某型飛機(jī)作動(dòng)筒殼體裂紋故障分析

祖揮程，房 頂

(國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠 機(jī)電部，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

圖1 作動(dòng)筒原理圖

作動(dòng)筒原理圖如圖1所示。作動(dòng)筒由殼體、活塞桿、彈簧、堵蓋、搖臂等零件組成，當(dāng)向活塞桿伸出管嘴供壓或無(wú)系統(tǒng)壓力時(shí)，在彈簧力和液壓力作用下，活塞桿伸出，活塞桿上圓柱銷處于搖臂寬槽部位，此時(shí)不限制搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，搖臂可在一定行程內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，附加載荷機(jī)構(gòu)不限制駕駛桿通向襟副翼操縱裝置的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)向活塞桿收回管嘴供壓時(shí)，活塞桿收回，活塞桿上圓柱銷處于搖臂窄槽部位，此時(shí)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)受到限制，進(jìn)而通過附加載荷機(jī)構(gòu)限制駕駛桿的運(yùn)動(dòng)。

圖2 殼體剖面圖

1 裂紋產(chǎn)生原因分析

1.1 工業(yè)CT掃描檢查

裂紋具體形貌位于殼體內(nèi)部，無(wú)法進(jìn)行直接觀察，擬通過工業(yè)CT掃面觀察裂紋形態(tài)。掃描測(cè)試CT機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 掃描測(cè)試CT機(jī)技術(shù)參數(shù)

本次測(cè)試對(duì)樣件進(jìn)行360°三坐標(biāo)全角度掃描。掃描分辨率達(dá)到微米級(jí)別，掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)部裂紋處有兩個(gè)缺口，其中一個(gè)缺口處仍有金屬碎塊相連，缺口寬度為0.46 mm,裂紋方向深度為0.65 mm，兩處裂紋缺口如圖3所示。

裂紋缺口1(金屬碎塊相連) 裂紋缺口2

圖3兩處裂紋缺口

為了更加直觀的觀察到裂紋三維形貌，對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行剝離，分析發(fā)現(xiàn)缺口掉塊位于裂紋中心區(qū)域，裂紋三維形貌如圖4所示。

圖4裂紋三維形貌 圖5退刀槽部位周向壁厚

1.2 實(shí)物分解檢查

仔細(xì)檢查產(chǎn)品外觀，殼體外表面有裂紋，殼體裂紋部位如圖6所示。對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查，將搖臂、堵蓋、活塞桿、彈簧分解，各膠圈、氟塑料圈表面質(zhì)量良好。檢查殼體內(nèi)表面退刀槽部位發(fā)現(xiàn)有掉塊粘連，殼體內(nèi)部退刀槽部位如圖7所示。

圖6 殼體裂紋部位

圖7殼體內(nèi)部退刀槽部位

1.3 斷口失效分析

對(duì)故障產(chǎn)品殼體進(jìn)行材料金相分析和失效分析，對(duì)殼體裂紋斷口宏、微觀形貌進(jìn)行觀察，檢查其組織、硬度和壁厚、退刀槽的開裂R角，對(duì)殼體的裂紋性質(zhì)和開裂原因進(jìn)行分析。

圖8活塞桿表面損傷情況

1.3.1 宏觀觀察

活塞桿表面損傷情況見圖8。對(duì)活塞桿進(jìn)行觀察，活塞整體未見宏觀變形，活塞桿頭一側(cè)的圓周面存在明顯的軸向線狀磨痕，磨損區(qū)約占1/3圓周，同側(cè)靠近活塞頭的活塞桿表面可見較長(zhǎng)的軸向線狀磨痕。對(duì)比生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)活塞桿工作磨損情況，可知該活塞桿磨損情況為工作痕跡，不會(huì)導(dǎo)致殼體出現(xiàn)裂紋[2]。

將殼體沿前后軸向剖開觀察內(nèi)壁及開裂部位，殼體底部退刀槽裂紋見圖9。其裂紋位于殼體底部退刀槽轉(zhuǎn)角處，對(duì)裂紋所在的左半殼體進(jìn)行觀察，裂紋沿退刀槽轉(zhuǎn)角分布，近1/3圓周，放大觀察，轉(zhuǎn)角處裂紋斷續(xù)、多條，邊緣局部可見微小掉塊，退刀槽宏觀未見明顯缺陷。

