黨井衛(wèi), 汪趙宏, 傅宇銘

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410200）

0 引 言

某型飛機(jī)用緩沖蓄壓器研仿蘇聯(lián)某型飛機(jī)產(chǎn)品，研仿時(shí)，由于缺乏技術(shù)數(shù)據(jù)并受試驗(yàn)條件限制，未進(jìn)行充分的鑒定試驗(yàn)。該產(chǎn)品安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)架撐桿內(nèi)，其所處的環(huán)境較為復(fù)雜，受振動(dòng)、高（低）溫、壓力脈沖的綜合作用，而現(xiàn)有技術(shù)條件規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目，并不能綜合考核產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，蓄壓器安裝剖面最高溫度可達(dá)107.7 ℃，即使產(chǎn)品在符合圖樣、技術(shù)狀態(tài)及各項(xiàng)試驗(yàn)合格的條件下，裝機(jī)后卻頻現(xiàn)橡膠膜片開裂的問題。

針對(duì)緩沖蓄壓器膜片開裂問題，筆者對(duì)產(chǎn)品材料，以及加工、裝配和試驗(yàn)等工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行了多次復(fù)查，均未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定問題，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)狀態(tài)也未發(fā)生變化。經(jīng)研究和討論，確定通過設(shè)計(jì)新型試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)模擬該產(chǎn)品的真實(shí)使用環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)，通過綜合分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境條件和失效模式，認(rèn)定該橡膠膜片存在固有的設(shè)計(jì)缺陷，無法滿足使用條件要求，故需重新研制新型膜片，通過對(duì)橡膠膜片進(jìn)行仿真分析，選取3組不同加工工藝的橡膠膜片進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，有效解決了該故障，并在其它類似故障中成功應(yīng)用。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

緩沖蓄壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該產(chǎn)品主要由液壓管路接頭、上端蓋、橡膠膜片、螺栓、下端蓋、充氣活門等組成，橡膠膜片通過上端蓋及下端蓋壓緊，可將油液與氣體隔離，并通過27個(gè)圓周均布的螺栓固定，形成兩個(gè)容積各約為180 mL的容腔，其上端蓋通過液壓管路接頭連接液壓泵，下端蓋連接充氣活門，用于充入所需的氮?dú)狻?/p>

圖1 緩沖蓄壓器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

如圖1所示，該緩沖蓄壓器在使用過程中，氣壓腔通過氮?dú)馄砍淙? MPa的氣壓，用于緩沖壓力脈動(dòng)，液壓腔通過管路接頭連接液壓泵機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛機(jī)液壓泵工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生15.2 MPa左右的壓力脈動(dòng)，油液通過管路接頭進(jìn)入上腔，由于橡膠膜片和下腔氮?dú)獾木彌_作用，可以快速吸收該壓力脈動(dòng)，從而起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用。

1.3 故障分析

該產(chǎn)品的橡膠膜片開裂常見情況如圖2所示，可以很明顯看到在膜片周邊有裂口出現(xiàn)，并且膜片老化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通過對(duì)多個(gè)不同批次出現(xiàn)開裂故障的膜片膠料進(jìn)行復(fù)查，復(fù)驗(yàn)結(jié)果均為合格，膜片成型工藝控制和質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范要求，蓄壓器裝配工藝和出廠試驗(yàn)要求也未發(fā)生變化。通過失效分析，得知橡膠膜片使用后硬度增加，膜片開裂起源于氣腔一側(cè)表面，由于膠料老化、疲勞造成開裂。

圖2 橡膠膜片開裂常見情況

經(jīng)實(shí)測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)蓄壓器所處剖面實(shí)測(cè)最高溫度可達(dá)107.7 ℃，使用前后的緩沖蓄壓器如圖3、圖4所示，對(duì)比可明顯看出使用后的蓄壓器標(biāo)牌脫落，色澤變化明顯，該現(xiàn)象是由于經(jīng)受高溫原因所致。而緩沖蓄壓器技術(shù)條件中規(guī)定的工作溫度范圍為-45～+60 ℃，廠內(nèi)驗(yàn)收試驗(yàn)及每年的例行試驗(yàn)均按此溫度范圍進(jìn)行。因此，緩沖蓄壓器原設(shè)計(jì)輸入條件無法滿足使用環(huán)境要求。

該緩沖蓄壓器橡膠膜片的材料為丁腈橡膠，按材料規(guī)范，雖然可在高于100 ℃條件下間斷工作，但由于橡膠膜片屬于受力復(fù)雜的特殊密封件，受熱后容易老化失效，由此分析可得出膜片受熱老化是造成開裂的主要原因。

圖3 新安裝的蓄壓器

圖4 使用后的蓄壓器

1.4 方案確定

通過故障分析得知膜片開裂問題的原因所在，因此需根據(jù)該產(chǎn)品工作原理，設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)，通過模擬其真實(shí)使用環(huán)境，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，并通過仿真分析選取不同工藝的膜片進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行膜片優(yōu)化選型。

通過該產(chǎn)品首翻期的起落次數(shù)，折算首翻期工作循環(huán)總次數(shù)為21 164次，如表1所示，試驗(yàn)分4個(gè)階段進(jìn)行，各階段試驗(yàn)分別在高溫、常溫和低溫條件下進(jìn)行，高溫循環(huán)次數(shù)占總循環(huán)次數(shù)比例50%，常溫占比40%，低溫占比10%。試驗(yàn)中橡膠膜片是否開裂需可通過氣腔、液腔壓力變化情況進(jìn)行判斷。

