孫 沖

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，景德鎮(zhèn) 333000）

某型直升機(jī)在日常檢查中發(fā)現(xiàn)連接尾槳助力器的操縱拉桿上有縱向裂紋故障，具體表現(xiàn)為：裂紋位于操縱拉桿靠近尾槳助力器一端的端套表面，沿拉桿軸向分布，長約18cm，且可見裂紋已貫穿端套厚度方向，裂紋張口明顯，端套內(nèi)表面有腐蝕特征。

1 操縱拉桿產(chǎn)品簡介及制造工藝

1.1 操縱拉桿產(chǎn)品簡介

直升機(jī)操縱系統(tǒng)拉桿分為3類:固定拉桿、半可調(diào)拉桿和可調(diào)拉桿。固定拉桿的長度按圖紙給定而無需調(diào)節(jié)；半可調(diào)拉桿的長度是在直升機(jī)上初始安裝時可調(diào)整，后續(xù)按需調(diào)整；可調(diào)拉桿的長度在使用維護(hù)過程中需要多次調(diào)整。固定拉桿用白色熱收縮套管包覆封固，半可調(diào)拉桿用黑色熱收縮套管包覆封固，可調(diào)拉桿沒有封套。故障操縱拉桿屬于可調(diào)拉桿，其主要由兩端收口的拉桿體、端套、鎖緊墊圈、螺母、帶柄軸承組成。操縱拉桿組成如圖1所示。

圖1 操縱拉桿組成

1.2 操縱拉桿制造工藝

操縱拉桿大多數(shù)為鋁制拉桿，且為減少帶柄軸承的直徑尺寸和重量，一般對拉桿體兩端進(jìn)行收口處理。其典型的加工工藝流程如圖2所示。

圖2 操縱拉桿的典型加工工藝流程

從工藝流程可知，操縱拉桿是鋁合金管料經(jīng)兩端收口后，在收口端通過特殊的脹形工藝裝配端套，然后加工端頭內(nèi)螺紋，裝配鎖緊墊片、螺母及帶柄軸承，在直升機(jī)上則根據(jù)安裝需要調(diào)整至合適長度后將鎖緊墊片折彎并擰緊螺母固定。

2 故障定位

首先，將故障操縱拉桿裂紋打開，觀察斷口形貌，整個斷口呈灰色，局部黑灰色，無金屬光澤，斷口平直，宏觀呈脆性開裂特征，與零件成型時脹形產(chǎn)生的應(yīng)力方向垂直，如圖3所示。將斷口超聲波清洗后用電子顯微鏡觀察，斷口裂紋區(qū)表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，泥紋花樣清晰可見，能譜分析表明，覆蓋物主要含O、Cl、Na、S等元素。截取零件裂透處橫剖面磨制金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，金相組織正常，未見熱處理過燒等缺陷。從裂紋形貌及特征判斷，故障操縱拉桿裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕。

圖3 斷口宏觀形貌

3 故障原因分析

應(yīng)力腐蝕是指金屬材料或結(jié)構(gòu)在靜載拉應(yīng)力與一定的腐蝕環(huán)境作用下所發(fā)生的脆性破裂。因此，發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要具備3個條件:應(yīng)力腐蝕敏感金屬、特定的腐蝕介質(zhì)，以及一定的拉應(yīng)力。

結(jié)合圖2進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)，收口拉桿與端套的連接采用的是脹形法，其利用尖劈原理，使收口管端材料在徑向壓力的作用下進(jìn)入端套的溝槽中，即端套內(nèi)徑上有一條凹槽，對收口拉桿用芯棒進(jìn)行擠壓，使管壁材料填充凹槽，如圖4所示，因此，脹形工序?qū)Χ颂状嬖谝欢ㄑ刂芟虻睦瓚?yīng)力。其次，故障操縱拉桿裂紋端套材料為LY12CZ，該材料具備較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性，且對潮濕大氣、海水等介質(zhì)較為敏感。通過對該故障操縱拉桿的使用環(huán)境進(jìn)行檢查并對比分析直升機(jī)的服役環(huán)境可以發(fā)現(xiàn)，其裂紋端因無整流罩保護(hù)，長期暴露在惡劣的使用環(huán)境中，一旦端套漆層損壞，就會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖4 收口拉桿脹形工序示意

