皮月亮， 祖揮程， 李永彬， 孫同明

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241007）

0 引言

作動筒是飛機(jī)上常用的功能附件。根據(jù)工作需要內(nèi)部可帶機(jī)械鎖或無機(jī)械鎖。機(jī)械鎖可在某些位置使作動筒可靠固定，以保障飛機(jī)飛行、地面停放與地面維護(hù)人員的安全。例如：起落架放下時(shí)，作動筒需要鎖定支撐起落架。部分產(chǎn)品需要在正常工作時(shí)依靠機(jī)械鎖進(jìn)行鎖定，應(yīng)急工作時(shí)需要解鎖。常見的作動筒機(jī)械鎖為鋼珠鎖、卡簧鎖[1]。卡簧鎖由卡簧、彈簧、錐體、襯套等組成?？ɑ墒菑椥缘?，在上鎖狀態(tài)下，由錐體將彈性卡簧限制在襯套內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鎖定連接。當(dāng)錐體在氣壓或液壓作動筒下移動后，卡簧在外力的作用下從襯套內(nèi)脫出，完成開鎖。

某型飛機(jī)座艙蓋操縱作動筒用于飛機(jī)座艙蓋的開啟和關(guān)閉，應(yīng)急時(shí)對座艙蓋進(jìn)行拋放。該作動筒為兩腔結(jié)構(gòu)，分為氣壓腔和液壓腔，兩腔之間通過卡簧鎖進(jìn)行鎖定[2]。正常工作時(shí)氣壓腔活塞桿與液壓腔活塞桿在卡簧的連接下實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，應(yīng)急工作時(shí)需要將氣壓腔活塞桿與液壓腔活塞桿分離，滿足氣壓腔活塞桿的單獨(dú)工作。

某座艙蓋操縱作動筒進(jìn)行試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常撞擊聲，造成產(chǎn)品拉傷，軸承安裝孔出現(xiàn)變形。分析發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)品試驗(yàn)過程中，在檢查作動筒開鎖力試驗(yàn)時(shí)，將作動筒在試驗(yàn)臺架上安裝后，直接向氣壓腔加壓；在彈性鎖鉤開鎖前，作動筒的氣壓腔活塞桿與氣壓腔保持鎖定狀態(tài)，由于氣壓腔活塞桿的行程大于液壓腔的行程，在卡簧鎖開鎖后氣壓腔活塞桿還有可運(yùn)動行程，在開鎖后氣壓的作用下，活塞桿的運(yùn)動對蓋造成了撞擊[3]。為分析該作動筒的受力及損傷情況，本文采用實(shí)物對比分析法與Abaqus有限元仿真法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

該座艙蓋操縱作動筒由液壓腔、氣壓腔及彈性卡鎖等組成。用來操縱座艙蓋的開啟、關(guān)閉或到達(dá)任一行程，正常情況下靠壓縮氮?dú)怛?qū)動，在氣動系統(tǒng)無壓力時(shí)，也可用手動（液壓）來操縱。在應(yīng)急情況下，可拋掉座艙蓋（如圖1）。

圖1 產(chǎn)品工作原理

座艙蓋操縱作動筒用來移動座艙蓋，作動筒的一端固定在座艙蓋后隔板的支架上，另一端連接在艙蓋連接裝置上，作動筒為雙腔式，中間端蓋將筒體分為液壓腔和氣壓腔兩部分，液壓腔的工作介質(zhì)為液壓油，氣壓腔的工作介質(zhì)為壓縮氮?dú)猓赏ㄟ^壓縮氮?dú)獯蜷_座艙蓋或應(yīng)急拋放座艙蓋。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

作動筒的活塞桿也由兩部分組成，由夾簧連接。液壓腔工作桿是空心結(jié)構(gòu)，其中一端為活塞，另一端固定著夾簧，由螺帽保險(xiǎn)，氣壓腔工作桿上裝有活塞。為使活塞密封，在活塞上裝有密封碗?；钊麠U內(nèi)裝有襯套，止動器用螺帽固定在襯套內(nèi)，限制閉鎖錐體的運(yùn)動。錐體由彈簧壓緊，活塞桿通過接耳連到連接裝置上。

