某型飛機座艙蓋操縱作動筒損傷分析及應對

皮月亮， 祖揮程， 李永彬， 孫同明

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241007）

0 引言

作動筒是飛機上常用的功能附件。根據工作需要內部可帶機械鎖或無機械鎖。機械鎖可在某些位置使作動筒可靠固定，以保障飛機飛行、地面停放與地面維護人員的安全。例如：起落架放下時，作動筒需要鎖定支撐起落架。部分產品需要在正常工作時依靠機械鎖進行鎖定，應急工作時需要解鎖。常見的作動筒機械鎖為鋼珠鎖、卡簧鎖[1]。卡簧鎖由卡簧、彈簧、錐體、襯套等組成。卡簧是彈性的，在上鎖狀態下，由錐體將彈性卡簧限制在襯套內，實現鎖定連接。當錐體在氣壓或液壓作動筒下移動后，卡簧在外力的作用下從襯套內脫出，完成開鎖。

某型飛機座艙蓋操縱作動筒用于飛機座艙蓋的開啟和關閉，應急時對座艙蓋進行拋放。該作動筒為兩腔結構，分為氣壓腔和液壓腔，兩腔之間通過卡簧鎖進行鎖定[2]。正常工作時氣壓腔活塞桿與液壓腔活塞桿在卡簧的連接下實現同步運動，應急工作時需要將氣壓腔活塞桿與液壓腔活塞桿分離，滿足氣壓腔活塞桿的單獨工作。

某座艙蓋操縱作動筒進行試驗過程中出現異常撞擊聲，造成產品拉傷，軸承安裝孔出現變形。分析發現：產品試驗過程中，在檢查作動筒開鎖力試驗時，將作動筒在試驗臺架上安裝后，直接向氣壓腔加壓；在彈性鎖鉤開鎖前，作動筒的氣壓腔活塞桿與氣壓腔保持鎖定狀態，由于氣壓腔活塞桿的行程大于液壓腔的行程，在卡簧鎖開鎖后氣壓腔活塞桿還有可運動行程，在開鎖后氣壓的作用下，活塞桿的運動對蓋造成了撞擊[3]。為分析該作動筒的受力及損傷情況，本文采用實物對比分析法與Abaqus有限元仿真法進行了系統的研究。

1 結構與工作原理

該座艙蓋操縱作動筒由液壓腔、氣壓腔及彈性卡鎖等組成。用來操縱座艙蓋的開啟、關閉或到達任一行程，正常情況下靠壓縮氮氣驅動，在氣動系統無壓力時，也可用手動（液壓）來操縱。在應急情況下，可拋掉座艙蓋（如圖1）。

圖1 產品工作原理

座艙蓋操縱作動筒用來移動座艙蓋，作動筒的一端固定在座艙蓋后隔板的支架上，另一端連接在艙蓋連接裝置上，作動筒為雙腔式，中間端蓋將筒體分為液壓腔和氣壓腔兩部分，液壓腔的工作介質為液壓油，氣壓腔的工作介質為壓縮氮氣，可通過壓縮氮氣打開座艙蓋或應急拋放座艙蓋。

圖2 產品結構圖

作動筒的活塞桿也由兩部分組成，由夾簧連接。液壓腔工作桿是空心結構，其中一端為活塞，另一端固定著夾簧，由螺帽保險，氣壓腔工作桿上裝有活塞。為使活塞密封，在活塞上裝有密封碗。活塞桿內裝有襯套，止動器用螺帽固定在襯套內，限制閉鎖錐體的運動。錐體由彈簧壓緊，活塞桿通過接耳連到連接裝置上。

2 故障分析

2.1 試驗過程

在進行夾簧鎖的調整試驗時，試驗要求為：連接試驗臺，拉出活塞桿至伸出位置，用液壓油充滿作動筒液壓腔，向接管嘴緩慢輸入氣壓，調整彈簧初始張力，檢查彈簧卡頭鎖在此壓力范圍內應打開，可根據響聲和壓力表的抖動及插銷的頂出來確定。

在進行產品試驗時，將作動筒安裝到試驗安裝架上，將蓋通過銷子固定在試驗安裝架上。向作動筒液壓腔加液壓油放出活塞桿，液壓腔活塞桿放出到極限位置后，向作動筒的氣壓腔接管嘴加氣壓來檢測夾簧鎖的開鎖力[4]。在向管嘴加的壓力達到2.7 MPa時，夾簧鎖出現開鎖。

在夾簧鎖開鎖后，氣壓腔活塞桿與液壓腔活塞桿分離，由于作動筒氣壓腔的行程大于液壓腔的行程[5]。在液壓腔活塞桿放出到極限位置的情況下，氣壓腔活塞桿沒有放出到極限位置，距離放出到極限位置有65 mm的運動行程，在氣壓的作用下，氣壓腔活塞桿運動撞擊到蓋上。由于作動筒蓋僅通過銷子與試驗安裝架相連，活塞桿撞擊產生的力全部傳遞到蓋上，造成蓋拉傷，軸承安裝孔出現變形損傷（如圖3）。

2.2 故障力學計算

2.2.1 作動筒受力計算條件

1）忽略作動筒移動直至撞擊過程中所受的摩擦力；2）忽略作動筒移動直至撞擊過程中試驗臺對作動筒持續補充的氣壓；3）將作動筒非密閉腔體部分默認為始終與大氣壓保持一致，約為P0=0.1 MPa（101 kPa）；4）作動筒移動過程中的動態過程以全過程中首末位置的平均值計算。

