某機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒接管嘴斷裂分析與改進(jìn)研究

任義志， 沈榮康， 崔玉林

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241007）

0 引言

飛機(jī)座艙蓋位于機(jī)身前端，其主要用于飛行過程中避免飛行員受氣流影響，為提供飛行員視野，便于飛行員和其他人員進(jìn)出機(jī)艙，同時(shí)保障在空中和地面應(yīng)急情況下飛行員逃生。座艙蓋開啟系統(tǒng)是飛機(jī)救生系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其開啟功能主要由作動(dòng)筒、減壓器和開啟機(jī)構(gòu)等部件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的[1-3]。座艙蓋開啟和關(guān)閉過程中，由活塞桿實(shí)現(xiàn)收放，在此期間存在角度擺動(dòng)，為避免對(duì)其上安裝的接管嘴（A型和B型）產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切力，將導(dǎo)管設(shè)計(jì)成彈簧管便于應(yīng)力緩沖，在一定程度上避免接管嘴斷裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示。

圖1 座艙蓋操縱作動(dòng)筒機(jī)上安裝狀態(tài)圖

當(dāng)飛機(jī)座艙蓋在地面處于開啟狀態(tài)時(shí)，因作動(dòng)筒接管嘴斷裂會(huì)引起突發(fā)性失壓，導(dǎo)致座艙蓋壓力不足而緊急下落，造成巨大的安全隱患和嚴(yán)重影響[4]，斷裂接頭為A型，斷裂位置如圖2所示。本文針對(duì)該起新型故障，結(jié)合失效分析、有限元仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式對(duì)其故障機(jī)理進(jìn)行研究，并制定專項(xiàng)改進(jìn)措施，確保飛機(jī)使用安全和提升后續(xù)修理產(chǎn)品的可靠性。

圖2 作動(dòng)筒直通接頭斷裂位置

1 作動(dòng)筒接管嘴斷裂的失效分析

對(duì)直通接頭進(jìn)行宏觀觀察，如圖3所示，可見斷口位置位于艙門作動(dòng)筒直通位置，螺紋處仍有一半斷在艙蓋作動(dòng)筒內(nèi)。從圖中看出，斷面較為平整，未見異常機(jī)械損傷痕跡，表面呈金屬光澤。同時(shí)可以看出，斷面與螺牙上升（或下降）方向吻合。

圖3 直通接頭宏觀形貌

將斷面置于體式顯微鏡下進(jìn)行觀察，如圖4所示。從圖中可以看出斷面平坦，無機(jī)械損傷痕跡，無腐蝕痕跡。斷面大部分區(qū)域呈亮銀色，內(nèi)側(cè)位置顏色較深。斷面位置可見與徑向呈一定角度的棱線痕跡。

圖4 斷口體式形貌

用丙酮清洗斷口后置于掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析，其斷面微觀形貌如圖5所示。從圖中可以看出斷面位置內(nèi)側(cè)1/2處呈現(xiàn)剪切韌窩特征，韌窩數(shù)量較小，變形拉伸量大。臺(tái)階位置形貌如圖6所示，光亮位置放大后可見明顯的韌窩剪切形貌。

圖5 斷面微觀形貌

圖6 臺(tái)階區(qū)域微觀形貌

根據(jù)接管嘴的斷裂宏觀和微觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷面平整，表面呈金屬光澤，無機(jī)械損傷痕跡，無腐蝕痕跡。通過斷面微觀觀察可見韌窩痕跡。結(jié)合鋁合金材料韌性較好的特性及微觀觀察到拉伸量較大的剪切韌窩特征，初步判斷接管嘴斷裂原因?yàn)檫^載剪切。

2 接管嘴斷裂故障機(jī)理分析

2.1 產(chǎn)品原理分析

座艙蓋操縱作動(dòng)筒地面打開方式有兩種：1）通過減壓器組件供氣壓，壓力為2 MPa左右；2）通過開啟機(jī)構(gòu)手動(dòng)施加液壓壓力，通過液壓接管嘴供壓實(shí)現(xiàn)座艙蓋的打開。

方式1）中2 MPa氣壓屬于正常工作壓力，通過氣壓接管嘴供壓，液壓腔部位幾乎無工作壓力（如圖7），液壓接管嘴不存在斷裂的可能。

圖7 座艙蓋打開方式

方式2）為通過手動(dòng)施加壓力，工作液從液壓供壓接管嘴進(jìn)入座艙蓋操縱作動(dòng)筒液壓腔，隨著活塞桿伸出過程中液壓腔壓力逐漸增加，直至活塞桿完全伸出。

因活塞桿放出過程中液壓腔壓力逐漸增大，為分析是否存在壓力逐漸增大導(dǎo)致接管嘴損壞的可能性，單獨(dú)對(duì)接管嘴模擬增壓分析。當(dāng)壓力達(dá)到20 MPa時(shí)接管嘴未出現(xiàn)異常，而座艙蓋操縱作動(dòng)筒活塞桿完全伸出壓力值為3 MPa左右，說明通過正常的液壓操作不可能將該接管嘴損壞。

