飛機(jī)氟塑料高壓軟管故障分析與預(yù)防

朱武峰，李旭東，丁文勇

( 海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東青島266041)

氟塑料高壓軟管主要由聚四氟乙烯內(nèi)管、不銹鋼增強(qiáng)層和接頭等組成(如圖1)［1］，具有耐老化、耐腐蝕、耐高低溫等良好的環(huán)境適應(yīng)性能，在現(xiàn)代飛機(jī)上逐漸取代橡膠軟管，有著越來越廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，氟塑料軟管的質(zhì)量進(jìn)一步提高，其使用壽命和可靠性也得到較大的增長。在某型飛機(jī)上的平尾助力器、副翼復(fù)合舵機(jī)和方向舵復(fù)合舵機(jī)、起落架收放作動(dòng)筒和液壓泵出口等部位，采用了45 根氟塑料軟管，其中40 根的規(guī)定使用壽命達(dá)到了1 000 飛行小時(shí)/13 年，超過了飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的首次翻修期。但是，氟塑料軟管作為飛機(jī)液壓冷氣系統(tǒng)中的重要附件，在某些特殊部位(如助力器進(jìn)出口和液壓泵出口等位置)處于惡劣的工作條件下，承受著高頻的液壓沖擊、振動(dòng)，安裝空間受到局限，軟管彎曲半徑過小，再加上制造、裝配以及材料上的缺陷，致使飛機(jī)氟塑料軟管在使用壽命期內(nèi)，仍出現(xiàn)了多起滲漏、斷絲、爆破(如圖2)等故障［2］，直接危及飛行安全。

圖1 氟塑料軟管結(jié)構(gòu)

圖2 氟塑軟管爆破損傷

近5 年來，某型飛機(jī)的氟塑料軟管發(fā)生的故障情況如表1 所示。

表1 氟塑料軟管故障統(tǒng)計(jì)

1 故障原因分析

從表1 可以看出，高壓軟管出現(xiàn)漏油等故障主要發(fā)生在受力情況比較復(fù)雜、軟管彎曲比較厲害及使用次數(shù)頻繁的平尾助力器、方向舵復(fù)合舵機(jī)和液壓泵出口等部位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中多數(shù)為管體漏油、鋼絲斷絲、軟管爆破等故障形式。發(fā)生以上故障的主要原因有以下幾點(diǎn):

(1)工作壓力脈動(dòng)［3］

長時(shí)間高頻的工作壓力脈動(dòng)會(huì)使得氟塑料軟管易于疲勞、破損和斷裂。氟塑料軟管的疲勞斷裂多發(fā)生在液壓泵的出口以及助力器的進(jìn)出口處。

①液壓泵出口壓力脈動(dòng)。液壓柱塞泵是由多個(gè)柱塞同時(shí)進(jìn)行供油，其瞬時(shí)供油量是不斷變化的，由此在供油時(shí)會(huì)產(chǎn)生流量脈動(dòng)。而流量脈動(dòng)會(huì)使液壓泵的出口壓力產(chǎn)生脈動(dòng)，液壓泵的流量脈動(dòng)系數(shù)為:

式中:Qimax為液壓泵最大瞬時(shí)流量;Qimin為液壓泵最小瞬時(shí)流量。

柱塞數(shù)Z =9，δ =1.53%。柱塞泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=3 720 r/min，脈動(dòng)頻率為f=2Zn/60 =1 116 Hz。

液壓泵出口軟管承受高頻的壓力脈動(dòng)載荷，易產(chǎn)生疲勞損壞。

②助力器出口壓力脈動(dòng)。液壓助力器的作用是根據(jù)駕駛員或舵機(jī)傳遞的機(jī)械信號(hào)，通過液壓進(jìn)行能量和力的放大，帶動(dòng)舵面不斷地以各種速度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。助力器進(jìn)出口的流量也根據(jù)需要在不斷地變化，助力器有載荷時(shí)的出口流量QL為:

式中:Cq為流經(jīng)閥口的流量系數(shù);ω 為閥口的面積梯度;xv為滑閥閥口的開度，對(duì)零遮蓋滑閥來，也就是閥芯的位移;ps為進(jìn)油壓力;pR為回油壓力。

根據(jù)某型飛機(jī)飛行任務(wù)的需要，助力器的工作非常頻繁，滑閥閥口開度xv、負(fù)載FL在不斷變化，出口流量QL波動(dòng)較大，因此，助力器進(jìn)出口油液的壓力脈動(dòng)較大。另外，助力器運(yùn)動(dòng)時(shí)，軟管的彎曲狀態(tài)也在不斷變化，易造成軟管的疲勞損壞。

