王華清 胡劍鋒 朱海磊/空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室

0 引言

某型機(jī)載懸掛發(fā)射裝置由骨架組件、提升機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、止動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)及氣路組件等組成。產(chǎn)品氣路組件由充氣管路、電磁閥、放氣閥等組成，作為高壓氣體的一段過(guò)路管路，作用是在氣路系統(tǒng)壓力不足時(shí)，打開(kāi)二級(jí)掛架控制電磁閥，將高壓氣體輸送至二級(jí)掛架的氣路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二級(jí)掛架氣路系統(tǒng)的補(bǔ)氣功能。

1 故障描述

在完成三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品氣路上接口管接頭與氣管焊接區(qū)域端部熱影響區(qū)部位斷裂，如圖1 所示。對(duì)氣管進(jìn)行斷口分析，裂紋擴(kuò)展區(qū)為典型的疲勞斷裂微觀斷口形貌，裂紋易在此處萌生。氣管出現(xiàn)斷裂將無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路系統(tǒng)的補(bǔ)氣功能，雖然氣路系統(tǒng)上接口處設(shè)有單向閥可避免該故障造成高壓氣體泄漏，但仍會(huì)對(duì)產(chǎn)品功能造成影響。

2 故障分析

該氣管兩端焊有管路接頭，一端固定在產(chǎn)品氣路組件的安裝座上，另一端與上氣路接口對(duì)接固定。針對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)中氣管斷裂問(wèn)題，分解故障件，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝固定方式、受力形式等方面進(jìn)行綜合分析。

1）該管路結(jié)構(gòu)安裝后沒(méi)有補(bǔ)償能力，對(duì)附加應(yīng)力相對(duì)敏感，氣管兩端接口及工裝模擬接口尺寸均存在尺寸偏差，在氣管對(duì)接固定后對(duì)氣管產(chǎn)生附加應(yīng)力，且管路結(jié)構(gòu)不具備足夠的撓度和補(bǔ)償量，無(wú)法消除接口尺寸偏差累積帶來(lái)的附加應(yīng)力，易導(dǎo)致氣管疲勞斷裂。工裝接口在氣管對(duì)接后垂向位置相對(duì)于理論正確位置有偏差，與機(jī)上實(shí)際情況不符，從而給產(chǎn)品氣管額外增加垂向方向的附加應(yīng)力。試驗(yàn)工裝的懸臂結(jié)構(gòu)在振動(dòng)環(huán)境下穩(wěn)定性較差，在振動(dòng)時(shí)易對(duì)產(chǎn)品氣管產(chǎn)生側(cè)向方向的附加應(yīng)力。

2）產(chǎn)品與機(jī)上氣路接口未處于同軸狀態(tài)，在軸向存在3°夾角，對(duì)接時(shí)需在航向扭轉(zhuǎn)3°方可與工裝上的氣路模擬接口正常對(duì)接，導(dǎo)致對(duì)接后存在附加應(yīng)力，而產(chǎn)品氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮到空間尺寸安裝固定后的撓度補(bǔ)償。

3）氣管組件實(shí)物接口尺寸存在偏差，在裝配過(guò)程中進(jìn)行空間尺寸校準(zhǔn)時(shí)可能已在焊縫處產(chǎn)生了疲勞斷裂。由于工裝上的機(jī)上氣路模擬接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、接口尺寸不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)品氣管在安裝對(duì)接初始即有較大的內(nèi)應(yīng)力。

在振動(dòng)試驗(yàn)交變應(yīng)力疊加影響下，最終造成氣管焊接部位疲勞斷裂。

對(duì)產(chǎn)品試驗(yàn)件采用新制的氣管與上接口工裝進(jìn)行對(duì)接驗(yàn)證。工裝模擬氣路接口無(wú)垂向限位，可上下自由移動(dòng)，與產(chǎn)品氣路接口存在不同軸現(xiàn)象，需旋轉(zhuǎn)下移，且產(chǎn)品氣路接頭需同時(shí)向左側(cè)扭轉(zhuǎn)方可完成對(duì)接。若將產(chǎn)品氣路接口與工裝模擬氣路接口強(qiáng)制對(duì)接，并在工裝模擬氣路接口上部加裝背帽進(jìn)行擰緊防松，會(huì)出現(xiàn)氣管扭轉(zhuǎn)，對(duì)接后狀態(tài)如圖2 所示。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證情況

