賽斯納172R型飛機(jī)剎車(chē)作動(dòng)筒活塞桿斷裂失效分析

羅裕富

摘要：基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)賽斯納172R型飛機(jī)的剎車(chē)作動(dòng)筒活塞桿斷裂失效進(jìn)行分析，并展現(xiàn)剎車(chē)活塞桿工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)及載荷傳遞形式、應(yīng)力分布、疲勞位置、以及載荷與零件壽命關(guān)系，找出活塞桿斷裂失效的原因，確定疲勞壽命的更換周期，提高了飛機(jī)運(yùn)行中剎車(chē)系統(tǒng)工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：失效;斷裂;變形;疲勞;壽命

1故障情況概述

一架賽斯納172R型飛機(jī)左剎車(chē)主作動(dòng)筒活塞桿與U形接頭連接的螺紋根部斷裂，如圖1所示。經(jīng)查詢(xún)，另一架?chē)?guó)內(nèi)該型號(hào)飛機(jī)在2011年4月也曾出現(xiàn)同樣故障;美國(guó)FAA報(bào)道該型號(hào)飛機(jī)剎車(chē)作動(dòng)筒活塞桿也出現(xiàn)過(guò)同樣的斷裂失效故障。目前，國(guó)內(nèi)兩架發(fā)現(xiàn)該型剎車(chē)活塞桿失效的飛機(jī)使用狀況如表1所示。

目前的狀況是，飛機(jī)制造廠家的適航性維修資料對(duì)剎車(chē)活塞桿無(wú)定期檢查要求以及使用壽命限制。因廠家技術(shù)和產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題，無(wú)法獲取該零件的機(jī)械性能參數(shù)。

2斷裂失效活塞桿分析

2.1外觀痕跡分析

活塞桿于根部第一螺紋處斷裂，斷口表面潔凈，呈金屬的銀灰色，無(wú)明顯磨損和腐蝕氧化特征。斷口表面可見(jiàn)明顯的疲勞弧線特征。如圖2所示，斷口出現(xiàn)兩個(gè)疲勞區(qū)，均可見(jiàn)明顯的疲勞弧線和疲勞條帶特征，中部存在平直的、微觀上為韌窩的斷裂區(qū)。因此可以判斷，活塞桿為疲勞斷裂，與活塞桿承受的彎曲應(yīng)力有關(guān)。

活塞桿靠近螺紋端的光桿區(qū)域存在明顯的不均勻的周向磨損痕跡，活塞桿另一端上存在明顯的偏磨，螺紋連接的U形接頭表面也存在不對(duì)稱(chēng)的磨損，這些痕跡表明活塞桿可能承受了彎曲應(yīng)力。

2.2活塞桿材料構(gòu)成分析

對(duì)活塞桿螺紋段材料進(jìn)行能譜分析，由分析結(jié)論可推斷活塞桿材料接近于30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼。

3剎車(chē)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析、活塞桿受力、彎矩應(yīng)力分析

3.1剎車(chē)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

構(gòu)建各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，由運(yùn)動(dòng)副組成，以示意剎車(chē)作動(dòng)筒在工作狀態(tài)下系統(tǒng)各零件的運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，分別為腳蹬從中立狀態(tài)到剎車(chē)作動(dòng)、轉(zhuǎn)向作動(dòng)、復(fù)合作動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

1）理想狀態(tài)下的剎車(chē)作動(dòng)（不帶轉(zhuǎn)向）。此時(shí)腳蹬轉(zhuǎn)向臂保持靜止，腳蹬繞轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，在作動(dòng)過(guò)程中，活塞除了在剎車(chē)動(dòng)作筒上的移動(dòng)外，還將轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳遞到剎車(chē)動(dòng)作筒上，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。活塞桿受到腳蹬傳遞的壓應(yīng)力和彎矩。

2）理想狀態(tài)下轉(zhuǎn)向的作動(dòng)（不帶剎車(chē)）。此時(shí)腳蹬不轉(zhuǎn)動(dòng)，腳蹬轉(zhuǎn)向臂轉(zhuǎn)動(dòng)，在此作動(dòng)過(guò)程中，活塞桿向剎車(chē)動(dòng)作筒內(nèi)移動(dòng);轉(zhuǎn)向臂的轉(zhuǎn)矩通過(guò)腳蹬、活塞桿傳遞到剎車(chē)動(dòng)作筒上，從而引起剎車(chē)動(dòng)作筒的轉(zhuǎn)動(dòng)。活塞桿受到腳蹬傳遞的壓應(yīng)力和彎矩。