(2)軟管安裝彎曲半徑的影響

軟管承受的應(yīng)力水平與安裝彎曲半徑有關(guān)。軟管充壓后，通過聚四氟乙烯內(nèi)管將壓力傳遞給鋼絲編織層。軟管彎曲時(shí)，鋼絲編織角度發(fā)生變化，使軟管徑向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的均衡力方向同鋼絲層的編織方向不一致，軟管耐壓力便下降，其相對(duì)下降率為:

式中:f=R/d，R 為軟管內(nèi)側(cè)彎曲半徑(cm);d 為鋼絲中心直徑(cm);p伸直為軟管伸直時(shí)的耐壓力;p彎曲為軟管彎曲時(shí)的耐壓力。經(jīng)計(jì)算，軟管在不同彎曲半徑彎曲時(shí)其耐壓值的下降率見表2。

表2 彎曲半徑和耐壓值的下降率

由表中看出:軟管彎曲半徑越小，則耐壓強(qiáng)度下降越多，因此安裝軟管時(shí)，盡可能使彎曲半徑大一些，一般不應(yīng)小于20D，在無法保證時(shí)，也不能小于膠管的最小彎曲半徑(一般為10D)［1］。

(3)聚四氟乙烯內(nèi)管質(zhì)量缺陷［4］

聚四氟乙烯內(nèi)管直接與輸送的介質(zhì)接觸，要求具有良好的致密性和力學(xué)性能，以確保在承壓狀態(tài)下的密封性能。以下因素會(huì)引起內(nèi)管的故障:

①聚四氟乙烯內(nèi)管由于加工制造的原因，存在類似針孔、雜質(zhì)、壓坑、小裂紋等缺陷，從而使管體出現(xiàn)薄弱點(diǎn)。受脈動(dòng)載荷的持續(xù)作用，內(nèi)管在薄弱點(diǎn)產(chǎn)生穿孔，形成油液的滲漏;在助力器進(jìn)出口和液壓泵出口的有缺陷內(nèi)管，受到高壓脈沖負(fù)載作用，高壓油沖破缺陷發(fā)生突然爆破撕裂，會(huì)形成明顯的輻射狀爆破條紋。裂口則由爆破中心迅速向兩側(cè)擴(kuò)大而形成嚴(yán)重開裂。

②聚四氟乙烯內(nèi)管內(nèi)壁導(dǎo)電性能不佳，產(chǎn)生靜電擊穿現(xiàn)象。飛機(jī)液壓導(dǎo)管中液體流動(dòng)時(shí)因?yàn)閮?nèi)壁摩擦而產(chǎn)生靜電，當(dāng)靜電逐漸累積達(dá)到產(chǎn)生破壞性放電現(xiàn)象時(shí)，便擊穿管壁，導(dǎo)致軟管漏油。擊穿后，內(nèi)壁為針孔狀圓洞，外壁為針孔狀圓洞或較小裂口，管壁上有一貫穿的通道，一般情況下，內(nèi)壁穿孔都比較光滑。

(4)鋼絲編織層斷絲［5］

軟管在系統(tǒng)工作應(yīng)力的作用下，存在著一定的變形和振動(dòng)，其綱絲編織層與周邊相鄰部件靠得過近，因摩擦產(chǎn)生斷絲現(xiàn)象，斷絲嵌入四氟乙烯內(nèi)管管壁出現(xiàn)破裂。鋼絲在內(nèi)管外壁形成明顯壓痕及其周圍出現(xiàn)微裂紋。

(5)金屬管嘴加工質(zhì)量缺陷［4］

在液壓系統(tǒng)的地面測(cè)試中，聚四氟乙烯高壓軟管接頭出現(xiàn)因接頭部位開裂而漏油的情況。經(jīng)檢查有以下問題:

①管嘴偏心嚴(yán)重。由于加工精度控制不嚴(yán)，部分金屬管嘴偏心嚴(yán)重，最薄管壁只有0.5 mm，甚至小于0.5 mm。在接頭扣壓時(shí)或處于工作狀態(tài)時(shí)該區(qū)域易發(fā)生斷裂。一般情況下管嘴的斷裂往往發(fā)生在第3個(gè)刻槽，該處變形最大，剛性最小，比較容易破壞。

②管嘴刻槽和管嘴口加工質(zhì)量的影響。金屬管嘴刻槽邊緣沒有倒角和管嘴口的毛刺使扣壓接頭后的聚四氟乙烯內(nèi)管管壁出現(xiàn)缺陷和裂紋，從而導(dǎo)致高壓軟管在接頭部位開裂而漏油。

(6)安裝與維護(hù)不當(dāng)

在液壓泵出口處的氟塑料軟管彎曲處發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。經(jīng)檢查認(rèn)為，該處軟管因安裝時(shí)的空間限制，致使軟管彎曲半徑小于最小彎曲半徑，而且軟管相對(duì)軸線存在一定的扭轉(zhuǎn)。這些因素對(duì)軟管的壽命有很大的影響。

