淺談超聲波技術(shù)在液壓部件疲勞裂紋在翼檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：本文對(duì)應(yīng)用超聲波技術(shù)在翼探測(cè)飛機(jī)液壓部件疲勞裂紋進(jìn)行了探討和分析，并制定了相關(guān)的預(yù)防性措施，以供業(yè)界同仁參考。

關(guān)鍵詞：作動(dòng)筒；超聲波；疲勞裂紋；預(yù)防性措施

Keywords：actuator；ultrasonic；fatigue crack；preventive measure

0 引言

郵政航空擁有國(guó)內(nèi)最大的波音737-300/400F貨運(yùn)機(jī)隊(duì)，截至目前機(jī)隊(duì)平均機(jī)齡已達(dá)24.5年，隨著機(jī)齡的增加，對(duì)老齡飛機(jī)安全影響最大的因素——疲勞裂紋不僅在機(jī)體結(jié)構(gòu)上頻現(xiàn)，在液壓部件上也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

近期，某架飛機(jī)在進(jìn)近著陸過程中，機(jī)組發(fā)現(xiàn)飛機(jī)液壓A系統(tǒng)失效，后續(xù)機(jī)組執(zhí)行快速檢查單，飛機(jī)安全落地。機(jī)務(wù)地面檢查發(fā)現(xiàn)1#地面擾流板作動(dòng)筒的殼體端頭發(fā)生斷裂，導(dǎo)致A系統(tǒng)液壓油基本漏光（見圖1）。

1 故障分析

拆下的故障作動(dòng)筒（件號(hào)65C26864-3）的TSI為15485.12FH，斷裂位置是作動(dòng)筒作動(dòng)端的殼體（見圖1），該部件殼體為鋁合金材質(zhì)。由該部件的零件分解圖（見圖2）和部件的工作原理可知，活塞（170）在液壓壓力作用下在作動(dòng)筒殼體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，螺母（15）固定在殼體端頭，長(zhǎng)期承受液壓壓力的沖擊作用。由于螺母（15）與殼體端部通過螺紋固定，因此殼體端部?jī)?nèi)螺紋根部長(zhǎng)期處于交變載荷作用下，繼而發(fā)生了疲勞裂紋，且裂紋沿殼體內(nèi)螺紋周向逐步擴(kuò)展，最終在此次液壓壓力的作用下將殼體端頭拉斷。

2 故障后果

地面擾流板作動(dòng)筒殼體端頭的破裂導(dǎo)致液壓A系統(tǒng)失效（A系統(tǒng)液壓油基本漏光）。正常情況下，液壓A系統(tǒng)為飛機(jī)起落架收放、前輪轉(zhuǎn)彎、左發(fā)反推、副翼、升降舵、方向舵等重要操控系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力。雖然目前民航飛機(jī)的重要系統(tǒng)都采用冗余設(shè)計(jì)，即重要系統(tǒng)有備份（液壓系統(tǒng)除了A系統(tǒng)之外還有B系統(tǒng)和備用系統(tǒng)），但A系統(tǒng)失效也是比較少見的故障，尤其是發(fā)生在空中階段，必然給機(jī)組增加了很大的操作負(fù)擔(dān)和心理壓力，不利于航班的安全運(yùn)行。

3 擾流板作動(dòng)筒失效MSG-3分析

依據(jù)MSG-3邏輯，液壓系統(tǒng)部件失效會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)系統(tǒng)液壓油的滲漏，從而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)低壓甚至失效，駕駛艙出現(xiàn)相應(yīng)警告（低壓燈或低油量燈點(diǎn)亮），因此是顯性故障。液壓系統(tǒng)失效雖然涉及飛行控制、起落架收放等重要系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都有一兩套備用系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)失效對(duì)飛行安全沒有影響，但會(huì)增加機(jī)組的操作負(fù)擔(dān)，因此屬于顯性操作/經(jīng)濟(jì)類故障。

依據(jù)顯性操作/經(jīng)濟(jì)類故障的MSG-3邏輯，共有以下5種應(yīng)對(duì)措施：潤(rùn)滑/勤務(wù)；檢查/功能檢查；恢復(fù)（修復(fù)）；報(bào)廢；重新設(shè)計(jì)。

