田 浩 , 陳 榮 , 傅國(guó)如 , 李 權(quán)
(北京航空工程技術(shù)研究中心,北京 100076)
飛機(jī)液壓系統(tǒng)是以液壓油為工作介質(zhì),通過油壓來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),進(jìn)而完成飛機(jī)所需的特定操縱動(dòng)作。液壓系統(tǒng)中的導(dǎo)管是液壓油在液壓系統(tǒng)內(nèi)部有序流動(dòng)、實(shí)現(xiàn)特定操縱功能的重要保證。由于液壓導(dǎo)管距離長(zhǎng)、接頭多、形狀復(fù)雜,內(nèi)部液壓油壓力高、脈動(dòng)強(qiáng),外部振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜,導(dǎo)管在使用中斷裂和出現(xiàn)裂紋故障時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致液壓油泄露,相關(guān)操縱無(wú)法完成,嚴(yán)重影響飛行安全[1-5]。鉚釘作為一類重要的緊固件,其連接方式具有工藝簡(jiǎn)單、抗震、耐沖擊、傳力均勻、牢固可靠等優(yōu)點(diǎn),在飛機(jī)構(gòu)件上被廣泛使用。由于鉚釘主要受剪應(yīng)力,而不易受到扭轉(zhuǎn)載荷作用;因此,剪切過載斷裂是鉚釘主要的破壞形式,疲勞斷裂則不常見。鉚釘發(fā)生失效將導(dǎo)致被鉚接件的連接狀態(tài)發(fā)生變化,可能造成一連串嚴(yán)重后果[6-12]。
飛機(jī)在飛行過程中,同時(shí)發(fā)生一起液壓系統(tǒng)高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管裂紋及油濾支座固定鉚釘斷裂問題。高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管材料牌號(hào)為1Cr18Ni10Ti,規(guī)格為G16 mm×1.5 mm,強(qiáng)度要求≥550 MPa。油濾支座固定鉚釘材質(zhì)為L(zhǎng)Y10 鋁合金,直徑為4 mm。
通過對(duì)液壓系統(tǒng)高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管裂紋及油濾支座固定鉚釘斷裂進(jìn)行失效分析,確定兩者失效的原因和先后關(guān)系,提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。旨在防止類似故障重復(fù)發(fā)生,為液壓導(dǎo)管和緊固件的失效分析與預(yù)防研究提供具有工程價(jià)值的參考和依據(jù)。
1)高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管。
高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管一端與液壓泵連接,一端與高壓油濾連接,高壓油濾通過4 個(gè)螺釘固定在油濾支座上,油濾支座航前方向通過4 個(gè)鉚釘與前側(cè)垂尾承力桁條固定,中間通過8 個(gè)鉚釘與垂尾壁板固定,航后方向通過6 個(gè)鉚釘與后側(cè)垂尾承力桁條固定(圖1)。
圖1 高壓油濾部位各構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系Fig.1 Relative position relationship of components at high-pressure filter area
故障導(dǎo)管呈“Z”字形,裂紋位于導(dǎo)管高壓油濾端(圖2)。送檢時(shí)平管嘴不可從導(dǎo)管喇叭口處退出,從喇叭口部位檢查導(dǎo)管內(nèi)表面,在導(dǎo)管順航向方向右側(cè)可見明顯裂紋,沿順航向縱向切開導(dǎo)管,檢查導(dǎo)管外表面,導(dǎo)管順航向方向左右兩側(cè)(即橫向方向)外表面均存在多條裂紋,裂紋集中在導(dǎo)管對(duì)應(yīng)平管嘴根部位置至喇叭口方向2~4 mm,其中右側(cè)外表面開口最大的主裂紋呈臺(tái)階狀,由多條不同高度的裂紋相交形成的,已經(jīng)裂穿整個(gè)管壁。部分裂紋附近可見軸向磨損及黃褐色氧化痕跡(圖3),平管嘴內(nèi)表面可見相應(yīng)的磨損及黃褐色氧化痕跡。
圖2 進(jìn)油導(dǎo)管的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of oil inlet duct