2.2.2 受力計算

移動的作動筒組合件質量m=2.12 kg，作動筒壓力腔原始壓力P1=2.7 MPa。

作動筒壓力腔原始體積V1=S1·L1=π（R2-r2）·L1=1616453 mm3。式中：S1為活塞桿受氣壓面積，S1=π（R2-r2）；R為外筒半徑；r為活塞桿半徑；L1為氣壓腔長度。

作動筒移動后腔體壓力增大的體積V2= S2·L2=πR2·L2=302527 mm3。式中：S2為活塞桿開鎖后氣壓面積，S2=πR2；R為外筒半徑；L2為開鎖后氣壓腔移動長度。

圖3 軸承安裝孔處拉傷變形情況

氣體狀態方程為

式中：P為壓強；V為氣體體積；T為絕對溫度；C為常數。

所以作動筒移動撞擊到殼體時，腔內的氣壓P2為

1）靜態作用力計算。

作動筒移動前，作用在活塞桿上的壓力F1=(P1-P0)·S1=12101 N。式中，S1為活塞桿受氣壓的面積。作動筒移動后，殼體受到的靜態壓力F2=(P2-P0)·S1=10100 N。不考慮氣體泄漏的情況下，F2即為沖擊后作動筒受到的靜態壓力。

2）動態作用力計算。

蓋的材料為2D70鋁合金鍛件，在瞬間的沖擊力作用下產生變形。

3 仿真分析

為驗證理論分析結果，同時分析活塞桿撞擊對作動筒上其他零件的損傷，擬對蓋、外筒、外殼組成的裝配體進行受力仿真分析。通過上述計算可知作用在蓋上的力F=15612 N,蓋的材料為2D70，其材料屬性如表1所示。

表1 2D70材料屬性

因為本模型結構體其空間結構不規則，因此在有限元模型網格劃分時相關部件的單元類型使用實體單元Solid45。

本文分析的是作動筒這樣一個復雜的裝配體，因此首選自由網格劃分方式。對于尖角、孔等一些劃分不理想的部位，則采用映射網格劃分。根據上述方法生成的外筒有限元模型的單元總數為467 664，節點總數為678 180，圖4是作動筒網格劃分完的有限元模型。

根據產品試驗過程中的安裝連接方式，約束施加在作動筒耳環孔與試驗臺架的安裝連接處，外載荷主要來源于作動筒和活塞桿的撞擊力，利用慣性載荷的方式施加重力場，施加一個和重力指向方向相反、大小一致的加速度。具體載荷施加方向和施加點如圖4所示。

圖4 網格劃分

通過有限元分析法得到作動筒的應力云圖。由應力云圖可知，其應力最大部位出現在作動筒約束部位，在約束部位受到持續外載荷時，約束部位為結構薄弱點，最易受到破壞（如圖5）。

圖5 應力分布云圖

4 產品故障檢查及修復論證

通過對產品的分解檢查及與產品的有限元仿真數據[7]，該作動筒在開鎖試驗應力最大部位為作動筒與試驗臺連接蓋部位（約束部位），需重點檢查蓋的損傷情況。

為檢查產品具體損傷情況，對產品進行分解，重點檢查受活塞桿氣壓沖擊影響的蓋、圓筒、外筒及殼體的損傷及變形情況。采用放大鏡目視檢查、尺寸測量的方法，檢查零件的外表面有無損傷、圓筒及外筒有無變形、螺紋連接部位有無損傷；檢查后發現，圓筒、外筒及殼體均無明顯的表面損傷，蓋的軸承安裝孔部位出現3 mm的變形（與試驗仿真結果一致），采用熒光探傷的方法檢查未變形零件有無裂紋情況發生，未發現零件裂紋。

對損傷變形的蓋進行更換，在不安裝內部密封件的情況下重新恢復作動筒的裝配，檢查作動筒在運動過程中的靈活性[8]，目視檢查零件是否出現變形。恢復產品裝配。為避免氣壓腔開鎖后的氣壓撞擊情況，設計制作了在液壓腔活塞桿完全放出情況時的安裝固定架車（如圖6）。檢查在液壓腔運動到極限位置后，活塞桿的運動采用架車進行固定，限制氣壓腔在開鎖后出現撞擊情況。

圖6 試驗架車

5 結論

1）通過產品受力計算、實物狀態檢查，座艙蓋操縱作動筒試驗損傷主要原因為：在進行卡簧鎖開鎖力試時，由于液壓腔與氣壓腔活塞桿的行程差，導致在開鎖后氣壓腔活塞桿在氣壓的作用下對筒體造成撞擊，從而導致損傷。2）采用有限元仿真模塊，仿真分析了氣壓腔開鎖后活塞桿的沖擊造成的產品應力情況。由仿真結果可知，試驗過程中對活塞桿不固定，僅對蓋進行固定時，蓋部位最易受到破壞。3）為保證夾簧鎖試驗過程的安全，避免對產品的破壞，采用專用架車對氣壓腔活塞桿的運動固定限位。4）在涉及氣動及氣動開鎖類產品試驗驗證時，一定要預判產品試驗過程可能存在的風險，避免造成零件損傷。