某型機載懸掛發射裝置氣管斷裂問題分析

王華清 胡劍鋒 朱海磊/空軍裝備部駐鄭州地區軍事代表室

0 引言

某型機載懸掛發射裝置由骨架組件、提升機構、懸掛機構、止動機構、電氣控制系統及氣路組件等組成。產品氣路組件由充氣管路、電磁閥、放氣閥等組成，作為高壓氣體的一段過路管路，作用是在氣路系統壓力不足時，打開二級掛架控制電磁閥，將高壓氣體輸送至二級掛架的氣路系統，實現對二級掛架氣路系統的補氣功能。

1 故障描述

在完成三個方向的振動試驗后，發現產品氣路上接口管接頭與氣管焊接區域端部熱影響區部位斷裂，如圖1 所示。對氣管進行斷口分析，裂紋擴展區為典型的疲勞斷裂微觀斷口形貌，裂紋易在此處萌生。氣管出現斷裂將無法實現對氣路系統的補氣功能，雖然氣路系統上接口處設有單向閥可避免該故障造成高壓氣體泄漏，但仍會對產品功能造成影響。

2 故障分析

該氣管兩端焊有管路接頭，一端固定在產品氣路組件的安裝座上，另一端與上氣路接口對接固定。針對振動試驗中氣管斷裂問題，分解故障件，從產品結構、安裝固定方式、受力形式等方面進行綜合分析。

1）該管路結構安裝后沒有補償能力，對附加應力相對敏感，氣管兩端接口及工裝模擬接口尺寸均存在尺寸偏差，在氣管對接固定后對氣管產生附加應力，且管路結構不具備足夠的撓度和補償量，無法消除接口尺寸偏差累積帶來的附加應力，易導致氣管疲勞斷裂。工裝接口在氣管對接后垂向位置相對于理論正確位置有偏差，與機上實際情況不符，從而給產品氣管額外增加垂向方向的附加應力。試驗工裝的懸臂結構在振動環境下穩定性較差，在振動時易對產品氣管產生側向方向的附加應力。

2）產品與機上氣路接口未處于同軸狀態，在軸向存在3°夾角，對接時需在航向扭轉3°方可與工裝上的氣路模擬接口正常對接，導致對接后存在附加應力，而產品氣管結構設計未考慮到空間尺寸安裝固定后的撓度補償。

3）氣管組件實物接口尺寸存在偏差，在裝配過程中進行空間尺寸校準時可能已在焊縫處產生了疲勞斷裂。由于工裝上的機上氣路模擬接口結構設計不合理、接口尺寸不協調，導致產品氣管在安裝對接初始即有較大的內應力。

在振動試驗交變應力疊加影響下，最終造成氣管焊接部位疲勞斷裂。

對產品試驗件采用新制的氣管與上接口工裝進行對接驗證。工裝模擬氣路接口無垂向限位，可上下自由移動，與產品氣路接口存在不同軸現象，需旋轉下移，且產品氣路接頭需同時向左側扭轉方可完成對接。若將產品氣路接口與工裝模擬氣路接口強制對接，并在工裝模擬氣路接口上部加裝背帽進行擰緊防松，會出現氣管扭轉，對接后狀態如圖2 所示。

3 改進措施及驗證情況

3.1 改進措施

1）在氣管中部增加螺旋部分，提高氣管的撓度和自適應補償能力，對組件A、B、C 進行優化。在氣管中部增加螺旋部分，將放氣閥安裝座安裝位置向骨架內側偏移、兩點固定改為三點固定，組件C 在骨架近端處增設減振卡箍；改進電磁閥安裝支架結構，將電磁閥單側懸臂固定改為雙側支撐固定。組件B在螺旋段增設墊有減振墊的支撐。優化后的氣管結構應力大幅度減小，如圖3所示。

2）改進上接口工裝氣路模擬接口的結構設計，保證接口尺寸與接口協調圖一致。將活動形式的懸臂軸接口嚴格按機上結構及接口尺寸要求更改為固定形式的接口，將模擬氣路接口安裝接頭下移，減小懸臂長度，并修正模擬氣路接口軸向角度，確保理論上與產品氣路接口軸向方向同軸。

3.2 仿真分析與試驗驗證

圖1 氣管斷裂情況

圖2 氣管出現扭轉

對氣路組件改進情況進行振動應力仿真分析，仿真結果表明氣管結構按改進方案優化后應力情況有較為顯著的改善（見圖4）。仿真分析發現，應力最大點處于組件A 在Z向耐久振動時，為30.9MPa，遠小于熱影響區許用應力。最小的振動應力減小比例出現在組件A 在X向耐久振動時，應力值減小至改進前的19.6%；最大的振動應力減小比例出現在組件C 在Y向耐久振動時，證明了改進后氣管組件振動應力相比改進前狀態大幅減小，改進效果顯著。

將上接口工裝改進措施落實到工裝實物后，使用優化后狀態的C 組件對試驗件進行振動試驗，試驗后檢查C 組件結構完好，氣密檢查合格，初步驗證上接口工裝改進方案有效。完成對產品氣管組件中部增加螺旋段的貫改工作后，使用改進后的上接口工裝繼續進行振動試驗，并在試驗過程中對安裝座處的振動響應進行實時監測。

3.3 數據監測

根據試驗過程中振動響應的監測數據，發現前期振動過程中安裝座處的振動響應遠高于產品振動控制輸入值，放大效應明顯。產品按改進方案進行貫改后，放氣閥安裝座處的振動響應值有較大幅度的減小。振動過程中從氣路上接口對二級掛架進行充氣，二級掛架氣路系統充氣壓力達35MPa 以上，可正常實現對二級掛架的充氣功能。試驗結束后對產品進行檢查，氣管組件結構完好，氣密檢查合格，進一步驗證了糾正措施的有效性。

圖3 氣路組件摸底驗證狀態

圖4 組件仿真應力云圖

4 結論

針對振動試驗氣管斷裂故障，通過改進產品充氣管路結構、放氣閥安裝座、氣管組件的安裝支撐方式，優化工裝氣路模擬接口的結構設計，實現了產品氣路組件振動響應的減小，提高了氣路組件的抗振能力，并已通過振動試驗考核，其力學性能能夠滿足產品要求。改進方案的糾正措施經仿真理論分析計算，其振動應力較改進前大幅減小，試驗過程中產品充氣功能正常，試驗后氣密性檢查合格，驗證了糾正措施的有效性。