3）腳蹬實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（復(fù)合作動(dòng)）。實(shí)際飛行中，腳蹬作動(dòng)的同時(shí)伴隨有剎車(chē)作動(dòng)和轉(zhuǎn)向作動(dòng)兩個(gè)過(guò)程，如圖3所示。在此作動(dòng)過(guò)程中，活塞桿向剎車(chē)動(dòng)作筒內(nèi)移動(dòng);腳蹬轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩通過(guò)腳蹬、活塞桿傳遞到剎車(chē)動(dòng)作筒上，從而作動(dòng)剎車(chē)動(dòng)作筒的轉(zhuǎn)動(dòng)?；钊麠U受到腳蹬傳遞的壓應(yīng)力和彎矩。

經(jīng)過(guò)上述分析可知，腳蹬作動(dòng)時(shí)活塞受到壓應(yīng)力和彎矩的同時(shí)作用，且作用力的大小為隨時(shí)改變的交變載荷，活塞桿材料或構(gòu)件在長(zhǎng)期的交變載荷持續(xù)作用下易產(chǎn)生裂紋，直至失效或斷裂。

3.2受力分析

1）在腳蹬作動(dòng)過(guò)程中某一狀態(tài)下，假設(shè)腳蹬施加到活塞桿的瞬時(shí)壓應(yīng)力為F，活塞桿的橫截面積為A，則：

其中，Pm為截面瞬時(shí)平均應(yīng)力，其應(yīng)力分布以及彎矩圖如圖4所示。

2）活塞桿無(wú)扭矩的情況下的彎曲應(yīng)力（參見(jiàn)圖4）：

其中，M為活塞桿所受彎矩;W為活塞桿的抗彎截面系數(shù)，單位mm³;[σ_-1]為活塞桿許用彎曲應(yīng)力。

4基于ANSYS軟件的有限元分析

選用ANSYS 18.0版軟件，按照活塞桿實(shí)際測(cè)量尺寸建立數(shù)據(jù)模型，活塞桿材料性能參照30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼，參照實(shí)際剎車(chē)活塞桿工作狀況建立相關(guān)邊界條件。

4.1計(jì)算得出活塞桿應(yīng)變、應(yīng)力、壽命

分別在活塞桿螺紋端螺紋面與另一側(cè)端面加載20kg（200N）載荷，模擬剎車(chē)液壓力;在活塞桿螺紋與U型接頭安裝區(qū)域加載剪應(yīng)力載荷10kg （100N），模擬該件工作時(shí)的彎矩;在活塞桿與剎車(chē)作動(dòng)筒的實(shí)際工作狀態(tài)位置建立約束。

1）活塞桿整體應(yīng)變?cè)茍D

如圖5所示，活塞桿在液壓端應(yīng)變量最大，在其與剎車(chē)作動(dòng)筒接觸的約束位置應(yīng)變最小。計(jì)算結(jié)論與損傷件在液壓端有偏磨以及活塞桿受剎車(chē)作動(dòng)筒約束區(qū)域出現(xiàn)的周向不均磨損的實(shí)際使用情況吻合。

2）活塞桿剪應(yīng)力云圖

如圖6所示，經(jīng)計(jì)算后的剪應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在螺紋根部位置，其次是剎車(chē)作動(dòng)筒殼體對(duì)活塞桿的建立約束的區(qū)域。因此，在剎車(chē)作動(dòng)時(shí)活塞桿螺紋根部區(qū)域應(yīng)為最先失效破損的區(qū)域，計(jì)算結(jié)果與活塞桿實(shí)際斷裂故障損傷位置一致。

3）活塞桿等效應(yīng)力云圖

如圖7所示，經(jīng)計(jì)算后的等效應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在螺紋根部位置，其次是剎車(chē)作動(dòng)筒殼體對(duì)活塞桿建立約束的區(qū)域。因此，在剎車(chē)作動(dòng)時(shí)活塞桿螺紋根部區(qū)域應(yīng)為等效應(yīng)力最大區(qū)域，從該件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)應(yīng)為最先失效破損的區(qū)域，計(jì)算結(jié)果與活塞桿實(shí)際斷裂故障損傷位置一致。

