止動(dòng)釘斷裂失效分析

陳文舉，李 博

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中723200）

0 引言

螺栓在飛機(jī)上的使用量很大，主要用于緊固和連接。1個(gè)螺栓斷裂，嚴(yán)重時(shí)將危及飛機(jī)的安全，可見(jiàn)螺栓的作用不僅重要，而且非常關(guān)鍵[1]。某型號(hào)飛機(jī)前起落架上固定凸輪與活塞桿的3個(gè)止動(dòng)釘發(fā)生斷裂。該止動(dòng)釘（見(jiàn)圖1）材料為30CrMnSiA，主要制造工藝流程：領(lǐng)料→鉗工→分光→熱處理→車工→銑工→鉗工→磁粉探傷→總檢→稱重→化學(xué)氧化→成檢→防護(hù)入庫(kù)。本文通過(guò)對(duì)止動(dòng)釘斷口進(jìn)行外觀檢查，斷口宏觀、微觀分析，顯微組織檢查、硬度檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上確定了止動(dòng)釘斷裂的性質(zhì)和原因。

圖1 止動(dòng)釘數(shù)模

1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

1.1 宏觀檢查

外觀檢查，固定上凸輪與活塞桿的3處止動(dòng)釘全部斷裂，上凸輪螺紋孔被破壞，螺紋孔兩側(cè)（上凸輪周向）存在突起，見(jiàn)圖2。拆卸下來(lái)的斷裂止動(dòng)釘見(jiàn)圖3，止動(dòng)釘被切斷成兩截，斷面磨損嚴(yán)重發(fā)亮，未見(jiàn)明顯斷裂特征（全被磨損），止動(dòng)釘螺紋部分切斷尾端可見(jiàn)有另一切口。止動(dòng)釘頭部分彎曲變形嚴(yán)重。

圖2 止動(dòng)釘斷裂與上凸輪破壞形貌

圖3 斷裂止動(dòng)釘形貌

1.2 微觀觀察

電鏡下觀察，斷面絕大部分為磨損破壞，在斷口的近邊緣部分為可見(jiàn)條帶形貌特征，條帶寬度約0.1 mm，大部分磨損區(qū)域中可見(jiàn)剪切韌窩，見(jiàn)圖4。

圖4 斷口形貌特征

1.3 化學(xué)分析

在已斷裂的止動(dòng)釘內(nèi)部取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見(jiàn)表1。止動(dòng)釘化學(xué)成分符合GB/T3077-2015的要求?；九袛嘀箘?dòng)釘材料為30 CrMnSiA。

表1 已斷裂的止動(dòng)釘化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.4 顯微組織檢查

將顯微硬度測(cè)試后的試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，止動(dòng)釘顯微組織為回火索氏體加少量殘余奧氏體，無(wú)冶金缺陷（見(jiàn)圖5）。

圖5 止動(dòng)釘顯微組織形貌

1.5 硬度測(cè)試

取1個(gè)斷裂止動(dòng)釘，鑲嵌后磨制顯微試樣，進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，轉(zhuǎn)換成洛氏硬度，為HRC36.6、HRC37.1、HRC35.6，平均值 HRC36.4，符合 HRC35～41的技術(shù)要求。

2 受力分析

如圖6所示，當(dāng)緩沖器內(nèi)部的凸輪機(jī)構(gòu)在未完全脫開(kāi)的情況下，起落架操縱前輪轉(zhuǎn)彎，活塞桿組件沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在上凸輪與下凸輪接觸區(qū)域存在垂直于凸輪型面的力F。

圖6 止動(dòng)釘?shù)妊b配示意圖

如圖7所示，止動(dòng)釘受力與凸輪型面的力相同，均力F，通過(guò)對(duì)力F進(jìn)行分解，產(chǎn)生兩個(gè)方向的分力：F1為沿活塞桿外圓切線力，F(xiàn)2為沿活塞桿軸線力。當(dāng)強(qiáng)行轉(zhuǎn)彎外載較大的情況下，F(xiàn)1產(chǎn)生的剪切力會(huì)將止動(dòng)釘剪斷。

