護(hù)板收放作動(dòng)筒壽命試驗(yàn)裂紋原因分析及改進(jìn)

敖文偉，曾祥財(cái)，裴華平，龔良國(guó)，魯勝,鐘小宏

（航空工業(yè)洪都,江西南昌，330024）

0 引言

護(hù)板收放作動(dòng)筒通過(guò)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)護(hù)板的收上和放下，從而為飛機(jī)起落架的收放提供通路。由于護(hù)板收放作動(dòng)筒不承受地面載荷，只承受護(hù)板收放載荷，所以往往要求按與飛機(jī)同壽命（允許更換密封件）來(lái)設(shè)計(jì)。按照《飛機(jī)I、II型液壓系統(tǒng)直線式作動(dòng)筒通用技術(shù)條件》（HB6090-1986）的要求，護(hù)板收放作動(dòng)筒在設(shè)計(jì)鑒定時(shí)需要完成工作循環(huán)及壓力脈沖循環(huán)兩部分的壽命試驗(yàn)考核。

某型飛機(jī)的護(hù)板收放作動(dòng)筒在進(jìn)行壽命試驗(yàn)中的壓力脈沖循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，上端蓋出現(xiàn)了裂紋，未能通過(guò)壽命試驗(yàn)考核。通過(guò)有限元分析及故障件理化分析，定位了故障原因。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)故障處進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化改進(jìn)和增加了工藝上的加工要求，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的作動(dòng)筒滿足壽命指標(biāo)要求。

1 結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)情況

1.1 作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)

某型飛機(jī)的護(hù)板收放作動(dòng)筒為往復(fù)直線式液壓作動(dòng)筒，用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)護(hù)板的收放。其結(jié)構(gòu)主要由外筒、活塞桿（活塞與活塞桿為一體）、上端蓋、下端蓋、調(diào)節(jié)接頭、管接頭、軸承、密封件等組成，如圖1所示?；钊麠U上的活塞將作動(dòng)筒內(nèi)腔隔成兩腔，圖示左腔為伸出腔，右腔為縮進(jìn)腔，兩管接頭實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒與液壓系統(tǒng)的連通。

1.2 試驗(yàn)情況

1）試驗(yàn)要求

圖1 護(hù)板收放作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)圖

按產(chǎn)品試驗(yàn)大綱要求，護(hù)板收放作動(dòng)筒需完成200000次（活塞桿全縮進(jìn)和活塞桿全伸出各100000次）壓力峰值為31MPa（1.5倍的系統(tǒng)額定壓力值）的壓力脈沖試驗(yàn)。脈沖波形要求見(jiàn)HB6090-1986中的3.6.7.2條及該條下的圖1。試驗(yàn)時(shí)，先將活塞桿處于全縮進(jìn)位置，將縮進(jìn)腔管接頭與脈沖試驗(yàn)臺(tái)連接，伸出腔管接頭通大氣，進(jìn)行試驗(yàn)；再將活塞桿處于全伸展位置，將伸出腔管接頭與脈沖試驗(yàn)臺(tái)連接，縮進(jìn)腔管接頭通大氣，進(jìn)行試驗(yàn)。

在整個(gè)壓力脈沖循環(huán)試驗(yàn)中，作動(dòng)筒不應(yīng)出現(xiàn)外部和內(nèi)部泄漏，不允許出現(xiàn)零件松動(dòng)、永久變形或破壞現(xiàn)象。

2）試驗(yàn)故障

護(hù)板收放作動(dòng)筒在經(jīng)歷175000次（活塞桿全縮進(jìn)100000次，活塞桿全伸出75000次）脈沖后出現(xiàn)了裂紋，裂紋部位位于上端蓋端面與筒壁過(guò)渡R區(qū)域，沿上端蓋圓筒周向擴(kuò)展，長(zhǎng)約7mm,見(jiàn)圖2。

圖2 故障位置

2 故障分析

2.1 理化分析

上端蓋材料為30CrMnSiA,熱處理要求為：σb=1175±100MPa，故障件硬度檢測(cè)結(jié)果為：σb=1234 MPa；滿足要求。為定位裂紋原因，對(duì)故障件進(jìn)行了宏觀，微觀觀察，金相組織分析，化學(xué)成分和硬度檢測(cè)。