2.2 探傷檢查

根據(jù)外場(chǎng)斷裂情況，為分析是否為產(chǎn)品裝配后存在裂紋，從現(xiàn)場(chǎng)抽取接管嘴進(jìn)行探傷。從現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選取20件產(chǎn)品，拆除接管嘴后對(duì)單個(gè)接管嘴直接進(jìn)行熒光探傷，探傷結(jié)果均為無裂紋。同時(shí)為摸清接管嘴裝配后內(nèi)部情況，與天津三英精密儀器股份有限公司合作，通過其公司的X射線三維顯微鏡360°全方位掃描（如表1和圖8）判定裝機(jī)后的質(zhì)量情況。通過對(duì)多件產(chǎn)品的接管嘴從多角度進(jìn)行探傷，結(jié)果顯示均無裂紋，說明接頭裂紋非裝配導(dǎo)致。

表1 X射線三維顯微鏡測(cè)試條件

圖8 X射線三維360°全方位掃描圖

2.3 試驗(yàn)研究

鑒于A 型接管嘴的受載主要為轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)場(chǎng)選取兩舊件接管嘴安裝至蓋子上，通過力矩扳手?jǐn)Q斷接管嘴，其中一件力矩值大約為35 N·m（如圖9），與仿真模擬結(jié)果一致。

圖9 舊件接管嘴扭斷現(xiàn)場(chǎng)操作圖

同樣選取兩件新品A型接管嘴安裝至蓋子上，現(xiàn)場(chǎng)通過力矩扳手?jǐn)Q斷接管嘴，其中一件力矩值大約為40 N·m（如圖10）。

圖10 新件A型接管嘴試驗(yàn)

從表2中可以知道，新品與舊品的失效力值相差不大。

表2 A型接管嘴斷裂失效試驗(yàn)結(jié)果

2.4 有限元仿真

以上分析說明正常裝配和使用不會(huì)產(chǎn)生裂紋，再結(jié)合斷口情況，初步判斷破壞為剪切扭轉(zhuǎn)破壞。為判定該接管嘴剪斷力值大小，采用有限元仿真軟件建立三維模型，并在模型上施加轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真分析。該接管嘴為錐形螺紋，斷裂處內(nèi)徑為φ5.5 mm，螺紋根部外徑為φ8.8 mm，建立簡化仿真模型，因?yàn)槁菁y牙型為尖角結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行有限元仿真時(shí)，尖角結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分較為困難，故使用簡化模型進(jìn)行計(jì)算。

接管嘴材料為LY12-CZ，該材料抗拉強(qiáng)度為440 MPa，剪切強(qiáng)度為大于265 MPa。將有限元模型接管嘴下半部分模擬零件裝配狀況進(jìn)行約束，在模型中部施加轉(zhuǎn)矩，分析結(jié)果如圖11所示，根據(jù)分析結(jié)果可知，應(yīng)力集中主要發(fā)生在接管嘴與蓋子裝配根部及接管嘴的根部。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為25 N·m時(shí)，接管嘴外表面已達(dá)到546 MPa，內(nèi)表面為199 MPa，未達(dá)到剪切強(qiáng)度，但接管嘴與蓋子裝配根部已達(dá)到剪斷臨界值，如圖12（a）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為35 N·m時(shí)，仿真結(jié)果如圖12（b）所示，根據(jù)分析結(jié)果可知，接管嘴外表面已達(dá)到765 MPa，內(nèi)表面為279 MPa，已超過剪切強(qiáng)度，理論分析接管嘴完全斷裂。

圖11 擰入式直通接頭應(yīng)力分布

圖12 接管嘴應(yīng)力分布

3 改進(jìn)分析與驗(yàn)證

由于本次發(fā)生斷裂的為A型直通接頭，觀察多件相同型號(hào)的座艙蓋操縱作動(dòng)筒發(fā)現(xiàn)，相同位置的直通接頭均是鋁制。

觀察座艙蓋操縱作動(dòng)筒本身結(jié)構(gòu)和機(jī)上安裝狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷裂的接頭處于座艙內(nèi)壁與座艙壁板平行的位置，機(jī)上正常維護(hù)和修理工作很容易發(fā)生鉤掛現(xiàn)象，存在很大的安全隱患。

針對(duì)該起故障，在保證接管嘴結(jié)構(gòu)不變的情況下，將鋁制接管嘴更換為鋼制接管嘴，重新裝配后對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析，結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看出力矩達(dá)到53 N·m時(shí)接管嘴依然沒有斷裂，不僅滿足正常工作的要求，同時(shí)能夠減小人為差錯(cuò)導(dǎo)致的機(jī)件損傷。

圖13 鋼制接管嘴扭切試驗(yàn)

4 結(jié)語

本文從某機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒接管嘴斷裂故障問題出發(fā)，分析其故障原因，制定相應(yīng)改進(jìn)措施并加以驗(yàn)證。

首先從斷口表面形貌發(fā)現(xiàn)的拉伸量較大的剪切韌窩特征初步判定斷裂原因?yàn)榧羟羞^載；然后分析產(chǎn)品原理及探傷檢查排除了產(chǎn)品接管嘴正常裝配及使用發(fā)生斷裂的可能，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析和有限元仿真相結(jié)合的方式驗(yàn)證了該起事故故障原因?yàn)榧羟羞^載；最后針對(duì)該故障，將其接管嘴材料由LY12-CZ改變?yōu)?Cr18Ni9Ti，分析驗(yàn)證滿足使用要求，并提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。針對(duì)該接管嘴產(chǎn)品的維護(hù)確定了材料為LY12-CZ一致更換的普查方案，滿足其使用壽命和安全要求。