2 故障分析

2.1 試驗(yàn)過程

在進(jìn)行夾簧鎖的調(diào)整試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)要求為：連接試驗(yàn)臺，拉出活塞桿至伸出位置，用液壓油充滿作動筒液壓腔，向接管嘴緩慢輸入氣壓，調(diào)整彈簧初始張力，檢查彈簧卡頭鎖在此壓力范圍內(nèi)應(yīng)打開，可根據(jù)響聲和壓力表的抖動及插銷的頂出來確定。

在進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，將作動筒安裝到試驗(yàn)安裝架上，將蓋通過銷子固定在試驗(yàn)安裝架上。向作動筒液壓腔加液壓油放出活塞桿，液壓腔活塞桿放出到極限位置后，向作動筒的氣壓腔接管嘴加氣壓來檢測夾簧鎖的開鎖力[4]。在向管嘴加的壓力達(dá)到2.7 MPa時(shí)，夾簧鎖出現(xiàn)開鎖。

在夾簧鎖開鎖后，氣壓腔活塞桿與液壓腔活塞桿分離，由于作動筒氣壓腔的行程大于液壓腔的行程[5]。在液壓腔活塞桿放出到極限位置的情況下，氣壓腔活塞桿沒有放出到極限位置，距離放出到極限位置有65 mm的運(yùn)動行程，在氣壓的作用下，氣壓腔活塞桿運(yùn)動撞擊到蓋上。由于作動筒蓋僅通過銷子與試驗(yàn)安裝架相連，活塞桿撞擊產(chǎn)生的力全部傳遞到蓋上，造成蓋拉傷，軸承安裝孔出現(xiàn)變形損傷（如圖3）。

2.2 故障力學(xué)計(jì)算

2.2.1 作動筒受力計(jì)算條件

1）忽略作動筒移動直至撞擊過程中所受的摩擦力；2）忽略作動筒移動直至撞擊過程中試驗(yàn)臺對作動筒持續(xù)補(bǔ)充的氣壓；3）將作動筒非密閉腔體部分默認(rèn)為始終與大氣壓保持一致，約為P0=0.1 MPa（101 kPa）；4）作動筒移動過程中的動態(tài)過程以全過程中首末位置的平均值計(jì)算。

2.2.2 受力計(jì)算

移動的作動筒組合件質(zhì)量m=2.12 kg，作動筒壓力腔原始壓力P1=2.7 MPa。

作動筒壓力腔原始體積V1=S1·L1=π（R2-r2）·L1=1616453 mm3。式中：S1為活塞桿受氣壓面積，S1=π（R2-r2）；R為外筒半徑；r為活塞桿半徑；L1為氣壓腔長度。

作動筒移動后腔體壓力增大的體積V2= S2·L2=πR2·L2=302527 mm3。式中：S2為活塞桿開鎖后氣壓面積，S2=πR2；R為外筒半徑；L2為開鎖后氣壓腔移動長度。

圖3 軸承安裝孔處拉傷變形情況

氣體狀態(tài)方程為

式中：P為壓強(qiáng)；V為氣體體積；T為絕對溫度；C為常數(shù)。

所以作動筒移動撞擊到殼體時(shí)，腔內(nèi)的氣壓P2為

1）靜態(tài)作用力計(jì)算。

作動筒移動前，作用在活塞桿上的壓力F1=(P1-P0)·S1=12101 N。式中，S1為活塞桿受氣壓的面積。作動筒移動后，殼體受到的靜態(tài)壓力F2=(P2-P0)·S1=10100 N。不考慮氣體泄漏的情況下，F(xiàn)2即為沖擊后作動筒受到的靜態(tài)壓力。

2）動態(tài)作用力計(jì)算。

蓋的材料為2D70鋁合金鍛件，在瞬間的沖擊力作用下產(chǎn)生變形。

3 仿真分析

為驗(yàn)證理論分析結(jié)果，同時(shí)分析活塞桿撞擊對作動筒上其他零件的損傷，擬對蓋、外筒、外殼組成的裝配體進(jìn)行受力仿真分析。通過上述計(jì)算可知作用在蓋上的力F=15612 N,蓋的材料為2D70，其材料屬性如表1所示。

