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        A319 A320飛機主輪轂聯(lián)接螺栓疲勞斷裂力學(xué)分析

        2020-05-09 10:22:18楊先學(xué)姚一楠
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2020年1期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        楊先學(xué) 姚一楠

        摘 ? 要:國內(nèi)A319/A320飛機用戶或維修單位,不時發(fā)現(xiàn)有主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中發(fā)生斷裂。針對A319/A320飛機主輪轂聯(lián)接螺栓疲勞斷裂,根據(jù)載荷、應(yīng)力在構(gòu)件疲勞裂紋萌生和擴展階段的影響機制,對聯(lián)接螺栓進行載荷分析,提出A319/A320飛機主輪轂聯(lián)接螺栓設(shè)計改進和使用維護建議,減少主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中斷裂。

        關(guān)鍵詞:輪轂 ?螺栓 ?疲勞斷裂 ?裂紋

        中圖分類號:V226 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2020)01(a)-0097-02

        國內(nèi)A319/A320飛機用戶或維修單位,不時發(fā)現(xiàn)有主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中發(fā)生斷裂。聯(lián)接螺栓斷裂可能損傷機輪本體、與機輪配套的剎車零部件,可能導(dǎo)致?lián)p傷的機輪和剎車報廢。斷裂的螺栓及損傷脫落的零件可能會損傷飛機其它零部件。主輪轂聯(lián)接螺栓斷裂可能影響航班正常和飛行安全。根據(jù)空客公司和賽峰起落架系統(tǒng)公司(SAFRAN LANDING SYSTEMS)資料,全球A319/A320飛機用戶也時有報告主輪轂聯(lián)接螺栓斷裂。

        聯(lián)接螺栓斷裂位置均位于螺紋區(qū)域的螺紋底部或螺栓頭下倒圓區(qū)域,為螺栓受力最大或應(yīng)力集中區(qū)域。對斷裂螺栓進行失效分析,表明大多數(shù)A319/A320主輪轂聯(lián)接螺栓斷裂為疲勞斷裂。

        1 ?疲勞斷裂

        機械構(gòu)件或材料由于循環(huán)載荷或交變載荷作用所引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是受循環(huán)應(yīng)力、拉應(yīng)力和塑性應(yīng)變的共同作用而發(fā)生的。疲勞斷裂過程可分為三個階段:(1)裂紋萌生;(2)裂紋擴展;(3)失穩(wěn)斷裂。

        疲勞裂紋萌生有三種方式:滑移帶開裂、晶界或?qū)\晶界開裂、夾雜物或第二相與基體的界面開裂。在循環(huán)載荷的作用下,在構(gòu)件或材料的局部應(yīng)力集中或強度薄弱區(qū)域,分切應(yīng)力達到材料晶體的臨界切應(yīng)力時,晶體開始滑移,應(yīng)力去除后也不能恢復(fù)原位。在材料表面產(chǎn)生滑移線?;凭€隨循環(huán)次數(shù)增加形成滑移帶,發(fā)展成為持續(xù)滑移帶。持續(xù)滑移帶在表面加寬過程中,會形成擠出脊和侵入溝,引起應(yīng)力集中,產(chǎn)生疲勞裂紋。晶界結(jié)合力比晶體內(nèi)部弱,在低于晶體內(nèi)部滑移應(yīng)力下,在晶界上產(chǎn)生裂紋。夾雜物或第二相與基體的結(jié)合力較弱,其界面分離會產(chǎn)生裂紋。

        疲勞裂紋形成后能否擴展以及擴展的速度,可用裂紋尖端應(yīng)力強度因子K判斷。應(yīng)力強度因子K與幾何形狀因子、工作應(yīng)力、裂紋長度有關(guān)。裂紋不發(fā)生擴展的條件為:

        th

        式中:為應(yīng)力強度因子幅度,為最大應(yīng)力與最小應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)力強度因子的差值。th為疲勞裂紋擴展門檻值。應(yīng)力強度因子幅度超過疲勞裂紋擴展門檻值 ,裂紋則會擴展。應(yīng)力強度因子幅度th越大,疲勞裂紋擴展速率越快,即裂紋處最大應(yīng)力與最小應(yīng)力差值越大,疲勞裂紋擴展越快。

        2 ?A319/A320飛機主輪轂聯(lián)接螺栓疲勞斷裂的載荷因素

        A319/A320飛機有2個前輪和4個主輪(左右各有同軸的2個主輪)。機輪由輪胎和輪轂組成。輪胎裝在內(nèi)、外二個半輪轂之間,由聯(lián)接螺栓固定在一起。A319/A320飛機主輪轂共有18個聯(lián)接螺栓。

        飛機主輪轂聯(lián)接螺栓在使用中會承受三種拉伸載荷:(1)聯(lián)接螺栓和螺帽的擰緊力矩對螺栓產(chǎn)生的預(yù)拉伸載荷。(2)輪胎充氣壓力對聯(lián)接螺栓產(chǎn)生的拉伸載荷。(3)輪胎在飛機載荷作用下壓縮變形對聯(lián)接螺栓產(chǎn)生的拉伸載荷。輪胎的壓縮變形在圓周上的分布是不均勻的,輪胎與地面接觸點處壓縮變形最大,對鄰近的聯(lián)接螺栓產(chǎn)生的拉伸載荷最大。