人為打開導(dǎo)管主裂紋,在體視顯微鏡下觀察裂紋斷口宏觀形貌,斷口斷面灰亮、有金屬光澤,斷口上可見明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區(qū)。從弧線和放射棱線收斂的方向看,疲勞區(qū)從導(dǎo)管外表面多源線性起始,向兩側(cè)及導(dǎo)管厚度方向擴(kuò)展(圖4)。
實(shí)測(cè)導(dǎo)管外徑為16.1 mm,壁厚為1.5 mm,符合導(dǎo)管尺寸規(guī)格要求。
2)油濾支座固定鉚釘。
斷裂鉚釘為油濾支座航前方向與前側(cè)垂尾承力桁條固定的4 個(gè)鉚釘,拆卸前未注意標(biāo)注鉚釘殘段位置及與航向的位置關(guān)系。其中有2 個(gè)鉚釘墩頭及釘桿在拆解時(shí)被破壞,斷口表面被嚴(yán)重蹭傷,看不出原始形貌,另2 個(gè)鉚釘斷口形貌基本一致:斷口整體比較平坦,可見2 處明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區(qū),2 處疲勞區(qū)大致呈180°,從弧線和放射棱線收斂的方向看,2 處疲勞區(qū)均從鉚釘外表面線性起始(圖5)。
圖3 進(jìn)油導(dǎo)管表面形貌(其他微裂紋未標(biāo)識(shí))Fig.3 Macro morphology of surface of oil inlet duct
圖4 進(jìn)油導(dǎo)管主裂紋斷口形貌Fig.4 Macro morphology of main crack fracture surface of oil inlet duct
圖5 斷裂鉚釘?shù)湫蛿嗫诤暧^形貌Fig.5 Typical macro morphology of fracture surface of rivet
在掃描電鏡下觀察導(dǎo)管順航向方向(橫向)左右兩側(cè)外表面的微觀形貌,可見兩側(cè)表面均存在多條裂紋,部分裂紋附近可見明顯徑向磨損痕跡(圖6)。對(duì)導(dǎo)管主裂紋斷口進(jìn)行微觀觀察,形貌如圖7 所示,可見:疲勞區(qū)放射棱線收斂于導(dǎo)管外表面,疲勞裂紋從導(dǎo)管外表面多源線性起始;部分源區(qū)從表面溝槽缺陷部位起始,表面溝槽最深約10 μm;裂紋擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶;瞬斷區(qū)為韌窩特征。觀察導(dǎo)管主裂紋對(duì)應(yīng)側(cè)表面微觀形貌,裂紋附近也可見局部磨損痕跡,但裂紋并未從磨損部位處起始(圖7a),分析磨損痕跡可能是導(dǎo)管開裂后與平管嘴發(fā)生干涉造成的。
選取1 個(gè)典型的斷裂油濾支座固定鉚釘,在掃描電鏡下進(jìn)微觀形貌行觀察,斷口2 處疲勞棱線均收斂于鉚釘外表面,呈線性起源,源區(qū)未見明顯冶金缺陷,疲勞擴(kuò)展區(qū)可見清晰疲勞條帶(圖8)。
在導(dǎo)管上取樣進(jìn)行金相組織檢查,顯微組織未見異常。材質(zhì)硬度檢測(cè)結(jié)果為HV0.3200,參考GB/T 1172—1999 換算成抗拉強(qiáng)度σb為674 MPa,滿足導(dǎo)管強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求(σb≥550 MPa)。
圖6 進(jìn)油導(dǎo)管表面微觀形貌Fig.6 Micro morphology of surface cracks of oil inlet duct
圖7 進(jìn)油導(dǎo)管斷口微觀形貌Fig.7 Micro morphology of fracture surface of oil inlet duct
圖8 鉚釘?shù)湫蛿嗫谖⒂^形貌Fig.8 Typical micro morphology of fracture surface of rivet
導(dǎo)管主裂紋斷口宏觀可見明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區(qū),微觀可見清晰疲勞條帶,表明導(dǎo)管斷裂性質(zhì)為疲勞開裂。
導(dǎo)管是否出現(xiàn)疲勞開裂主要取決于載荷大小及導(dǎo)管自身抗疲勞能力兩方面因素。故障導(dǎo)管材質(zhì)(組織、硬度)檢測(cè)結(jié)果均符合要求,導(dǎo)管順航向方向左右(橫向)兩側(cè)外表面均存在多條裂紋;因此,分析認(rèn)為導(dǎo)管出現(xiàn)疲勞裂紋與其承受順航向橫向方向的異常大載荷有關(guān)。此外,導(dǎo)管疲勞裂紋部分疲勞源區(qū)從表面溝槽缺陷處起始,表面溝槽進(jìn)一步加速疲勞裂紋的產(chǎn)生。
