某型飛機作動筒殼體裂紋故障分析

祖揮程，房 頂

(國營蕪湖機械廠 機電部，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

圖1 作動筒原理圖

作動筒原理圖如圖1所示。作動筒由殼體、活塞桿、彈簧、堵蓋、搖臂等零件組成，當向活塞桿伸出管嘴供壓或無系統壓力時，在彈簧力和液壓力作用下，活塞桿伸出，活塞桿上圓柱銷處于搖臂寬槽部位，此時不限制搖臂的轉動，搖臂可在一定行程內自由轉動，附加載荷機構不限制駕駛桿通向襟副翼操縱裝置的運動。當向活塞桿收回管嘴供壓時，活塞桿收回，活塞桿上圓柱銷處于搖臂窄槽部位，此時搖臂轉動受到限制，進而通過附加載荷機構限制駕駛桿的運動。

圖2 殼體剖面圖

1 裂紋產生原因分析

1.1 工業CT掃描檢查

裂紋具體形貌位于殼體內部，無法進行直接觀察，擬通過工業CT掃面觀察裂紋形態。掃描測試CT機技術參數如表1所示。

表1 掃描測試CT機技術參數

本次測試對樣件進行360°三坐標全角度掃描。掃描分辨率達到微米級別，掃描結果發現殼體內部裂紋處有兩個缺口，其中一個缺口處仍有金屬碎塊相連，缺口寬度為0.46 mm,裂紋方向深度為0.65 mm，兩處裂紋缺口如圖3所示。

裂紋缺口1(金屬碎塊相連) 裂紋缺口2

圖3兩處裂紋缺口

為了更加直觀的觀察到裂紋三維形貌，對裂紋區域進行剝離，分析發現缺口掉塊位于裂紋中心區域，裂紋三維形貌如圖4所示。

圖4裂紋三維形貌 圖5退刀槽部位周向壁厚

1.2 實物分解檢查

仔細檢查產品外觀，殼體外表面有裂紋，殼體裂紋部位如圖6所示。對故障產品進行分解檢查，將搖臂、堵蓋、活塞桿、彈簧分解，各膠圈、氟塑料圈表面質量良好。檢查殼體內表面退刀槽部位發現有掉塊粘連，殼體內部退刀槽部位如圖7所示。

圖6 殼體裂紋部位

圖7殼體內部退刀槽部位

1.3 斷口失效分析

對故障產品殼體進行材料金相分析和失效分析，對殼體裂紋斷口宏、微觀形貌進行觀察，檢查其組織、硬度和壁厚、退刀槽的開裂R角，對殼體的裂紋性質和開裂原因進行分析。

圖8活塞桿表面損傷情況

1.3.1 宏觀觀察

活塞桿表面損傷情況見圖8。對活塞桿進行觀察，活塞整體未見宏觀變形，活塞桿頭一側的圓周面存在明顯的軸向線狀磨痕，磨損區約占1/3圓周，同側靠近活塞頭的活塞桿表面可見較長的軸向線狀磨痕。對比生產現場活塞桿工作磨損情況，可知該活塞桿磨損情況為工作痕跡，不會導致殼體出現裂紋[2]。

將殼體沿前后軸向剖開觀察內壁及開裂部位，殼體底部退刀槽裂紋見圖9。其裂紋位于殼體底部退刀槽轉角處，對裂紋所在的左半殼體進行觀察，裂紋沿退刀槽轉角分布，近1/3圓周，放大觀察，轉角處裂紋斷續、多條，邊緣局部可見微小掉塊，退刀槽宏觀未見明顯缺陷。

(a)退刀槽裂紋1 (b)退刀槽裂紋2

圖9殼體底部退刀槽裂紋

1.3.2 微觀觀察

裂紋斷面及源區形貌如圖10所示。在掃描電鏡下觀察殼體裂紋斷口，呈多個線源起裂，裂紋源區未見材質缺陷和腐蝕等異常現象；裂紋交匯形成了多個疲勞臺階，并且在部分疲勞臺階處因裂紋交匯形成了小的掉塊。裂紋斷面特征如圖11所示，裂紋源區較平直，大致沿加工刀痕擴展，且退刀槽表面加工刀痕較明顯，特別是退刀槽的開裂R角表面刀痕相對更為粗大。根據微觀電鏡分析結果，可知加工刀痕較粗大，可能誘發疲勞裂紋[3]。

(a)裂紋斷面 (b)源區形貌

圖10裂紋斷面及源區形貌

(a)斷面特征1 (b)斷面特征2

圖11裂紋斷面特征

1.4 金相組織檢查及硬度測試

在裂紋末端切取兩個殼體退刀槽縱向剖面，磨拋浸蝕后進行觀察，殼體組織低倍形貌如圖12所示。低倍下，兩個剖面的組織一致，整體較均勻，僅殼體外壁顏色相對較淺。

(a)殼體低倍形貌1 (b)殼體低倍形貌2

圖12殼體組織低倍形貌

殼體縱向剖面退刀槽附近組織如圖13所示。高倍下殼體整體組織為正常的回火索氏體，外表面可見鐵素體，為很淺的半脫碳組織[4]；退刀槽處可見多條裂紋，裂紋附近組織正常，未見材質缺陷。