1）潤(rùn)滑/勤務(wù)：目前維修方案中沒有針對(duì)擾流板作動(dòng)筒本體的潤(rùn)滑/勤務(wù)工作，不適用。

2）檢查/功能檢查：針對(duì)擾流板作動(dòng)筒，目前維修方案中有定期的目視檢查的要求（間隔1C），但通過目視檢查并不能有效發(fā)現(xiàn)作動(dòng)筒殼體內(nèi)部的損傷情況。當(dāng)前無損探傷（NDT）技術(shù)在機(jī)體結(jié)構(gòu)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如果采用NDT技術(shù)，可以有效地發(fā)現(xiàn)潛在的疲勞裂紋，但針對(duì)液壓部件在翼進(jìn)行NDT檢測(cè)還未有成熟的工藝方案，目前只能將液壓部件拆下送修理廠進(jìn)行NDT檢測(cè)。鑒于此，液壓部件在翼進(jìn)行NDT檢測(cè)是一個(gè)值得探索的方向。

3）恢復(fù)（修復(fù)）：針對(duì)擾流板作動(dòng)筒，可以定期拆下送廠翻修的形式進(jìn)行性能恢復(fù)，但是，翻修必然會(huì)大幅增加送修成本和航材周轉(zhuǎn)周期，并不適合采用。

4）報(bào)廢：如果執(zhí)行報(bào)廢處理，航材成本上無法承受，不適用。

5）重新設(shè)計(jì)：波音反饋，目前對(duì)于此件號(hào)的作動(dòng)筒沒有其他升級(jí)改進(jìn)措施，因此也不適用。

綜上分析，對(duì)于擾流板作動(dòng)筒可采用第2項(xiàng)措施，即定期執(zhí)行在翼NDT探傷檢測(cè)工作。

4 后續(xù)措施

波音737-300/400F飛機(jī)共有10塊擾流板，其中外側(cè)地面擾流板（0#、1#、8#、9#）各有1個(gè)作動(dòng)筒，件號(hào)65C26864-系列（此次斷裂的是1#擾流板作動(dòng)筒）；內(nèi)側(cè)地面擾流板（4#、5#）各有2個(gè)作動(dòng)筒，件號(hào)65-44851-系列；飛行擾流板（2#、3#、6#、7#）各有1個(gè)作動(dòng)筒，件號(hào)65-44561-系列。查詢以上系列件號(hào)作動(dòng)筒的CMM手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)場(chǎng)修理時(shí)對(duì)于內(nèi)外側(cè)地面擾流板作動(dòng)筒的殼體都有滲透探傷檢測(cè)的要求；對(duì)于飛行擾流板作動(dòng)筒，由于其部件自身構(gòu)造特點(diǎn)，CMM手冊(cè)對(duì)其殼體沒有探傷要求。既然在部件修理時(shí)可以執(zhí)行相應(yīng)的無損探傷工作，那么應(yīng)該也能在翼執(zhí)行相應(yīng)的檢測(cè)工作。通過對(duì)不同NDT方法（磁粉檢測(cè)、熒光滲透、渦流探測(cè)、超聲波探測(cè)等）的篩選，發(fā)現(xiàn)超聲波檢測(cè)非常適合對(duì)在翼液壓部件執(zhí)行檢測(cè)工作。

不同件號(hào)系列的作動(dòng)筒的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不同，內(nèi)側(cè)地面擾流板作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)與外側(cè)地面擾流板作動(dòng)筒類似，但內(nèi)側(cè)筒殼體的材質(zhì)為鋼制材料（見圖3），這一點(diǎn)差異最大。對(duì)于這兩個(gè)件號(hào)系列的作動(dòng)筒而言，鋼制殼體抗疲勞裂紋的能力明顯強(qiáng)于鋁合金殼體，這也得到了波音的證實(shí)，截至目前波音還未收到過關(guān)于內(nèi)側(cè)地面擾流板作動(dòng)筒殼體破裂的報(bào)告。飛行擾流板作動(dòng)筒的構(gòu)造與地面擾流板作動(dòng)筒差異較大，飛行擾流板作動(dòng)筒主要是通過殼體端頭堵蓋的四個(gè)螺栓（見圖3）來承受液壓壓力的反復(fù)沖擊作用，而且作動(dòng)筒端頭部分殼壁較厚，這樣的設(shè)計(jì)也使得該件號(hào)系列的作動(dòng)筒未發(fā)生過殼體破裂故障。另外，只有分解作動(dòng)筒、拆下端頭堵蓋才能對(duì)螺栓孔進(jìn)行探傷檢測(cè)，因此，該件號(hào)的作動(dòng)筒不適用執(zhí)行在翼探傷工作，且CMM手冊(cè)對(duì)于該件號(hào)作動(dòng)筒的殼體也沒有探傷檢測(cè)的要求。