4 改進(jìn)措施討論

針對發(fā)生應(yīng)力腐蝕的3個條件，即應(yīng)力腐蝕敏感性的金屬、特定的腐蝕介質(zhì)和一定的拉應(yīng)力，提出不同的改進(jìn)措施并進(jìn)行相應(yīng)的可行性分析。

4.1 改進(jìn)拉桿材料

更改操縱拉桿端套材料，選用抗應(yīng)力腐蝕性能好的金屬材料。應(yīng)力腐蝕裂紋只在對腐蝕介質(zhì)敏感的合金中發(fā)生，每種合金的應(yīng)力腐蝕介質(zhì)只是對某些特定的介質(zhì)敏感，如表1所示。

表1 主要合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境

從表1可知，大部分工程設(shè)計中常用的金屬材料對海洋環(huán)境或潮濕空氣的腐蝕敏感性均較高，直升機(jī)使用的分布地域廣，使用環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)的材料設(shè)計更改不能避開所有敏感的使用環(huán)境，因此該更改方案不適宜。

4.2 改進(jìn)拉桿使用環(huán)境

控制使用環(huán)境，采用熱收縮套管包覆封固，改善拉桿的使用條件。故障操縱拉桿裂紋端頭無整流罩，在使用過程中要承受旋翼氣流、風(fēng)沙、雨水等惡劣環(huán)境的影響，表面防護(hù)容易受到破壞。熱收縮套管在一定程度上可以隔離腐蝕介質(zhì)，但不能從根本上解決問題，且一旦出現(xiàn)裂紋故障，不易被維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)。另外一方面，該拉桿為可調(diào)拉桿，其長度在使用維護(hù)過程中需要多次調(diào)整，為方便維護(hù)一般不采用收縮套封固。

4.3 改變拉桿形態(tài)

采用不帶端套的收口拉桿本體，取消原操縱拉桿兩頭的端套。重新設(shè)計與原機(jī)材料規(guī)格相同的不帶端套的拉桿體，更改拉桿縮口及端頭尺寸，并同步開展工藝方案及試驗方案的設(shè)計，最終形成成熟工藝及相應(yīng)驗收標(biāo)準(zhǔn)。收口拉桿和操縱拉桿更改前后示意圖如圖5、圖6所示。由于該方式徹底消除了應(yīng)力源，且在收口拉桿工藝上已有成熟的積累，開展不同規(guī)格的拉桿收口工藝可行性較高，可以解決裂紋故障。

圖5 收口拉桿更改示意圖

5 結(jié)束語

隨著我國低空領(lǐng)域的逐步開放，飛行器數(shù)量將大幅度增加，其效能能否得到充分發(fā)揮，在很大程度上取決于使用壽命和可靠性。大量的調(diào)研和跟蹤檢查結(jié)果表明，現(xiàn)役機(jī)種都出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，一些重要部位或關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕損傷。因此，應(yīng)力腐蝕和疲勞一樣，是導(dǎo)致飛行器發(fā)生災(zāi)難性事故的重要原因，將給飛行安全和經(jīng)濟(jì)修理造成嚴(yán)重后果。應(yīng)力腐蝕問題已經(jīng)成為嚴(yán)重影響和制約飛行器安全使用、正常維護(hù)和修理的最重要因素。

為了減少應(yīng)力腐蝕發(fā)生概率，提高可靠性，在產(chǎn)品設(shè)計時就該采取一些針對的預(yù)防性措施:

圖6 操縱拉桿更改示意圖

（1）應(yīng)力抑制，降低拉應(yīng)力，減少金屬材料的應(yīng)力腐蝕敏感性；

（2）材料抑制，選取耐應(yīng)力腐蝕金屬材料，金屬材料的屈服強(qiáng)度越高，敏感性越低；

（3）腐蝕抑制，采取良好的表面防護(hù)措施。