探傷檢測，因此，該件號的作動筒不適用執行在翼探傷工作，且CMM手冊對于該件號作動筒的殼體也沒有探傷檢測的要求。

基于以上分析，重點對在翼的外側擾流板作動筒殼體端頭螺紋處執行超聲波探傷工藝研究。通過對損傷部件的仔細觀察和分析，初步鎖定疲勞裂紋的發生源在殼體內螺紋底部。針對此部件結構特點，對所用探傷設備的探頭試塊進行反復篩選，選擇合適尺寸的探頭。同時，對裝機作動筒在位探傷的可行性進行反復試驗，最終制定出針對外側擾流板作動筒殼體端頭的超聲波探傷工藝，即超聲波設備工作范圍為5～10MHz，探頭直徑小于10mm，超聲波檢查區域為端頭殼體整個周向區域，距離殼體端部9mm范圍內，如圖4所示。

為了驗證探傷工藝的可行性，對某架飛機進行了驗證工作，結果發現0#擾流板作動筒有疑似裂紋信號，因是首次驗證，出于安全考慮更換了該作動筒。為了進一步證實該作動筒是否存在真實裂紋，將部件拆下后又進行了一次探傷驗證（見圖5），并送某公司NDT探傷中心執行進一步復查工作，在完成滲透探傷復查后，最終確認該裂紋真實存在，從而證明了在翼超聲波探傷工藝的可行性。

根據前文所述的探傷工藝，編制了針對外側地面擾流板作動筒殼體的在翼超聲波檢測工卡。

1）首先對整個波音737-300/400F機隊進行初始檢查；

2）后續以2年為間隔執行重復檢查，并視情進行檢查間隔的調整。

在初始清零檢查過程中，陸續發現2個作動筒存在疲勞裂紋，再次驗證了該項工藝的可行性，從而避免了空中因擾流板作動筒破裂而導致的液壓系統失效故障，有力地保障了航班安全運行。

5 延伸思考

在翼對液壓部件執行超聲波檢測，對于航空公司而言有以下幾個優點：

1）可操作性強。表現為執行方式靈活，自主性強；無需等到部件在內場修理時才執行相關探傷工作，航空公司可量身定制屬于自己機隊的檢測模式。

2）節省成本。無需將部件拆下進行探傷檢查，節省了大量的人工和航材成本以及其他航班保障成本。

3）能提前發現潛在的故障隱患，這是最重要的一點，屬于典型的預防性維修。

6 結束語

本文重點介紹了針對地面擾流板作動筒殼體的在翼超聲波檢測應用。超聲波技術對于在翼液壓部件疲勞裂紋檢測優點眾多，且對于飛機上某些液壓部件同樣適用。例如，飛控系統的副翼和升降舵PCU組件，這兩個系統的PCU件號通用，PCU油濾殼體堵頭部位同樣是螺紋連接，殼體內螺紋根部也長期處在交變載荷作用下，存在類似的風險，因此，開發出一套針對副翼和升降舵PCU殼體的超聲波探傷工藝也非常有必要。

參考文獻

[1] Boeing. Boeing 737-300/400/ 500NON-DESTRUCTIVE TEST MANUAL[Z].

[2] Boeing. Boeing737-300/400/ 500COMPONENT MAINTENANCE MANUAL[Z].

作者簡介

孫兵，工程師，主要從事波音737-300/400F、737-800F、757-200F飛機技術支援與工程管理工作。