        飛機主輪轂聯(lián)接螺栓在飛機滑行、起飛、空中、著陸、滑行、停止整個循環(huán)的不同階段承受的拉伸載荷是不同的。在飛機起飛前滑行階段,飛機載荷最大,主輪轂聯(lián)接螺栓承受預(yù)拉伸載荷和飛機載荷及充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷,此階段主輪轂聯(lián)接螺栓承受的拉伸載荷最大。在飛機空中階段,主輪轂聯(lián)接螺栓只承受預(yù)拉伸載荷和充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷,并且機輪不承受飛機載荷會使充氣壓力降低約4%[1],此階段其拉伸載荷最小。在飛機著陸瞬間,飛機機輪會承受沖擊載荷,此時主輪轂聯(lián)接螺栓承受預(yù)拉伸載荷和沖擊載荷及充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷。

        飛機主輪轂聯(lián)接螺栓在最大載荷的作用下在應(yīng)力集中區(qū)域或薄弱區(qū)域會萌生裂紋和加速裂紋的擴展。飛機主輪轂聯(lián)接螺栓的最大載荷為預(yù)拉伸載荷和飛機載荷及充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷之和的最大值。聯(lián)接螺栓的預(yù)拉伸載荷與擰緊力矩、聯(lián)接結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)和螺栓直徑有關(guān)。擰緊力矩越大,預(yù)拉伸載荷越大。擰緊力矩一定時,摩擦系數(shù)越小,預(yù)拉伸載荷越大。摩擦系數(shù)與材料、配合面、潤滑等有關(guān)。機輪充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷由圓周分布的聯(lián)接螺栓共同承受。對于A319/A320飛機主輪,由18個聯(lián)接螺栓承受充氣壓力產(chǎn)生的拉伸載荷。飛機載荷增加,機輪充氣壓力會增加,相應(yīng)的拉伸載荷也會增加。當聯(lián)接螺栓拉緊程度不一致時,會使得較緊的聯(lián)接螺栓承受更多的拉伸載荷。聯(lián)接螺栓承受的輪胎壓縮變形產(chǎn)生的拉伸載荷與飛機載荷、充氣壓力和螺栓相對地面位置有關(guān)。飛機載荷越大,聯(lián)接螺栓承受的拉伸載荷越大。同軸機輪輪胎壓力不一致時,輪胎壓力較高的機輪會承受更多的飛機載荷。相同的輪胎壓縮量,輪胎壓力高25%的機輪會多承受20%的飛機載荷[2]?;械?、跑道和飛機姿態(tài)等也會影響各個機輪承受的飛機載荷。在飛機重著陸時,飛機機輪會承受很大的沖擊載荷。

        A319/A320飛機有多個重量構(gòu)型,有不同的載荷和輪胎充氣壓力要求。同一主輪按隨機次序裝在不同構(gòu)型的飛機上,主輪轂聯(lián)接螺栓會承受隨機變幅載荷,可能加速或遲緩裂紋的萌生和擴展。

        3 ?A319/A320飛機主輪轂聯(lián)接螺栓設(shè)計和維護建議

        在A319/A320飛機主輪轂聯(lián)接螺栓設(shè)計方面,聯(lián)接螺栓尺寸受制于輪轂結(jié)構(gòu)尺寸,可考慮聯(lián)接螺栓材料性能。采用具有更高屈服強度的材料,減少或延緩疲勞裂紋的萌生。采用具有更高疲勞裂紋擴展門檻值th的材料,延長疲勞裂紋擴展時間,使疲勞裂紋擴展時間大于每次機輪使用時間,在機輪修理時,只要檢測出裂紋予以更換,就不會發(fā)生聯(lián)接螺栓在使用中斷裂。

        在A319/A320飛機主輪轂車間維護方面,主要在于聯(lián)接螺栓的檢查、潤滑和組裝。每次輪轂修理時,重點檢查聯(lián)接螺栓的應(yīng)力集中區(qū)域:螺栓頭下倒圓區(qū)域和螺紋區(qū)域,檢查有無會導(dǎo)致應(yīng)力集中的損傷和腐蝕等,減少疲勞裂紋的萌生。無損探傷檢查聯(lián)接螺栓的疲勞裂紋。檢查聯(lián)接螺栓和螺帽的自鎖性能,確保滿足要求。對聯(lián)接螺栓和螺帽螺紋區(qū)域進行均勻潤滑,確保主輪轂中每個聯(lián)接螺栓在相同的擰緊力矩下預(yù)拉伸載荷一致。在擰緊主輪轂聯(lián)接螺栓和螺帽時,采用十字交叉順序進行,確保主輪轂每個聯(lián)接螺栓拉緊程度一致,均勻承受輪胎壓力,避免個別螺栓承受過大載荷。過大的擰緊力矩會產(chǎn)生過大的預(yù)拉伸載荷,可能使聯(lián)接螺栓損傷或裂紋。若聯(lián)接螺栓和螺帽最終擰緊力矩大于規(guī)定值10%[3],應(yīng)報廢聯(lián)接螺栓和螺帽。

        在A319/A320飛機主輪航線維護方面,應(yīng)檢查和確保同軸機輪的輪胎壓力差異不大于5%[2],避免輪胎壓力較大的機輪承受過大的載荷,防止相應(yīng)的機輪聯(lián)接螺栓承受過大的載荷。針對A319/A320飛機不同重量構(gòu)型,可規(guī)定、標記和使用與重量構(gòu)型相對應(yīng)的機輪,避免同一機輪用于不同重量構(gòu)型的飛機造成機輪聯(lián)接螺栓的應(yīng)力幅增加。

        參考文獻

        [1] A319/A320飛機維護手冊AMM[Z].2019.

        [2] 米其林公司輪胎手冊CSM32-45-01/RE[Z].2016.

        [3] 賽峰公司標準施工手冊SPM32-09-01/R28[Z].2017.

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