2.1.1 宏觀觀察

故障件裂紋處斷口宏觀形貌如圖3所示，上端蓋筒壁外側(cè)裂紋長(zhǎng)度約7mm，筒壁內(nèi)側(cè)裂紋長(zhǎng)度約15mm，斷口較平坦，呈弧形，有明顯的裂紋擴(kuò)展線痕跡。同時(shí)，斷口起始位置有明顯的加工痕跡，且越靠近內(nèi)壁根部R處，加工刀痕越明顯。

圖3 故障處宏觀形貌

2.1.2 微觀觀察

在掃描鏡下觀察斷口，裂紋起始位置疲勞條帶形貌不明顯，擴(kuò)展區(qū)、疲勞區(qū)可見(jiàn)疲勞條帶形貌，剪切唇區(qū)可見(jiàn)韌窩形貌，見(jiàn)圖4。

2.1.3 金相組織

裂紋附近未腐蝕狀態(tài)下的金相組織，未見(jiàn)夾雜。金相組織，心部組織均為回火索氏體，見(jiàn)圖5。

圖4 微觀形貌

圖5 微觀形貌

2.1.4 成分及硬度檢測(cè)

在零件上取光譜試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與要求對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分對(duì)照

在零件上去布氏硬度試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為1234MPa,滿足1175±100 MPa的要求。

通過(guò)檢測(cè)分析，該故障零件的化學(xué)成分、硬度值符合要求，金相組織正常，裂紋起始于上端蓋端部與筒內(nèi)壁交界R處的加工刀痕，由于該處為應(yīng)力集中處，當(dāng)受到交變載荷時(shí)，易在此部位形成疲勞源。該零件的裂紋為疲勞裂紋。

2.2 理論分析

通過(guò)建立上端蓋的有限元分析模型，施加試驗(yàn)工況載荷，得到上端蓋疲勞危險(xiǎn)部位的最大主應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖6。最大主應(yīng)力為930MPa，位于上端蓋耳片與筒體相貫的內(nèi)腔R1倒角處，為疲勞危險(xiǎn)部位，

與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合性較好。

圖6 上端蓋應(yīng)力云圖

理化分析和理論計(jì)算表明，造成護(hù)板收放作動(dòng)筒上端蓋裂紋的主要原因?yàn)椋荷隙松w端部與筒體內(nèi)壁相貫R處較大的應(yīng)力集中與該處存在的加工刀痕相互疊加，加劇了應(yīng)力集中的程度，導(dǎo)致了試驗(yàn)件在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)破壞。

3 處理措施

3.1 改進(jìn)方案

為改善護(hù)板作動(dòng)筒疲勞性能，使其達(dá)到與機(jī)體同壽的設(shè)計(jì)要求，對(duì)上端蓋主要做如下改進(jìn)：

1）內(nèi)孔根部由R1改為R2，外端面倒圓由R5改為R2；

2）提高內(nèi)腔根部R2處的粗糙度要求，由6.3優(yōu)化到3.2；

3）加寬耳片寬度，與端面寬度平齊。

圖7 上端蓋改進(jìn)方案

3.2 應(yīng)力分析

根據(jù)改進(jìn)后上端蓋結(jié)構(gòu)，通過(guò)之前建立的有限元分析模型，施加試驗(yàn)工況載荷，得到最大主應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖8，最大主應(yīng)力為632MPa，位于上端蓋端部與筒體內(nèi)壁相貫的R2處，較改進(jìn)前的930 MPa降低了近300MPa，能有效提高疲勞壽命。

圖8 改進(jìn)后的上端蓋應(yīng)力云圖

3.3 驗(yàn)證效果

改進(jìn)后的護(hù)板作動(dòng)筒按壽命試驗(yàn)要求，重新開(kāi)展試驗(yàn)并進(jìn)行試驗(yàn)考核，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、密封泄漏等故障，改進(jìn)效果良好，通過(guò)試驗(yàn)考核。

4 結(jié)語(yǔ)

護(hù)板收放作動(dòng)筒壽命試驗(yàn)出現(xiàn)裂紋是由于局部應(yīng)力集中，是疲勞的危險(xiǎn)部位，在多次壓力脈沖的作用下導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。在研究護(hù)板收放作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)組成、試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)故障件理化和理論分析后，在作動(dòng)筒零件改變最小的前提下，改進(jìn)了上端蓋的結(jié)構(gòu)形式，降低了上端蓋的最大應(yīng)力，提高了產(chǎn)品的壽命，改進(jìn)方案通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，使得故障沒(méi)有再現(xiàn)，通過(guò)壽命考核，改進(jìn)方案能有效提高產(chǎn)品壽命。