表1 2D70材料屬性

因?yàn)楸灸Ｐ徒Y(jié)構(gòu)體其空間結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此在有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)相關(guān)部件的單元類型使用實(shí)體單元Solid45。

本文分析的是作動筒這樣一個(gè)復(fù)雜的裝配體，因此首選自由網(wǎng)格劃分方式。對于尖角、孔等一些劃分不理想的部位，則采用映射網(wǎng)格劃分。根據(jù)上述方法生成的外筒有限元模型的單元總數(shù)為467 664，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為678 180，圖4是作動筒網(wǎng)格劃分完的有限元模型。

根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)過程中的安裝連接方式，約束施加在作動筒耳環(huán)孔與試驗(yàn)臺架的安裝連接處，外載荷主要來源于作動筒和活塞桿的撞擊力，利用慣性載荷的方式施加重力場，施加一個(gè)和重力指向方向相反、大小一致的加速度。具體載荷施加方向和施加點(diǎn)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

通過有限元分析法得到作動筒的應(yīng)力云圖。由應(yīng)力云圖可知，其應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在作動筒約束部位，在約束部位受到持續(xù)外載荷時(shí)，約束部位為結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，最易受到破壞（如圖5）。

圖5 應(yīng)力分布云圖

4 產(chǎn)品故障檢查及修復(fù)論證

通過對產(chǎn)品的分解檢查及與產(chǎn)品的有限元仿真數(shù)據(jù)[7]，該作動筒在開鎖試驗(yàn)應(yīng)力最大部位為作動筒與試驗(yàn)臺連接蓋部位（約束部位），需重點(diǎn)檢查蓋的損傷情況。

為檢查產(chǎn)品具體損傷情況，對產(chǎn)品進(jìn)行分解，重點(diǎn)檢查受活塞桿氣壓沖擊影響的蓋、圓筒、外筒及殼體的損傷及變形情況。采用放大鏡目視檢查、尺寸測量的方法，檢查零件的外表面有無損傷、圓筒及外筒有無變形、螺紋連接部位有無損傷；檢查后發(fā)現(xiàn)，圓筒、外筒及殼體均無明顯的表面損傷，蓋的軸承安裝孔部位出現(xiàn)3 mm的變形（與試驗(yàn)仿真結(jié)果一致），采用熒光探傷的方法檢查未變形零件有無裂紋情況發(fā)生，未發(fā)現(xiàn)零件裂紋。

對損傷變形的蓋進(jìn)行更換，在不安裝內(nèi)部密封件的情況下重新恢復(fù)作動筒的裝配，檢查作動筒在運(yùn)動過程中的靈活性[8]，目視檢查零件是否出現(xiàn)變形?；謴?fù)產(chǎn)品裝配。為避免氣壓腔開鎖后的氣壓撞擊情況，設(shè)計(jì)制作了在液壓腔活塞桿完全放出情況時(shí)的安裝固定架車（如圖6）。檢查在液壓腔運(yùn)動到極限位置后，活塞桿的運(yùn)動采用架車進(jìn)行固定，限制氣壓腔在開鎖后出現(xiàn)撞擊情況。

圖6 試驗(yàn)架車

5 結(jié)論

1）通過產(chǎn)品受力計(jì)算、實(shí)物狀態(tài)檢查，座艙蓋操縱作動筒試驗(yàn)損傷主要原因?yàn)椋涸谶M(jìn)行卡簧鎖開鎖力試時(shí)，由于液壓腔與氣壓腔活塞桿的行程差，導(dǎo)致在開鎖后氣壓腔活塞桿在氣壓的作用下對筒體造成撞擊，從而導(dǎo)致?lián)p傷。2）采用有限元仿真模塊，仿真分析了氣壓腔開鎖后活塞桿的沖擊造成的產(chǎn)品應(yīng)力情況。由仿真結(jié)果可知，試驗(yàn)過程中對活塞桿不固定，僅對蓋進(jìn)行固定時(shí)，蓋部位最易受到破壞。3）為保證夾簧鎖試驗(yàn)過程的安全，避免對產(chǎn)品的破壞，采用專用架車對氣壓腔活塞桿的運(yùn)動固定限位。4）在涉及氣動及氣動開鎖類產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，一定要預(yù)判產(chǎn)品試驗(yàn)過程可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，避免造成零件損傷。