3.1 改進(jìn)措施

1）在氣管中部增加螺旋部分，提高氣管的撓度和自適應(yīng)補(bǔ)償能力，對(duì)組件A、B、C 進(jìn)行優(yōu)化。在氣管中部增加螺旋部分，將放氣閥安裝座安裝位置向骨架內(nèi)側(cè)偏移、兩點(diǎn)固定改為三點(diǎn)固定，組件C 在骨架近端處增設(shè)減振卡箍；改進(jìn)電磁閥安裝支架結(jié)構(gòu)，將電磁閥單側(cè)懸臂固定改為雙側(cè)支撐固定。組件B在螺旋段增設(shè)墊有減振墊的支撐。優(yōu)化后的氣管結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅度減小，如圖3所示。

2）改進(jìn)上接口工裝氣路模擬接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證接口尺寸與接口協(xié)調(diào)圖一致。將活動(dòng)形式的懸臂軸接口嚴(yán)格按機(jī)上結(jié)構(gòu)及接口尺寸要求更改為固定形式的接口，將模擬氣路接口安裝接頭下移，減小懸臂長(zhǎng)度，并修正模擬氣路接口軸向角度，確保理論上與產(chǎn)品氣路接口軸向方向同軸。

3.2 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

圖1 氣管斷裂情況

圖2 氣管出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)

對(duì)氣路組件改進(jìn)情況進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)力仿真分析，仿真結(jié)果表明氣管結(jié)構(gòu)按改進(jìn)方案優(yōu)化后應(yīng)力情況有較為顯著的改善（見(jiàn)圖4）。仿真分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大點(diǎn)處于組件A 在Z向耐久振動(dòng)時(shí)，為30.9MPa，遠(yuǎn)小于熱影響區(qū)許用應(yīng)力。最小的振動(dòng)應(yīng)力減小比例出現(xiàn)在組件A 在X向耐久振動(dòng)時(shí)，應(yīng)力值減小至改進(jìn)前的19.6%；最大的振動(dòng)應(yīng)力減小比例出現(xiàn)在組件C 在Y向耐久振動(dòng)時(shí)，證明了改進(jìn)后氣管組件振動(dòng)應(yīng)力相比改進(jìn)前狀態(tài)大幅減小，改進(jìn)效果顯著。

將上接口工裝改進(jìn)措施落實(shí)到工裝實(shí)物后，使用優(yōu)化后狀態(tài)的C 組件對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后檢查C 組件結(jié)構(gòu)完好，氣密檢查合格，初步驗(yàn)證上接口工裝改進(jìn)方案有效。完成對(duì)產(chǎn)品氣管組件中部增加螺旋段的貫改工作后，使用改進(jìn)后的上接口工裝繼續(xù)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)安裝座處的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)前期振動(dòng)過(guò)程中安裝座處的振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)高于產(chǎn)品振動(dòng)控制輸入值，放大效應(yīng)明顯。產(chǎn)品按改進(jìn)方案進(jìn)行貫改后，放氣閥安裝座處的振動(dòng)響應(yīng)值有較大幅度的減小。振動(dòng)過(guò)程中從氣路上接口對(duì)二級(jí)掛架進(jìn)行充氣，二級(jí)掛架氣路系統(tǒng)充氣壓力達(dá)35MPa 以上，可正常實(shí)現(xiàn)對(duì)二級(jí)掛架的充氣功能。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查，氣管組件結(jié)構(gòu)完好，氣密檢查合格，進(jìn)一步驗(yàn)證了糾正措施的有效性。

圖3 氣路組件摸底驗(yàn)證狀態(tài)

圖4 組件仿真應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

針對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)氣管斷裂故障，通過(guò)改進(jìn)產(chǎn)品充氣管路結(jié)構(gòu)、放氣閥安裝座、氣管組件的安裝支撐方式，優(yōu)化工裝氣路模擬接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品氣路組件振動(dòng)響應(yīng)的減小，提高了氣路組件的抗振能力，并已通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)考核，其力學(xué)性能能夠滿足產(chǎn)品要求。改進(jìn)方案的糾正措施經(jīng)仿真理論分析計(jì)算，其振動(dòng)應(yīng)力較改進(jìn)前大幅減小，試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)品充氣功能正常，試驗(yàn)后氣密性檢查合格，驗(yàn)證了糾正措施的有效性。