基于以上分析，重點(diǎn)對(duì)在翼的外側(cè)擾流板作動(dòng)筒殼體端頭螺紋處執(zhí)行超聲波探傷工藝研究。通過對(duì)損傷部件的仔細(xì)觀察和分析，初步鎖定疲勞裂紋的發(fā)生源在殼體內(nèi)螺紋底部。針對(duì)此部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)所用探傷設(shè)備的探頭試塊進(jìn)行反復(fù)篩選，選擇合適尺寸的探頭。同時(shí)，對(duì)裝機(jī)作動(dòng)筒在位探傷的可行性進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，最終制定出針對(duì)外側(cè)擾流板作動(dòng)筒殼體端頭的超聲波探傷工藝，即超聲波設(shè)備工作范圍為5～10MHz，探頭直徑小于10mm，超聲波檢查區(qū)域?yàn)槎祟^殼體整個(gè)周向區(qū)域，距離殼體端部9mm范圍內(nèi)，如圖4所示。

為了驗(yàn)證探傷工藝的可行性，對(duì)某架飛機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0#擾流板作動(dòng)筒有疑似裂紋信號(hào)，因是首次驗(yàn)證，出于安全考慮更換了該作動(dòng)筒。為了進(jìn)一步證實(shí)該作動(dòng)筒是否存在真實(shí)裂紋，將部件拆下后又進(jìn)行了一次探傷驗(yàn)證（見圖5），并送某公司NDT探傷中心執(zhí)行進(jìn)一步復(fù)查工作，在完成滲透探傷復(fù)查后，最終確認(rèn)該裂紋真實(shí)存在，從而證明了在翼超聲波探傷工藝的可行性。

根據(jù)前文所述的探傷工藝，編制了針對(duì)外側(cè)地面擾流板作動(dòng)筒殼體的在翼超聲波檢測(cè)工卡。

1）首先對(duì)整個(gè)波音737-300/400F機(jī)隊(duì)進(jìn)行初始檢查；

2）后續(xù)以2年為間隔執(zhí)行重復(fù)檢查，并視情進(jìn)行檢查間隔的調(diào)整。

在初始清零檢查過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)2個(gè)作動(dòng)筒存在疲勞裂紋，再次驗(yàn)證了該項(xiàng)工藝的可行性，從而避免了空中因擾流板作動(dòng)筒破裂而導(dǎo)致的液壓系統(tǒng)失效故障，有力地保障了航班安全運(yùn)行。

5 延伸思考

在翼對(duì)液壓部件執(zhí)行超聲波檢測(cè)，對(duì)于航空公司而言有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）可操作性強(qiáng)。表現(xiàn)為執(zhí)行方式靈活，自主性強(qiáng)；無需等到部件在內(nèi)場(chǎng)修理時(shí)才執(zhí)行相關(guān)探傷工作，航空公司可量身定制屬于自己機(jī)隊(duì)的檢測(cè)模式。

2）節(jié)省成本。無需將部件拆下進(jìn)行探傷檢查，節(jié)省了大量的人工和航材成本以及其他航班保障成本。

3）能提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，這是最重要的一點(diǎn)，屬于典型的預(yù)防性維修。

6 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了針對(duì)地面擾流板作動(dòng)筒殼體的在翼超聲波檢測(cè)應(yīng)用。超聲波技術(shù)對(duì)于在翼液壓部件疲勞裂紋檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)眾多，且對(duì)于飛機(jī)上某些液壓部件同樣適用。例如，飛控系統(tǒng)的副翼和升降舵PCU組件，這兩個(gè)系統(tǒng)的PCU件號(hào)通用，PCU油濾殼體堵頭部位同樣是螺紋連接，殼體內(nèi)螺紋根部也長(zhǎng)期處在交變載荷作用下，存在類似的風(fēng)險(xiǎn)，因此，開發(fā)出一套針對(duì)副翼和升降舵PCU殼體的超聲波探傷工藝也非常有必要。

參考文獻(xiàn)

[1] Boeing. Boeing 737-300/400/ 500NON-DESTRUCTIVE TEST MANUAL[Z].

[2] Boeing. Boeing737-300/400/ 500COMPONENT MAINTENANCE MANUAL[Z].

作者簡(jiǎn)介

孫兵，工程師，主要從事波音737-300/400F、737-800F、757-200F飛機(jī)技術(shù)支援與工程管理工作。