高壓油濾進油導管裂紋及油濾支座固定鉚釘斷裂分析

田 浩 ， 陳 榮 ， 傅國如 ， 李 權

（北京航空工程技術研究中心，北京 100076）

0 引言

飛機液壓系統是以液壓油為工作介質，通過油壓來驅動執行機構，進而完成飛機所需的特定操縱動作。液壓系統中的導管是液壓油在液壓系統內部有序流動、實現特定操縱功能的重要保證。由于液壓導管距離長、接頭多、形狀復雜，內部液壓油壓力高、脈動強，外部振動環境復雜，導管在使用中斷裂和出現裂紋故障時有發生，導致液壓油泄露，相關操縱無法完成，嚴重影響飛行安全[1-5]。鉚釘作為一類重要的緊固件，其連接方式具有工藝簡單、抗震、耐沖擊、傳力均勻、牢固可靠等優點，在飛機構件上被廣泛使用。由于鉚釘主要受剪應力，而不易受到扭轉載荷作用；因此，剪切過載斷裂是鉚釘主要的破壞形式，疲勞斷裂則不常見。鉚釘發生失效將導致被鉚接件的連接狀態發生變化，可能造成一連串嚴重后果[6-12]。

飛機在飛行過程中，同時發生一起液壓系統高壓油濾進油導管裂紋及油濾支座固定鉚釘斷裂問題。高壓油濾進油導管材料牌號為1Cr18Ni10Ti，規格為G16 mm×1.5 mm，強度要求≥550 MPa。油濾支座固定鉚釘材質為LY10 鋁合金，直徑為4 mm。

通過對液壓系統高壓油濾進油導管裂紋及油濾支座固定鉚釘斷裂進行失效分析，確定兩者失效的原因和先后關系，提出相應的改進措施。旨在防止類似故障重復發生，為液壓導管和緊固件的失效分析與預防研究提供具有工程價值的參考和依據。

1 宏觀觀察

1）高壓油濾進油導管。

高壓油濾進油導管一端與液壓泵連接，一端與高壓油濾連接，高壓油濾通過4 個螺釘固定在油濾支座上，油濾支座航前方向通過4 個鉚釘與前側垂尾承力桁條固定，中間通過8 個鉚釘與垂尾壁板固定，航后方向通過6 個鉚釘與后側垂尾承力桁條固定（圖1）。

圖1 高壓油濾部位各構件的相對位置關系Fig.1 Relative position relationship of components at high-pressure filter area

故障導管呈“Z”字形，裂紋位于導管高壓油濾端（圖2）。送檢時平管嘴不可從導管喇叭口處退出，從喇叭口部位檢查導管內表面，在導管順航向方向右側可見明顯裂紋，沿順航向縱向切開導管，檢查導管外表面，導管順航向方向左右兩側（即橫向方向）外表面均存在多條裂紋，裂紋集中在導管對應平管嘴根部位置至喇叭口方向2～4 mm，其中右側外表面開口最大的主裂紋呈臺階狀，由多條不同高度的裂紋相交形成的，已經裂穿整個管壁。部分裂紋附近可見軸向磨損及黃褐色氧化痕跡（圖3），平管嘴內表面可見相應的磨損及黃褐色氧化痕跡。

圖2 進油導管的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of oil inlet duct

人為打開導管主裂紋，在體視顯微鏡下觀察裂紋斷口宏觀形貌，斷口斷面灰亮、有金屬光澤，斷口上可見明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區。從弧線和放射棱線收斂的方向看，疲勞區從導管外表面多源線性起始，向兩側及導管厚度方向擴展（圖4）。

實測導管外徑為16.1 mm，壁厚為1.5 mm，符合導管尺寸規格要求。

2）油濾支座固定鉚釘。

斷裂鉚釘為油濾支座航前方向與前側垂尾承力桁條固定的4 個鉚釘，拆卸前未注意標注鉚釘殘段位置及與航向的位置關系。其中有2 個鉚釘墩頭及釘桿在拆解時被破壞，斷口表面被嚴重蹭傷，看不出原始形貌，另2 個鉚釘斷口形貌基本一致：斷口整體比較平坦，可見2 處明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區，2 處疲勞區大致呈180°，從弧線和放射棱線收斂的方向看，2 處疲勞區均從鉚釘外表面線性起始（圖5）。

圖3 進油導管表面形貌（其他微裂紋未標識）Fig.3 Macro morphology of surface of oil inlet duct

圖4 進油導管主裂紋斷口形貌Fig.4 Macro morphology of main crack fracture surface of oil inlet duct

圖5 斷裂鉚釘典型斷口宏觀形貌Fig.5 Typical macro morphology of fracture surface of rivet

2 微觀觀察

在掃描電鏡下觀察導管順航向方向（橫向）左右兩側外表面的微觀形貌，可見兩側表面均存在多條裂紋，部分裂紋附近可見明顯徑向磨損痕跡（圖6）。對導管主裂紋斷口進行微觀觀察，形貌如圖7 所示，可見：疲勞區放射棱線收斂于導管外表面，疲勞裂紋從導管外表面多源線性起始；部分源區從表面溝槽缺陷部位起始，表面溝槽最深約10 μm；裂紋擴展區可見疲勞條帶；瞬斷區為韌窩特征。觀察導管主裂紋對應側表面微觀形貌，裂紋附近也可見局部磨損痕跡，但裂紋并未從磨損部位處起始（圖7a），分析磨損痕跡可能是導管開裂后與平管嘴發生干涉造成的。

