某型飛機蓄壓器膠囊開裂故障分析

王世德 孫建華

摘要：針對某型飛機蓄壓器使用過程中無壓力情況進行排查，通過理論分析和失效分析，列出蓄壓器膠囊開裂故障樹，確定故障原因并提出改進措施。

關鍵詞：蓄壓器；膠囊；周轉；運輸

Keywords：pressure accumulator；capsule；handover；transportation

1 故障描述

某型飛機安裝的液壓蓄壓器在收放試驗過程中發現球形蓄壓器內無壓力，對之進行分解檢查。在蓄壓器氣壓腔中注滿15號航空液壓油，之后將航空液壓油倒出，觀察到液壓蓄壓器內膠囊中部破損。對故障件進行觀察（見圖1），在分模線與底面之間有一條長約100mm的貫穿裂紋，裂紋距離底部約50mm左右。其他部位未見明顯損傷。

2 蓄壓器膠囊產品情況

2.1 產品結構

蓄壓器膠囊為飛機液壓系統配套產品，是裝于蓄壓器金屬外殼中隔開氮氣腔與15號液壓油腔的彈性隔膜，外形見圖2。工作介質：膠囊內腔充工業用氮氣，外腔為15號液壓油；工作溫度：-45℃～100℃；工作壓力：5～21MPa。膠囊工作狀態如圖3所示，內腔充入5MPa氮氣，外腔受液壓油作用，膠囊底部發生反復擠壓、拉伸變形。

2.2 產品工作原理

球型蓄壓器安裝于飛機液壓系統的主系統和輔助系統，位于機腹內壁，一架飛機安裝兩件。其內腔與5MPa壓力的氮氣接通，底部與液壓管路系統接通，作為彈性隔膜將氮氣與液壓油隔離。由于液壓泵排出的液體會產生較大的脈動，加之飛機起落過程和液壓閥急速閉合都會發生載荷劇變而產生很大的瞬間沖擊壓力，這種瞬間沖擊壓力會破壞管道、連接接頭或其他液壓元件，并產生劇烈的振動和噪聲，因此采用蓄壓器膠囊作為彈性隔膜，吸收壓力脈動以及液壓系統回路上的沖擊壓力，緩和沖擊，使裝置平穩工作，起到保護液壓系統裝置作用。

如果蓄壓器膠囊破裂，高壓腔的介質會流入低壓腔，造成油氣混合，蓄壓器就無法吸收壓力脈動以及液壓系統回路上的沖擊壓力，由于脈沖不能被消除，會對液壓系統管道及其他元器件造成沖擊，更會導致油路系統壓力不平穩，裝置無法平穩工作，飛機會出現較大的晃動。

2.3 產品技術要求

對蓄壓器膠囊的具體技術條件要求如下：

1）在正常使用和保管條件下，膠囊的使用保險期從其出品日起算三年，其中使用期二年或在飛機上直接使用200個飛行小時。運輸保管期限一年，運輸保管期超過規定則相應縮短使用期。

2）膠囊尺寸外觀應符合相應的圖紙和技術條件要求。

3）膠囊的氣密性要求：將膠囊充氣至ф170mm，浸于水中，不允許放出氣泡。

4）裝配后氣密性和工作性能：裝配后向膠囊內充5MPa的氮氣，通過液壓接管嘴加入21MPa的液壓，應保持5min不漏氣。

5）膠囊的低溫性要求：-45℃下保溫2h后，符合J7Ⅰ-T55-09注1要求，以21MPa液壓作20次循環（0→21MPa→0），各封嚴處不允許泄漏；保溫6h后，在常溫下放置6h，氮氣壓力不允許下降，但允許升高0.3MPa。

6）膠囊的高溫性要求：在-5+100+10℃下保溫1h后，將溫度升至+140±5℃，在此溫度下進行試驗，以21MPa液壓作20次循環（0→21MPa→0），各封嚴處不允許泄漏；在常溫下放置6h，氮氣壓力不允許下降，但允許升高0.3MPa。

2.4 產品生產流程及檢查要求

蓄壓器膠囊生產流程如圖4所示，蓄壓器交付前的試驗檢查項目見表1。

3 故障樹分析

以膠囊開裂為頂事件建立故障樹，如圖5所示，并對故障件底事件逐一進行排查。

1）原材料不合格

故障件用的原材料為試5171，材料批次及復驗情況見表2。試5171膠料采購自合格供方凱迪西北橡膠有限公司，按GJB250A-96標準經復驗合格后投入生產使用，試驗數據見表3。

從故障件取樣進行紅外光譜分析，譜圖顯示故障件材料為試5171材料。

復查本批膠囊的交付情況，共生產 148件，除交付本廠的41件外，還交付中航天水40件、貴飛公司30件，武漢龍翔37件，目前均無不良信息反饋。因此，原材料不合格的因素可排除。

2）工藝規程更改

膠囊工藝自編制以來，于2015年9月進行了一次更改，更改內容只是細化了操作過程。對涉及產品性能的硫化三要素，即硫化溫度、硫化時間、硫化壓力等均無更改變動。因此，工藝規程更改的因素可排除。

3）膠囊模具變更

5700/J7II-122模具與工藝規程相符，膠囊自制造之日起一直用此模具生產，不存在工裝變更的情況。因此，模具變更的因素可排除。

4）膠囊尺寸超差

膠囊硫化后首件產品進行尺寸測量，合格后才投入生產。工裝每次使用后均有首末件檢驗工序，未出現異常情況。因此，膠囊尺寸超差的因素可排除。

5）膠囊試驗不合格

成品檢驗時還對產品進行了外觀和氣密性檢查，檢查結果均符合工藝規程和膠囊技術條件要求，并進行了高低溫試驗，本批次膠囊高低溫試驗符合《液壓附件高低溫試驗技術條件》要求。因此，膠囊試驗不合格的因素可排除。