斷裂鉚釘斷口宏觀可見明顯疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征區(qū),微觀可見清晰疲勞條帶,表明鉚釘?shù)臄嗔研再|(zhì)為疲勞開裂。
故障發(fā)生后,對(duì)其余飛機(jī)進(jìn)行普查,發(fā)現(xiàn)有6 架飛機(jī)高壓油濾固定鉚釘存在不同程度斷裂。據(jù)反映,高壓油濾部位鉚釘在外場(chǎng)服役和入廠故檢時(shí)均發(fā)現(xiàn)過多起斷裂/裂紋問題,故障率接近20%。對(duì)比故障飛機(jī)與近型號(hào)引進(jìn)飛機(jī)相同部位油濾支座鉚釘斷裂情況,引進(jìn)飛機(jī)基本未發(fā)生斷裂問題,進(jìn)一步將該型飛機(jī)與引進(jìn)飛機(jī)高壓油濾部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,主要有3 個(gè)方面區(qū)別:
1)垂尾壁板結(jié)構(gòu)。引進(jìn)飛機(jī)采用整體銑削成型,故障飛機(jī)采用拼接成型。
2)油濾支座固定方式。引進(jìn)飛機(jī)在航前和航后方向用螺栓與承力桁條連接,中間用鉚釘連接,且支座底部與壁板之間涂膠。故障飛機(jī)在航前和航后方向用鉚釘與承力桁條連接,中間用鉚釘連接,支座底部與壁板之間不涂膠。
3)油濾情況。引進(jìn)飛機(jī)只安裝一個(gè)鋁合金回油濾,故障飛機(jī)安裝一個(gè)鋁合金回油濾和一個(gè)鋼材質(zhì)高壓油濾。
對(duì)比可見,故障飛機(jī)在高壓油濾部位的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗疲勞性能遠(yuǎn)弱于引進(jìn)飛機(jī)。此外,查該架飛機(jī)故障發(fā)生前10 個(gè)架次飛參數(shù)據(jù),最大Z 向(橫向方向)過載超過1 G,而高壓油濾和油濾支座總凈重約(10.2±0.3) kg,在Z 向過載情況下,固定油濾支座的鉚釘將承受較大順航向橫向方向的附加載荷,較大的橫向附加載荷,將加速鉚釘?shù)臄嗔选?/p>
綜上鉚釘斷裂普查結(jié)果、歷史故障數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)對(duì)比情況和飛參判讀數(shù)據(jù)分析可判斷:故障飛機(jī)高壓油濾部位實(shí)際載荷情況比較復(fù)雜,鉚釘抗疲勞裕度不足。
高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管與高壓油濾連接,高壓油濾固定在油濾支座上,油濾支座通過鉚釘固定在垂尾壁板上。從原理上分析,如果高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管先出現(xiàn)穿透性裂紋,會(huì)導(dǎo)致液壓油發(fā)生泄露,液壓壓力下降,不會(huì)導(dǎo)致油濾支座固定鉚釘受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化。相反,油濾支座固定鉚釘斷裂會(huì)使得高壓油濾在沿航向方向橫向晃動(dòng),并傳遞給導(dǎo)管,導(dǎo)管承受異常載荷,產(chǎn)生疲勞裂紋。導(dǎo)管順航向方向橫向兩側(cè)均存在多條裂紋,裂紋性質(zhì)為疲勞開裂,說(shuō)明其受到順航向橫向方向的異常載荷力的作用;因此,油濾支座固定鉚釘斷裂是導(dǎo)管裂紋產(chǎn)生的直接原因,導(dǎo)管裂紋是鉚釘斷裂后的受害件。
1)液壓系統(tǒng)高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管裂紋性質(zhì)為疲勞開裂,原因是其承受順航向橫向方向的異常大載荷。
2)油濾支座固定鉚釘斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,原因?yàn)楦邏河蜑V部位實(shí)際載荷情況比較復(fù)雜,鉚釘抗疲勞裕度不足。
3)高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管疲勞裂紋是油濾支座固定鉚釘斷裂后產(chǎn)生異常振動(dòng)導(dǎo)致的,為受害件。
4)高壓油濾進(jìn)油導(dǎo)管表面存在溝槽缺陷,加速疲勞裂紋的產(chǎn)生。
5)建議對(duì)高壓油濾部位實(shí)際載荷情況進(jìn)行校核,采取有效措施提高該部位結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗疲勞性能。