選取1 個典型的斷裂油濾支座固定鉚釘，在掃描電鏡下進微觀形貌行觀察，斷口2 處疲勞棱線均收斂于鉚釘外表面，呈線性起源，源區未見明顯冶金缺陷，疲勞擴展區可見清晰疲勞條帶（圖8）。

3 金相組織及硬度檢查

在導管上取樣進行金相組織檢查，顯微組織未見異常。材質硬度檢測結果為HV0.3200，參考GB/T 1172—1999 換算成抗拉強度σb為674 MPa，滿足導管強度設計要求（σb≥550 MPa）。

4 分析討論

4.1 高壓油濾進油導管裂紋原因分析

圖6 進油導管表面微觀形貌Fig.6 Micro morphology of surface cracks of oil inlet duct

圖7 進油導管斷口微觀形貌Fig.7 Micro morphology of fracture surface of oil inlet duct

圖8 鉚釘典型斷口微觀形貌Fig.8 Typical micro morphology of fracture surface of rivet

導管主裂紋斷口宏觀可見明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區，微觀可見清晰疲勞條帶，表明導管斷裂性質為疲勞開裂。

導管是否出現疲勞開裂主要取決于載荷大小及導管自身抗疲勞能力兩方面因素。故障導管材質（組織、硬度）檢測結果均符合要求，導管順航向方向左右（橫向）兩側外表面均存在多條裂紋；因此，分析認為導管出現疲勞裂紋與其承受順航向橫向方向的異常大載荷有關。此外，導管疲勞裂紋部分疲勞源區從表面溝槽缺陷處起始，表面溝槽進一步加速疲勞裂紋的產生。

4.2 油濾支座固定鉚釘斷裂原因分析

斷裂鉚釘斷口宏觀可見明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區，微觀可見清晰疲勞條帶，表明鉚釘的斷裂性質為疲勞開裂。

故障發生后，對其余飛機進行普查，發現有6 架飛機高壓油濾固定鉚釘存在不同程度斷裂。據反映，高壓油濾部位鉚釘在外場服役和入廠故檢時均發現過多起斷裂/裂紋問題，故障率接近20%。對比故障飛機與近型號引進飛機相同部位油濾支座鉚釘斷裂情況，引進飛機基本未發生斷裂問題，進一步將該型飛機與引進飛機高壓油濾部位的結構進行對比，主要有3 個方面區別：

1）垂尾壁板結構。引進飛機采用整體銑削成型，故障飛機采用拼接成型。

2）油濾支座固定方式。引進飛機在航前和航后方向用螺栓與承力桁條連接，中間用鉚釘連接，且支座底部與壁板之間涂膠。故障飛機在航前和航后方向用鉚釘與承力桁條連接，中間用鉚釘連接，支座底部與壁板之間不涂膠。

3）油濾情況。引進飛機只安裝一個鋁合金回油濾，故障飛機安裝一個鋁合金回油濾和一個鋼材質高壓油濾。

對比可見，故障飛機在高壓油濾部位的整體結構穩定性和抗疲勞性能遠弱于引進飛機。此外，查該架飛機故障發生前10 個架次飛參數據，最大Z 向（橫向方向）過載超過1 G，而高壓油濾和油濾支座總凈重約(10.2±0.3) kg，在Z 向過載情況下，固定油濾支座的鉚釘將承受較大順航向橫向方向的附加載荷，較大的橫向附加載荷，將加速鉚釘的斷裂。

綜上鉚釘斷裂普查結果、歷史故障數據、結構對比情況和飛參判讀數據分析可判斷：故障飛機高壓油濾部位實際載荷情況比較復雜，鉚釘抗疲勞裕度不足。

4.3 導管裂紋與油濾支座固定鉚釘斷裂的先后關系

高壓油濾進油導管與高壓油濾連接，高壓油濾固定在油濾支座上，油濾支座通過鉚釘固定在垂尾壁板上。從原理上分析，如果高壓油濾進油導管先出現穿透性裂紋，會導致液壓油發生泄露，液壓壓力下降，不會導致油濾支座固定鉚釘受力狀態發生明顯變化。相反，油濾支座固定鉚釘斷裂會使得高壓油濾在沿航向方向橫向晃動，并傳遞給導管，導管承受異常載荷，產生疲勞裂紋。導管順航向方向橫向兩側均存在多條裂紋，裂紋性質為疲勞開裂，說明其受到順航向橫向方向的異常載荷力的作用；因此，油濾支座固定鉚釘斷裂是導管裂紋產生的直接原因，導管裂紋是鉚釘斷裂后的受害件。

5 結論及建議

1）液壓系統高壓油濾進油導管裂紋性質為疲勞開裂，原因是其承受順航向橫向方向的異常大載荷。

2）油濾支座固定鉚釘斷裂性質為疲勞斷裂，原因為高壓油濾部位實際載荷情況比較復雜，鉚釘抗疲勞裕度不足。

3）高壓油濾進油導管疲勞裂紋是油濾支座固定鉚釘斷裂后產生異常振動導致的，為受害件。

4）高壓油濾進油導管表面存在溝槽缺陷，加速疲勞裂紋的產生。

5）建議對高壓油濾部位實際載荷情況進行校核，采取有效措施提高該部位結構穩定性和抗疲勞性能。