(a)組織形貌1 (b)組織形貌2

(c)組織形貌3 (d)組織形貌4

圖13殼體縱向剖面退刀槽附近組織

在殼體剖面上測試維氏硬度，根據GB/T1172-1999換算成抗拉強度，殼體硬度測試結果HV0.5見表2，可見殼體各剖面硬度均勻，換算強度滿足技術要求。

表2 殼體硬度測試結果HV0.5

1.5 尺寸測量

1.5.1 壁厚測量

采用縱剖面金相體視測量和游標卡尺直接測量兩種方法，對殼體底部退刀槽徑向和軸向壁厚進行測量，殼體退刀槽處兩向壁厚測量結果如表3所示。結果顯示，開裂區域殼體壁厚符合技術要求。

表3 殼體退刀槽處兩向壁厚測量結果/mm

1.5.2 退刀槽R角測量

在殼體縱剖面金相試樣上，觀察并測量退刀槽的開裂轉角R。殼體退刀槽下轉角形態如圖14所示。轉角形態整體呈圓弧形，高倍可見細微表面起伏，應與表面加工刀痕有關。測量結果表明，開裂轉角R在0.8 mm左右，低于圖紙要求的R2。

(a)轉角形態1 (b)轉角形態2

圖14殼體退刀槽下轉角形態

1.6 分析建議

(1)行程限制作動筒殼體裂紋為多源疲勞裂紋，裂紋源區未見材質缺陷和腐蝕等異常現象；

(2)殼體的組織、硬度、材質正常，壁厚也符合技術要求；

(3)殼體R角小于圖紙要求，搖臂受附加載荷機構拉壓作用使殼體承受扭矩作用，擬對殼體退刀槽處實際應力進行有限元仿真計算，評估其影響。活塞與殼體異常磨損、搖臂受力不均勻可能導致應力升高，但通過分析生產現場活塞桿磨損情況，發現在作動筒運動過程中，活塞桿和殼體均會存在不同程度的磨損，屬于正常工作痕跡。

2 殼體有限元仿真分析

對殼體受力變形情況使用有限元仿真分析方法進行理論分析，殼體在工作時受到液壓系統工作壓力的沖擊作用，殼體會發生一定的變形。因此為分析殼體結構強度進行模擬受力分析[4]。殼體載荷施加示意圖如圖15所示。為模擬故障產品受力真實情況，選取殼體退刀槽壁厚H=1.8 mm，R2=0.7 mm，殼體內部退刀槽等表面受壓力28 MPa。活塞桿正對殼體端面除了受液壓壓力作用，還承受彈簧壓縮彈力作用，活塞桿行程為16+0.80-1.57mm，彈簧壓縮16 mm時，彈力P=1544 N。行程限制作動筒搖臂與附加載荷機構相連，行程限制作動筒搖臂理論最大拉壓力為488 N，對殼體產生扭矩作用為29.28 N·m。

圖15殼體載荷施加示意圖

對殼體建立簡化筒體模型，分析殼體變形情況和應力情況。為提高計算效率，將殼體建立簡化模型。有限元仿真分析結果如圖16所示。殼體材料為30CrMnSiA，該材料的抗拉強度大于1080 MPa，屈服強度大于835 MPa，通過有限元分析結果可知，當壓力為28 MPa時，在退刀槽處為應力最大值點為562.08 MPa，最大變形點為0.032 mm，為彈性變形，殼體未發生破壞。

(a)仿真分析結果1 (b)仿真分析結果2

圖16有限元仿真分析結果

根據上述有限元分析結果可知，當R2=0.7 mm、壁厚H=1.8 mm時，有限元仿真分析結果顯示殼體為彈性變形，未發生變形破壞，結構滿足試驗工作條件。倒角問題不是導致殼體裂紋的主要原因。

表4 不同架次殼體退刀槽處尺寸結果測量結果/mm

3 現場檢查驗證

3.1 現場不同架次殼體CT掃面驗證

為了徹底檢查作動筒殼體退刀槽處裂紋情況，選取四個架次殼體進行工業CT掃描，根據掃描情況可知，該四個架次殼體均無裂紋和缺陷[5]。不同架次殼體退刀槽處尺寸結果測量結果如表4所示。不同架次殼體CT掃描結果如圖17所示。

A架次殼體 B架次殼體

C架次殼體 D架次殼體

圖17不同架次殼體CT掃描結果

3.2 現場殼體鑄型檢查

對現場全部共8個架次殼體退刀槽R角進行鑄型，不同殼體R角鑄型結果如表5所示。根據鑄型情況可知CT掃描結果和鑄型結果差別較大，原因可能為鑄型后模型存在收縮現象。

表5 不同殼體R角鑄型結果/mm

3.3 殼體探傷方案確定

殼體材料為30CrMnSiA，為有效探測到殼體內部退刀槽處探傷情況，擬對殼體進行熒光探傷。選取現場三個架次殼體進行熒光探傷檢查，通過大量試驗發現，采用熒光探傷時，熒光液對殼體內部產生銹蝕現象較為嚴重，同時熒光探傷對殼體退刀槽裂紋處誤判率較高。

4 結論

(1)根據失效分析報告和有限元仿真分析，殼體的組織、硬度、材質正常，壁厚也符合技術要求。

(2)退刀槽的R角小于圖紙要求，但有限元仿真結果顯示，退刀槽的開裂R角位置未發生塑性變形；活塞桿和殼體磨損痕跡也在正常工作范圍內。裂紋源區較平直，裂紋大致沿加工刀痕擴展，且退刀槽表面加工刀痕較明顯，特別是退刀槽的開裂R角表面刀痕相對更為粗大。

(3)該殼體裂紋應為加工刀痕、疲勞應力和退刀槽R較小等多因素導致的疲勞裂紋，為偶發性故障。