軟管安裝的一些其他情況也存在故障隱患，軟管交叉安裝或與其他零部件直接接觸，造成軟管的外表面產(chǎn)生局部磨損斷絲;安裝時(shí)軟管的松馳量預(yù)留不足，導(dǎo)致在接頭處出現(xiàn)泄漏或拉脫;軟管固定卡子位置不正確或安裝過緊，造成實(shí)際彎曲半徑小，使軟管局部的受載應(yīng)力加大。

氟塑料軟管裝機(jī)后，有使用期限的要求，如因串換件造成軟管超期使用，軟管的機(jī)械物理性能降低，容易產(chǎn)生爆破失效。

2 預(yù)防故障的措施

造成氟塑料軟管故障的因素眾多，需要從生產(chǎn)、制造、使用和維護(hù)等諸環(huán)節(jié)做好預(yù)防工作。

(1)生產(chǎn)制造階段，嚴(yán)格執(zhí)行有效的工序間控制和檢驗(yàn)，避免聚四氟乙烯內(nèi)管的雜質(zhì)、氣孔等缺陷存在;加強(qiáng)鋼絲編織工序的質(zhì)量控制，嚴(yán)格執(zhí)行金屬芯棒的保管和表面光潔度的檢查。對(duì)編織后的聚四氟乙烯軟管也必須嚴(yán)格檢驗(yàn)。采用光導(dǎo)纖維的內(nèi)窺鏡和普通燈光照明下目視檢查等多種方法進(jìn)行綜合檢查，確保軟管質(zhì)量。

(2)使用維護(hù)階段，要求軟管安裝必須符合技術(shù)文件的規(guī)定，軟管彎曲不得小于最小彎曲度，軟管不允許扭曲，如果發(fā)現(xiàn)有扭曲現(xiàn)象，必須予以調(diào)整。日常維護(hù)工作中要加強(qiáng)對(duì)故障頻率高的氟塑料軟管的檢查，并運(yùn)用有效的方法預(yù)防故障［7］。比如:用“棉紗掛線法”檢查軟管金屬編織層有無斷絲，即用棉紗順抹軟管，掛線處即為斷絲點(diǎn)。用“捆扎隔離法”、“支架固定法”對(duì)間隙小易磨擦的軟管進(jìn)行分隔。用折鏡仔細(xì)檢查軟管難檢部位的磨損情況，確保故障的及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。如發(fā)現(xiàn)軟管處或機(jī)身下部有可疑的油跡時(shí)，需查明原因后才能使用。軟管作為壽命控制件，要嚴(yán)格執(zhí)行儲(chǔ)存期和使用期的壽命控制，必須防止串換件造成的延期使用。

(3)結(jié)合有關(guān)飛機(jī)軟管爆破造成飛行事故的機(jī)制研究，通過共因分析等方法，研究和完善該型飛機(jī)氟塑料軟管爆破造成第Ⅰ系統(tǒng)和第Ⅱ系統(tǒng)失效后的特情處置措施，并對(duì)《飛行人員駕駛守則》提出補(bǔ)充建議，以增加特情處置的有效性。

3 結(jié)論

(1)氟塑料高壓軟管的故障是多種因素造成的，其內(nèi)在的影響因素是內(nèi)管、鋼絲編織層和接頭的制造質(zhì)量，其外因是軟管承受的工作應(yīng)力、安裝質(zhì)量和局部環(huán)境等。預(yù)防故障的主要措施是把好軟管制造、安裝質(zhì)量關(guān)，加強(qiáng)故障多發(fā)部位氟塑料軟管的監(jiān)控，嚴(yán)格按規(guī)定要求對(duì)軟管進(jìn)行壽命控制。

(2)軟管爆破是軟管故障中最嚴(yán)重的一種，對(duì)飛機(jī)的飛行安全形成了嚴(yán)酷的考驗(yàn)，需深入研究、完善該故障條件下特情處置的措施和方法，抓好空地勤人員的故障預(yù)防工作。

【1】國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 2837-1997 聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范［S］，1997.

【2】杜金強(qiáng)，朱伯偉，王偉，等.兩種高壓軟管接頭組件的非線性有限元對(duì)比分析［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27(11):83 －85.

【3】朱武峰，蔡增杰，祁功道.機(jī)械系統(tǒng)附件檢修技術(shù)［M］.青島:海軍航空工程學(xué)院青島分院，2010.

【4】歐陽小琴. 某液壓金屬編織軟管失效分析［J］. 材料工程，2003(S1):315 －352.

【5】劉玉田.鋼絲在橡膠軟管中的應(yīng)用［J］.金屬制品，2002，28(3):42 －44.

【6】沈燕良，王建平，曹克強(qiáng).飛機(jī)裝配式高壓軟管失效分析［J］.機(jī)床與液壓，2003(1):262 －263.