4）活塞桿壽命應(yīng)力云圖

如圖8所示，經(jīng)計(jì)算后的疲勞壽命最小區(qū)域出現(xiàn)在螺紋根部位置，其次是剎車(chē)作動(dòng)筒殼體對(duì)活塞桿建立約束的區(qū)域。因此，在剎車(chē)作動(dòng)時(shí)活塞桿螺紋根部區(qū)域應(yīng)為最先失效破損的區(qū)域。

4.2彎矩對(duì)活塞桿壽命分析

改變活塞桿施加的彎矩剪力，可以通過(guò)ANSYS計(jì)算得到疲勞極限（以剪應(yīng)力σ_T表征）與壽命（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N）的關(guān)系曲線，如圖9所示。

隨著模擬施加的剪應(yīng)力的下降，該活塞桿件的壽命（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N）不斷增加，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N約為5×10⁴，此階段的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相對(duì)較小，可稱(chēng)為低周疲勞;在循環(huán)次數(shù)N達(dá)到10⁶后，表示為有限疲勞階段，經(jīng)過(guò)一定階段的交變應(yīng)力作用后總會(huì)發(fā)生疲勞破壞。當(dāng)最大應(yīng)力小于25N時(shí)，無(wú)論應(yīng)力變化多少次，材料都不會(huì)被破壞，為無(wú)限壽命疲勞階段，符合材料應(yīng)力疲勞特性（S-N曲線）。

4.3安全因子

安全因子是計(jì)算的強(qiáng)度值與允許的強(qiáng)度值的比例關(guān)系（是按照規(guī)范選取的一個(gè)建議值）。本次運(yùn)算設(shè)計(jì)剪應(yīng)力為40N，通過(guò)ANSYS計(jì)算的安全因子云圖如圖10所示?？筛鶕?jù)安全因子測(cè)算出對(duì)應(yīng)部位在該施加載荷下的安全系數(shù)，建立對(duì)應(yīng)的使用限制。

5總結(jié)

根據(jù)以上分析可以得出：首先，在實(shí)際工作環(huán)境下，該故障活塞桿在螺紋端根部區(qū)域存在應(yīng)力突變，且是等效應(yīng)力最大區(qū)域，為整個(gè)零件最先可能出現(xiàn)破損的位置;其次，活塞桿為時(shí)壽件;第三，施加在該件上的剪切應(yīng)力越大，活塞桿可承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越小;第四，隨著使用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的增加，許用最大剪應(yīng)力σ_max下降。

故障表象與失效前期表象包括：剎車(chē)松軟或無(wú)效;腳蹬剎車(chē)作動(dòng)后復(fù)位位置與相鄰腳蹬的相對(duì)位置不正確或無(wú)復(fù)位現(xiàn)象;腳蹬在無(wú)載荷作用下松動(dòng)或行程異常（過(guò)大或過(guò)小）。

為此提出以下使用及維護(hù)建議：

1）將剎車(chē)作動(dòng)筒活塞桿檢查加入定期維護(hù)工作，發(fā)現(xiàn)變形、裂紋件后直接更換。

2）將活塞桿列為時(shí)控件，定期更換（或按起落次數(shù)，循環(huán)次數(shù)N≈18×10⁴以?xún)?nèi)）。

3）如飛行著陸滑跑中出現(xiàn)主機(jī)輪拖胎跡象，應(yīng)拆下剎車(chē)作動(dòng)筒活塞桿進(jìn)行磁粉探傷、滲透等無(wú)損檢查，確認(rèn)該件無(wú)變形、裂紋等損傷后再裝機(jī)使用。

為了正確使用剎車(chē)機(jī)構(gòu)，建議使用人員（包括機(jī)務(wù)和飛行人員）操作腳蹬剎車(chē)作動(dòng)、方向舵作動(dòng)時(shí)，在滿(mǎn)足操縱要求的前提下應(yīng)柔和操作，禁止動(dòng)作粗猛（σ_max≤35N）。在使用地面停留剎車(chē)時(shí)，應(yīng)先使用腳蹬剎車(chē)作動(dòng)，再拉動(dòng)并鎖住停留剎車(chē)手柄。使用過(guò)程中有任何異常（如操作生硬或松軟等），要及時(shí)向相關(guān)工程維護(hù)人員反饋。

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