A319 A320飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓疲勞斷裂力學(xué)分析

楊先學(xué) 姚一楠

摘 ? 要：國內(nèi)A319/A320飛機(jī)用戶或維修單位，不時發(fā)現(xiàn)有主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中發(fā)生斷裂。針對A319/A320飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓疲勞斷裂，根據(jù)載荷、應(yīng)力在構(gòu)件疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展階段的影響機(jī)制，對聯(lián)接螺栓進(jìn)行載荷分析，提出A319/A320飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓設(shè)計改進(jìn)和使用維護(hù)建議，減少主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中斷裂。

關(guān)鍵詞：輪轂 ?螺栓 ?疲勞斷裂 ?裂紋

中圖分類號：V226 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0097-02

國內(nèi)A319/A320飛機(jī)用戶或維修單位，不時發(fā)現(xiàn)有主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中發(fā)生斷裂。聯(lián)接螺栓斷裂可能損傷機(jī)輪本體、與機(jī)輪配套的剎車零部件，可能導(dǎo)致?lián)p傷的機(jī)輪和剎車報廢。斷裂的螺栓及損傷脫落的零件可能會損傷飛機(jī)其它零部件。主輪轂聯(lián)接螺栓斷裂可能影響航班正常和飛行安全。根據(jù)空客公司和賽峰起落架系統(tǒng)公司（SAFRAN LANDING SYSTEMS）資料，全球A319/A320飛機(jī)用戶也時有報告主輪轂聯(lián)接螺栓斷裂。

聯(lián)接螺栓斷裂位置均位于螺紋區(qū)域的螺紋底部或螺栓頭下倒圓區(qū)域，為螺栓受力最大或應(yīng)力集中區(qū)域。對斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，表明大多數(shù)A319/A320主輪轂聯(lián)接螺栓斷裂為疲勞斷裂。

1 ?疲勞斷裂

機(jī)械構(gòu)件或材料由于循環(huán)載荷或交變載荷作用所引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是受循環(huán)應(yīng)力、拉應(yīng)力和塑性應(yīng)變的共同作用而發(fā)生的。疲勞斷裂過程可分為三個階段：（1）裂紋萌生;（2）裂紋擴(kuò)展;（3）失穩(wěn)斷裂。

疲勞裂紋萌生有三種方式：滑移帶開裂、晶界或?qū)\晶界開裂、夾雜物或第二相與基體的界面開裂。在循環(huán)載荷的作用下，在構(gòu)件或材料的局部應(yīng)力集中或強(qiáng)度薄弱區(qū)域，分切應(yīng)力達(dá)到材料晶體的臨界切應(yīng)力時，晶體開始滑移，應(yīng)力去除后也不能恢復(fù)原位。在材料表面產(chǎn)生滑移線?；凭€隨循環(huán)次數(shù)增加形成滑移帶，發(fā)展成為持續(xù)滑移帶。持續(xù)滑移帶在表面加寬過程中，會形成擠出脊和侵入溝，引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。晶界結(jié)合力比晶體內(nèi)部弱，在低于晶體內(nèi)部滑移應(yīng)力下，在晶界上產(chǎn)生裂紋。夾雜物或第二相與基體的結(jié)合力較弱，其界面分離會產(chǎn)生裂紋。

疲勞裂紋形成后能否擴(kuò)展以及擴(kuò)展的速度，可用裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K判斷。應(yīng)力強(qiáng)度因子K與幾何形狀因子、工作應(yīng)力、裂紋長度有關(guān)。裂紋不發(fā)生擴(kuò)展的條件為：

th

式中：為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度，為最大應(yīng)力與最小應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度因子的差值。th為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度超過疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值 ，裂紋則會擴(kuò)展。應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度th越大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快，即裂紋處最大應(yīng)力與最小應(yīng)力差值越大，疲勞裂紋擴(kuò)展越快。

2 ?A319/A320飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓疲勞斷裂的載荷因素

A319/A320飛機(jī)有2個前輪和4個主輪（左右各有同軸的2個主輪）。機(jī)輪由輪胎和輪轂組成。輪胎裝在內(nèi)、外二個半輪轂之間，由聯(lián)接螺栓固定在一起。A319/A320飛機(jī)主輪轂共有18個聯(lián)接螺栓。

飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中會承受三種拉伸載荷：（1）聯(lián)接螺栓和螺帽的擰緊力矩對螺栓產(chǎn)生的預(yù)拉伸載荷。（2）輪胎充氣壓力對聯(lián)接螺栓產(chǎn)生的拉伸載荷。（3）輪胎在飛機(jī)載荷作用下壓縮變形對聯(lián)接螺栓產(chǎn)生的拉伸載荷。輪胎的壓縮變形在圓周上的分布是不均勻的，輪胎與地面接觸點(diǎn)處壓縮變形最大，對鄰近的聯(lián)接螺栓產(chǎn)生的拉伸載荷最大。

飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓在飛機(jī)滑行、起飛、空中、著陸、滑行、停止整個循環(huán)的不同階段承受的拉伸載荷是不同的。在飛機(jī)起飛前滑行階段，飛機(jī)載荷最大，主輪轂聯(lián)接螺栓承受預(yù)拉伸載荷和飛機(jī)載荷及充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷，此階段主輪轂聯(lián)接螺栓承受的拉伸載荷最大。在飛機(jī)空中階段，主輪轂聯(lián)接螺栓只承受預(yù)拉伸載荷和充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷，并且機(jī)輪不承受飛機(jī)載荷會使充氣壓力降低約4%[1]，此階段其拉伸載荷最小。在飛機(jī)著陸瞬間，飛機(jī)機(jī)輪會承受沖擊載荷，此時主輪轂聯(lián)接螺栓承受預(yù)拉伸載荷和沖擊載荷及充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷。

飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓在最大載荷的作用下在應(yīng)力集中區(qū)域或薄弱區(qū)域會萌生裂紋和加速裂紋的擴(kuò)展。飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓的最大載荷為預(yù)拉伸載荷和飛機(jī)載荷及充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷之和的最大值。聯(lián)接螺栓的預(yù)拉伸載荷與擰緊力矩、聯(lián)接結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)和螺栓直徑有關(guān)。擰緊力矩越大，預(yù)拉伸載荷越大。擰緊力矩一定時，摩擦系數(shù)越小，預(yù)拉伸載荷越大。摩擦系數(shù)與材料、配合面、潤滑等有關(guān)。機(jī)輪充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷由圓周分布的聯(lián)接螺栓共同承受。對于A319/A320飛機(jī)主輪，由18個聯(lián)接螺栓承受充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷。飛機(jī)載荷增加，機(jī)輪充氣壓力會增加，相應(yīng)的拉伸載荷也會增加。當(dāng)聯(lián)接螺栓拉緊程度不一致時，會使得較緊的聯(lián)接螺栓承受更多的拉伸載荷。聯(lián)接螺栓承受的輪胎壓縮變形產(chǎn)生的拉伸載荷與飛機(jī)載荷、充氣壓力和螺栓相對地面位置有關(guān)。飛機(jī)載荷越大，聯(lián)接螺栓承受的拉伸載荷越大。同軸機(jī)輪輪胎壓力不一致時，輪胎壓力較高的機(jī)輪會承受更多的飛機(jī)載荷。相同的輪胎壓縮量，輪胎壓力高25%的機(jī)輪會多承受20%的飛機(jī)載荷[2]?；械?、跑道和飛機(jī)姿態(tài)等也會影響各個機(jī)輪承受的飛機(jī)載荷。在飛機(jī)重著陸時，飛機(jī)機(jī)輪會承受很大的沖擊載荷。

A319/A320飛機(jī)有多個重量構(gòu)型，有不同的載荷和輪胎充氣壓力要求。同一主輪按隨機(jī)次序裝在不同構(gòu)型的飛機(jī)上，主輪轂聯(lián)接螺栓會承受隨機(jī)變幅載荷，可能加速或遲緩裂紋的萌生和擴(kuò)展。

3 ?A319/A320飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓設(shè)計和維護(hù)建議

在A319/A320飛機(jī)主輪轂聯(lián)接螺栓設(shè)計方面，聯(lián)接螺栓尺寸受制于輪轂結(jié)構(gòu)尺寸，可考慮聯(lián)接螺栓材料性能。采用具有更高屈服強(qiáng)度的材料，減少或延緩疲勞裂紋的萌生。采用具有更高疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值th的材料，延長疲勞裂紋擴(kuò)展時間，使疲勞裂紋擴(kuò)展時間大于每次機(jī)輪使用時間，在機(jī)輪修理時，只要檢測出裂紋予以更換，就不會發(fā)生聯(lián)接螺栓在使用中斷裂。

在A319/A320飛機(jī)主輪轂車間維護(hù)方面，主要在于聯(lián)接螺栓的檢查、潤滑和組裝。每次輪轂修理時，重點(diǎn)檢查聯(lián)接螺栓的應(yīng)力集中區(qū)域：螺栓頭下倒圓區(qū)域和螺紋區(qū)域，檢查有無會導(dǎo)致應(yīng)力集中的損傷和腐蝕等，減少疲勞裂紋的萌生。無損探傷檢查聯(lián)接螺栓的疲勞裂紋。檢查聯(lián)接螺栓和螺帽的自鎖性能，確保滿足要求。對聯(lián)接螺栓和螺帽螺紋區(qū)域進(jìn)行均勻潤滑，確保主輪轂中每個聯(lián)接螺栓在相同的擰緊力矩下預(yù)拉伸載荷一致。在擰緊主輪轂聯(lián)接螺栓和螺帽時，采用十字交叉順序進(jìn)行，確保主輪轂每個聯(lián)接螺栓拉緊程度一致，均勻承受輪胎壓力，避免個別螺栓承受過大載荷。過大的擰緊力矩會產(chǎn)生過大的預(yù)拉伸載荷，可能使聯(lián)接螺栓損傷或裂紋。若聯(lián)接螺栓和螺帽最終擰緊力矩大于規(guī)定值10%[3]，應(yīng)報廢聯(lián)接螺栓和螺帽。

在A319/A320飛機(jī)主輪航線維護(hù)方面，應(yīng)檢查和確保同軸機(jī)輪的輪胎壓力差異不大于5%[2]，避免輪胎壓力較大的機(jī)輪承受過大的載荷，防止相應(yīng)的機(jī)輪聯(lián)接螺栓承受過大的載荷。針對A319/A320飛機(jī)不同重量構(gòu)型，可規(guī)定、標(biāo)記和使用與重量構(gòu)型相對應(yīng)的機(jī)輪，避免同一機(jī)輪用于不同重量構(gòu)型的飛機(jī)造成機(jī)輪聯(lián)接螺栓的應(yīng)力幅增加。

參考文獻(xiàn)

[1] A319/A320飛機(jī)維護(hù)手冊AMM[Z].2019.

[2] 米其林公司輪胎手冊CSM32-45-01/RE[Z].2016.

[3] 賽峰公司標(biāo)準(zhǔn)施工手冊SPM32-09-01/R28[Z].2017.