某型IDG缸筒更換襯套的安全性驗證

段斐翡

摘要：對波音737飛機IDG缸筒在更換襯套修理后的安全性進行了分析研究。根據材料力學原理，對缸筒內部柱塞孔進行力學分析，計算出缸筒修理前后的安全系數，再計算出襯套安裝后的保持力安全系數，通過對凹槽加固作用后的安全性系數的分析對比，驗證了缸筒更換襯套修理方案的合理性，最后經過裝機測試驗證了缸筒修理后的安全性。

關鍵詞：缸筒；襯套更換；應力分析；安全系數

Keywords：cylinder；bushing replacement；stress analysis；safety factor

1 研究背景

本文主要研究件號為PN764635缸筒。該缸筒用于空客A318 /319/320/321系列、A340-200/300/500/600系列、波音737系列飛機的IDG上。缸筒是IDG的子部件泵和馬達組件（見圖1）上的一個部件[1]。

泵和馬達組件為差動組件提供調速，它們一起將IDG輸入的轉速轉換為恒定的輸出速度。泵和馬達組件采用滑靴-柱塞結構，由固定的液力組件（包含一個固定斜盤和一個擁有九個柱塞孔的缸筒）、一個分油盤、可變的液力組件（包含一個可變斜盤和一個擁有九個柱塞孔的缸筒）和齒輪軸組成[2]。

缸筒是一種斜盤式軸向柱塞泵，靠柱塞在柱塞腔內的往復運動，改變柱塞腔內的容積，實現吸油和排油。一方面柱塞與缸體一起旋轉，沿缸體平面做圓周運動，另一方面柱塞又相對缸體做往復直線運動[3]。圖2所示缸筒都有9個柱塞孔，襯套位于孔的內壁。

在使用過程中，襯套可能會發生磨損。根據手冊要求，小的磨損（約0.5mm）經過珩磨后可以繼續使用。但是當IDG的TSR（修理后使用時間）超過10000小時以上時，拆下的缸筒襯套基本已經不能再繼續使用。某公司2019年完成IDG修理157件，其中50件涉及缸筒磨損超標，報廢后更換新缸筒62件（每臺IDG裝兩個缸筒），申購新缸筒共花費477萬元。為了節約成本，需要對襯套進行更換修理研究。

2 缸筒更換襯套的修理方案

3 缸筒更換襯套后的安全性計算

由于該缸筒修理手冊中并未給出針對襯套更換的修理方案，而此類損壞是很常見的損傷，因此，參考CCAR-43附錄E，對比一般修理及重要修理判定要求（見表1），確定缸筒更換襯套修理為一般修理。此類修理要求，修復后的缸筒由于修理前后重量相同，因此在重量和平衡方面的影響可以忽略；修復后的零件尺寸與原件一致，因此在上一級組件上的操作或性能影響可以忽略；修復后的零件在冶金、尺寸上也與原件相同，修理對與其他修理、部件配合和材料的相容性影響可以忽略。修理前后唯一變化的是襯套進行了拆下和安裝的機加工工序，因此只需要驗證修理前后缸筒本體及襯套在相同作用力下的運行是否安全即可[5]。

由于是超規范修理，且CCAR-25R4中關于驗證計算沒有規定固定的驗證方法，因此，根據機械加工特點，本文使用材料力學計算分析安全系數的方法，以應力判斷為依據，對修理前后的安全系數進行對比，來驗證修理方案的可行性。

安全系數是進行機械等工程設計加工時，為了防止因材料的缺點、工作的偏差、外力的突增等因素所引起的后果，理論上設定的工程受力部分能夠承擔的力必須大于實際承擔的力，即極限應力與許用應力之比為安全系數[8]。安全系數考慮了計算載荷及應力準確性、機件工作重要性以及材料的可靠性等因素影響機件強度的裕度，其值應大于等于1。下面分別就缸筒本體以及襯套修理的安全系數進行計算分析。

3.1 缸筒及襯套的材料

依據CCAR-25R4第25.603有關材料的相關規定，對安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須符合經批準的標準（如工業或軍用標準，或技術標準規定），保證這些材料具有設計資料中采用的強度和其他性能。該缸筒本體材料為ASTM A681 A6工具鋼[6]，屈服強度為264ksi，參數如圖4所示。缸筒襯套的材料為C93700鉛錫青銅[7]，屈服強度為20ksi，參數如圖5所示。

3.2 缸筒本體安全系數計算

首先通過三坐標測繪，以及廠家的相關資料，確定缸筒的詳細尺寸及修理限制尺寸。

3.4 缸筒安全性計算小結

通過以上工程應力計算，確定缸筒的設計安全系數FS為17.40，修復過程的安全系數FS為15.92。在安裝套筒之前，修復FS在設計FS的8%以內。

根據缸筒內壁凹槽直徑，計算出修復安全系數是14.22，在安裝襯套之前，該系數在設計安全系數FS的18%以內。考慮到安裝襯套后的滾壓因素，此安全系數是可以接受的。

以上襯套保持分析的計算表明，設計安全系數FS為31.08，修復過程的FS范圍為20.09（有凹槽）和24.78（無凹槽）。無凹槽修補FS在設計FS的20%以內。對于開槽壁，該比率較小。以上過程，驗證了該修理的合理性。另外，襯套經過滾壓處理，耐磨性得到提高的同時疲勞強度也會增加，從而更加耐疲勞，更加耐表面壓力。

4 測試驗證

該缸筒的修理屬于簡單修理，前面已經對修理后缸筒的安全性進行了計算驗證。為了更進一步驗證其安全性，將修理后缸筒裝上其上級組件IDG后，對IDG進行反復臺架測試，得到的測試數據均在手冊要求范圍內。其中，IDG的PMG頻率約1199.2HZ，線電壓約92.66V，線電流約3.91A；開路狀態檢測電壓實測值約115.13V，勵磁電流達到5A時，電壓約158.4V；電流互感器檢查，調速器調節和沖壓檢查，頻率調節測試，發電機負載檢查等數據參數均滿足手冊要求。驗證了該修理方案的安全性。

參考文獻

[1] Hamilton-Sundstrand CMM 24- 14-17 [Z]. Latest Revision.

[2] Hamilton-Sundstrand CMM 24-14-21 [Z]. Latest Revision.

[3] 袁合.斜盤式軸向柱塞泵關鍵零部件結構優化設計[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[4] B&E Aircraft Component Repair Drawings and Documents as indicated [Z].

[5] Engineering Resource [OL]，www.engineeredge.com.

[6] Standard specification for tool steels alloy ASTM-A681 [S].

[7] Standard specification for C93700[S].

[8] 翟培祥.斜盤式軸向柱塞泵設計[M]. 北京：煤炭工業出版社，1978.