圖7 止動(dòng)釘受力分析

3 分析與討論

止動(dòng)釘用合金分析儀進(jìn)行成分鑒定，基本斷定為30CrMnSiA，制作顯微試樣，進(jìn)行顯微硬度測(cè)定并換算成洛氏硬度為HRC36.4合格，顯微組織為回火索氏體加殘余奧氏體，無(wú)冶金缺陷，止動(dòng)釘材質(zhì)合格。

30CrMnSiA具有較高的強(qiáng)韌性，良好的抗疲勞性能和斷裂韌度和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，正常情況下不容易斷裂[2]。3個(gè)止動(dòng)釘連接處的上凸輪螺紋孔被破壞，螺紋孔兩側(cè)（上凸輪周向）存在突起，同時(shí)止動(dòng)釘螺紋部分切斷尾端可見(jiàn)有另一切口，表明止動(dòng)釘與上凸輪周向兩個(gè)方向受力，受力過(guò)大并導(dǎo)致上凸輪孔壁附近變形凸起。止動(dòng)釘斷面磨損嚴(yán)重發(fā)亮，斷裂形貌特征不明顯，止動(dòng)釘頭部分彎曲變形嚴(yán)重，表明止動(dòng)釘斷裂過(guò)程受力很大。

電鏡觀察，斷面絕大部分為磨損破壞，在斷口的近邊緣部分可見(jiàn)條帶形貌特征，大部分磨損區(qū)域中可見(jiàn)剪切韌窩，未磨損區(qū)域基本為剪切韌窩。

綜合分析，止動(dòng)釘材質(zhì)正常，止動(dòng)釘與上凸輪變形較大，斷口以剪切韌窩為主，近邊緣部分可見(jiàn)少量條帶形貌，止動(dòng)釘斷裂原因初步判斷為緩沖器內(nèi)部的凸輪機(jī)構(gòu)在未完全脫開(kāi)的情況下，受左、右兩個(gè)方向較大強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)外力，經(jīng)歷多次作用使上、下凸輪相互擠壓，導(dǎo)致止動(dòng)釘受剪切力而斷裂。也就是說(shuō)，這是一種操作失誤引發(fā)的人為偶發(fā)事故，最終導(dǎo)致了止動(dòng)釘?shù)臄嗔?。在采取防錯(cuò)設(shè)計(jì)及對(duì)操作人員培訓(xùn)后，截止目前為止共交付部隊(duì)該型機(jī)13架，未發(fā)生類似故障。

4 結(jié)論

（1）止動(dòng)釘材質(zhì)正常，止動(dòng)釘斷裂為多次大應(yīng)力剪切斷裂。

（2）通過(guò)培訓(xùn)操作者及防錯(cuò)設(shè)計(jì)來(lái)保證后續(xù)操作的規(guī)范性，杜絕在緩沖器內(nèi)部的凸輪機(jī)構(gòu)在未完全脫開(kāi)的情況下，受到強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)外力的作用。

（3）在止動(dòng)釘材料正常的情況下，若起落架裝機(jī)條件未達(dá)到轉(zhuǎn)彎調(diào)試要求時(shí)（轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)自身存在傳感裝置，防止上、下凸輪在未脫離狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎）進(jìn)行起落架轉(zhuǎn)彎操作，就會(huì)造成止動(dòng)釘剪切斷裂。為此，作為飛機(jī)總裝調(diào)試單位，尤其在起落架轉(zhuǎn)彎調(diào)試階段，檢查傳感裝置應(yīng)正常工作，杜絕違規(guī)操作轉(zhuǎn)彎。

此外，產(chǎn)品使用階段應(yīng)勤于檢查起落架的支柱落地壓縮量（支柱的落地壓縮反應(yīng)凸輪是否完全脫開(kāi)），防止意外發(fā)生。