表1 試驗(yàn)循環(huán)表

2 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)需真實(shí)模擬所需環(huán)境溫度，并且能夠真實(shí)模擬壓力脈動(dòng)情況，基于此，該試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理如圖5所示，試驗(yàn)中所需系統(tǒng)壓力、流量由廠內(nèi)高溫清洗車（方框A）提供，可提供0～22 MPa的壓力，流量4 ～32 L/min連續(xù) 可調(diào)，試驗(yàn)件所需環(huán)境溫度由廠內(nèi)三綜合環(huán)境試驗(yàn)箱 提供，可提供-70 ～+150 ℃的溫度范圍。方框B中通過電磁換向閥、兩個(gè)作動(dòng)缸等提供升壓、泄壓的循環(huán)，試驗(yàn)中可同時(shí)對(duì)兩件產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，交替供/泄壓；壓力、溫度傳感器分別通過四通接頭置于被試件兩腔，實(shí)時(shí)監(jiān)控被試件狀態(tài)；壓力、溫度傳感器數(shù)值通過Dewesoft的8通道采集器進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)顯示壓力、溫度參數(shù)及曲線等。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

3 膜片選型

根據(jù)上述真實(shí)的試驗(yàn)條件進(jìn)行有限元分析，如圖6所示，將產(chǎn)品簡(jiǎn)化模擬為通過上表面及下表面形成的空腔模型，導(dǎo)入abaqus軟件中，將下表面約束固定，于上表面施加15.2 MPa的壓力，如圖7所示，其仿真結(jié)果如圖8所示，可知其薄弱位置在邊緣處，中間位置有輕微變形。

據(jù)此仿真結(jié)果，制定了3種方案的膜片：方案1為丁腈橡膠(NBR)配方加單向尼龍骨架布置模型；方案2為丁腈橡膠(NBR)配方加雙向尼龍骨架布置模型，其中各向骨架間角度為90°；方案3為丁腈橡膠(NBR)配方加四向尼龍骨架布置模型，其中各向間角度為45°，如圖9所示，其中每組方案各選取兩個(gè)膜片。

圖6 模型簡(jiǎn)化示意圖

圖7 約束及施加方式示意圖

圖8 仿真結(jié)果

圖9 尼龍骨架布置模型示意圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)中每次選取兩個(gè)試驗(yàn)件交替進(jìn)行工作循環(huán)試驗(yàn)，以防止偶然誤差，試驗(yàn)件安裝方式如圖10所示，按表1內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)，將兩件蓄壓器充壓至6 MPa壓力，每次工作循環(huán)通過加壓作動(dòng)筒給試驗(yàn)件液腔加壓至15.2 MPa，待試驗(yàn)件油、氣腔壓力平衡并保持一定時(shí)間后泄壓至0（此過程總時(shí)間為（15±5）s）。然后在卸壓狀態(tài)保持（15±5）s，再進(jìn)行下一次工作循環(huán)。試驗(yàn)過程中隨時(shí)記錄試驗(yàn)箱內(nèi)溫度、試驗(yàn)件液腔和氣腔的溫度、壓力。

首先選取原膠料膜片（丁晴橡膠）進(jìn)行試驗(yàn)，在第一階段高溫充泄壓工作試驗(yàn)進(jìn)行了1032次后，采集儀顯示試驗(yàn)件在卸壓狀態(tài)下液壓腔和氣壓腔壓力相 等 (4.7 MPa)，分解發(fā)現(xiàn)兩件橡膠膜片周邊損傷穿透，故障復(fù)現(xiàn)。

圖10 試驗(yàn)件安裝方式

方案1在進(jìn)行了7409次充卸壓工作試驗(yàn)（其中第一階段高溫2646次，常溫2117次，第二階段高溫2646次）后，采集儀顯示氣腔壓力值在卸壓狀態(tài)下接近于0 MPa，分解發(fā)現(xiàn)兩件膠料膜片損傷穿透。

方案2在進(jìn)行了19 581次充泄壓工作試驗(yàn)（即4個(gè)階段高溫、常溫及1個(gè)階段低溫）后，采集儀顯示氣腔壓力值在卸壓狀態(tài)下接近于1.03 MPa左右，分解目視膜片無損傷，但膜片表面皺褶變形嚴(yán)重。

方案3在進(jìn)行了4個(gè)階段全部試驗(yàn)后，采集儀顯示氣腔壓力值無異常情況，分解目視膜片無損傷，未發(fā)現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果良好，其通過Dewesoft采集器處理后的典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11～圖13所示。

圖13 第二階段低溫條件下氣腔壓力變化情況

圖11 第二階段高溫條件下氣腔壓力變化情況

圖12 第二階段常溫條件下氣腔壓力變化情況

5 結(jié) 論

1）從方案1、方案2及方案3對(duì)比得知，橡膠膜片在相同使用環(huán)境、使用條件及相同材料配方的情況下，雙向尼龍骨架布置模型要優(yōu)于單向尼龍骨架布置模型，而四向尼龍骨架布置模型要優(yōu)于前者。

2）橡膠膜片在相同使用環(huán)境、使用條件及相同材料配方的情況下，單向尼龍骨架布置模型無法耐受高溫；雙向尼龍骨架布置模型可以耐受高溫，但無法耐受低溫；四向尼龍骨架布置模型能夠適應(yīng)高、常、低溫使用環(huán)境。

3）橡膠膜片加四向尼龍骨架布置模型的結(jié)構(gòu)形式可在類似使用環(huán)境中應(yīng)用推廣。