6）膠囊內部雜質

工藝規程要求：混煉膠以0.3～0.5mm薄通4～6次，薄片卷成圓柱Φ90mm……毛料必須放置于干凈的帶蓋密閉容器中保存備用，取用時應確認坯料無多余物方可裝入模具加料室。

由于薄通的膠料厚度較薄，如果有超過0.5mm的雜質，會在薄通過程中被排除。生產過程中，每模零件出模后均用風槍吹干凈模具型腔表面，避免熟料混放于零件中。同時進行了失效分析，分別對膠囊外表面孔洞以及完好位置進行能譜分析，結果顯示，孔洞和完好位置的元素種類基本一致，且含量相近。因此，膠囊內部雜質因素可排除。

7）膠囊生產過程不符合

復查本批膠囊的生產過程記錄卡片，各工序符合工藝規程要求（見表4）。從故障件取樣進行硬度測試，5個樣本的硬度均在合格范圍內（見表5）。因此，膠囊生產過程不符工藝要求及故障件硬度不合格的因素可排除。

8）膠囊周轉、運輸造成磨損

膠囊驗收合格后會存放于成品庫房中等待裝箱發貨。查看成品庫房膠囊的擺放情況，發現膠囊發貨前是用牛皮紙包裝后裝入塑料袋中存放的，發貨時才放入小紙箱內，隨后裝入木箱中打包發貨。膠囊在存放過程中有可能接觸到木箱等粗糙物，木箱加強筋部位有可能會對膠囊的表面造成擦傷磨損。因此，膠囊因周轉、運輸造成磨損的因素不可排除。

9）膠囊裝配過程造成磨損

產品裝配前，操作者與檢驗員均會對蓄壓器外殼內壁表面質量和膠囊外觀進行重點檢查，確定外殼內壁與開口處無毛刺和其他缺陷、膠囊內外無附著多余物后才進行裝配（見圖6）。裝配膠囊前，按照《液壓蓄壓器修理工藝規程》中的裝配要求，在外殼內表面涂一層YH-15航空液壓油后，將膠囊塞入外殼內，整個裝配過程中膠囊未受到磨損。分解產品后，對蓄壓器外殼內部的液體進行過濾，并用干凈的洗滌油對外殼和膠囊進行沖洗過濾，未發現多余物。同時檢查外殼內壁表面與開口處表面質量，均無毛刺和其他缺陷。因此，膠囊裝配過程中受到磨損因素可排除。

10）殼體內表面粗糙度造成磨損

嚴格按照工藝規程中的修理技術要求對蓄壓器外殼進行修理，清洗后檢查外殼內壁無腐蝕，對外殼的內壁和外表面均進行表面處理。產品分解后，經操作者、檢驗員、技術員檢查，外殼內壁與開口處均無毛刺，殼體內表面粗糙度滿足要求，不會對膠囊造成損傷。因此，殼體內表面粗糙度磨損因素可排除。

11）膠囊使用過程損傷

膠囊返廠后，對蓄壓器進行分解檢查，外殼內部液體經過紗布過濾后未發現多余物；用干凈的洗滌汽油對外殼和膠囊進行沖洗過濾，未發現多余物。因此，蓄壓器使用過程中因多余物造成膠囊的損傷因素可排除。同時，產品進行的各項試驗均是嚴格按照《液壓蓄壓器修理工藝規程》中要求的壓力值進行的，因此，蓄壓器使用過程中壓力過大對膠囊造成損傷的因素可排除。

經過對上述底事件的分析，結合產品外場使用情況以及廠內分析結果，判定不能排除的底事件是膠囊周轉、運輸造成磨損因素。

4 故障機理及原因分析

失效分析報告中指出，故障源區的側表面可見多余微裂紋及大量的孔洞，微裂紋和孔洞的附近可見明顯的磨損痕跡（見圖7、圖8），膠囊開裂主要與其外表面局部存在較大磨損有關。

根據膠囊工作情況分析，膠囊上部（分模面接近口部為膠囊上部）受氮氣作用與金屬殼體貼合，膠囊下部受液壓油作用為工作區域。根據壓力的不同，膠囊下部側壁部位反復發生不同程度的變形和彎折，因此膠囊下部側壁部位是工況最嚴酷的位置。從圖9可看出，故障發生在此區域內，即U字裂紋底端面凸起部位為裂紋的源區。

根據故障樹對故障原因的排查，膠囊在周轉、運輸過程中可能存在膠囊工作位置外表面的磨損。周轉、運輸過程中因防護不到位造成的膠囊擦傷，如果擦傷位置正好在膠囊下部側壁工況最嚴酷的位置，將引起橡膠表層出現磨損，磨損后的橡膠表層脫落后會出現部分孔洞，孔洞在摩擦作用下進一步擴展，串聯形成微裂紋。當膠囊工作時，微裂紋在循環應力的作用下擴展、延伸，最終貫穿表面造成膠囊破裂，使外部的液壓油進入內腔，導致液壓系統工作不正常。

綜合以上分析，膠囊開裂的原因是產品在周轉、運輸過程中因防護不到位造成膠囊下部側壁工況最嚴酷的位置出現擦傷磨損，磨損后橡膠表層孔洞串聯成微裂紋，經多次擠壓變形，進一步擴展形成穿透性裂紋，引起膠囊開裂。

5 改進措施

1）加強產品周轉的防護，將膠囊的塑料袋包裝改為專用周轉箱存放，每層擺放15個，可擺放3層。

2）加強使用現場產品的防護，及時裝配，避免產品周轉過程中膠囊出現擦碰磨損。