(a)退刀槽裂紋1 (b)退刀槽裂紋2

圖9殼體底部退刀槽裂紋

1.3.2 微觀觀察

裂紋斷面及源區(qū)形貌如圖10所示。在掃描電鏡下觀察殼體裂紋斷口，呈多個(gè)線源起裂，裂紋源區(qū)未見材質(zhì)缺陷和腐蝕等異?，F(xiàn)象；裂紋交匯形成了多個(gè)疲勞臺(tái)階，并且在部分疲勞臺(tái)階處因裂紋交匯形成了小的掉塊。裂紋斷面特征如圖11所示，裂紋源區(qū)較平直，大致沿加工刀痕擴(kuò)展，且退刀槽表面加工刀痕較明顯，特別是退刀槽的開裂R角表面刀痕相對(duì)更為粗大。根據(jù)微觀電鏡分析結(jié)果，可知加工刀痕較粗大，可能誘發(fā)疲勞裂紋[3]。

(a)裂紋斷面 (b)源區(qū)形貌

圖10裂紋斷面及源區(qū)形貌

(a)斷面特征1 (b)斷面特征2

圖11裂紋斷面特征

1.4 金相組織檢查及硬度測(cè)試

在裂紋末端切取兩個(gè)殼體退刀槽縱向剖面，磨拋浸蝕后進(jìn)行觀察，殼體組織低倍形貌如圖12所示。低倍下，兩個(gè)剖面的組織一致，整體較均勻，僅殼體外壁顏色相對(duì)較淺。

(a)殼體低倍形貌1 (b)殼體低倍形貌2

圖12殼體組織低倍形貌

殼體縱向剖面退刀槽附近組織如圖13所示。高倍下殼體整體組織為正常的回火索氏體，外表面可見鐵素體，為很淺的半脫碳組織[4]；退刀槽處可見多條裂紋，裂紋附近組織正常，未見材質(zhì)缺陷。

(a)組織形貌1 (b)組織形貌2

(c)組織形貌3 (d)組織形貌4

圖13殼體縱向剖面退刀槽附近組織

在殼體剖面上測(cè)試維氏硬度，根據(jù)GB/T1172-1999換算成抗拉強(qiáng)度，殼體硬度測(cè)試結(jié)果HV0.5見表2，可見殼體各剖面硬度均勻，換算強(qiáng)度滿足技術(shù)要求。

表2 殼體硬度測(cè)試結(jié)果HV0.5

1.5 尺寸測(cè)量

1.5.1 壁厚測(cè)量

采用縱剖面金相體視測(cè)量和游標(biāo)卡尺直接測(cè)量?jī)煞N方法，對(duì)殼體底部退刀槽徑向和軸向壁厚進(jìn)行測(cè)量，殼體退刀槽處兩向壁厚測(cè)量結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，開裂區(qū)域殼體壁厚符合技術(shù)要求。

表3 殼體退刀槽處兩向壁厚測(cè)量結(jié)果/mm

1.5.2 退刀槽R角測(cè)量

在殼體縱剖面金相試樣上，觀察并測(cè)量退刀槽的開裂轉(zhuǎn)角R。殼體退刀槽下轉(zhuǎn)角形態(tài)如圖14所示。轉(zhuǎn)角形態(tài)整體呈圓弧形，高倍可見細(xì)微表面起伏，應(yīng)與表面加工刀痕有關(guān)。測(cè)量結(jié)果表明，開裂轉(zhuǎn)角R在0.8 mm左右，低于圖紙要求的R2。

(a)轉(zhuǎn)角形態(tài)1 (b)轉(zhuǎn)角形態(tài)2

圖14殼體退刀槽下轉(zhuǎn)角形態(tài)

1.6 分析建議

(1)行程限制作動(dòng)筒殼體裂紋為多源疲勞裂紋，裂紋源區(qū)未見材質(zhì)缺陷和腐蝕等異?，F(xiàn)象；

(2)殼體的組織、硬度、材質(zhì)正常，壁厚也符合技術(shù)要求；

(3)殼體R角小于圖紙要求，搖臂受附加載荷機(jī)構(gòu)拉壓作用使殼體承受扭矩作用，擬對(duì)殼體退刀槽處實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，評(píng)估其影響?；钊c殼體異常磨損、搖臂受力不均勻可能導(dǎo)致應(yīng)力升高，但通過分析生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)活塞桿磨損情況，發(fā)現(xiàn)在作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)過程中，活塞桿和殼體均會(huì)存在不同程度的磨損，屬于正常工作痕跡。

2 殼體有限元仿真分析

對(duì)殼體受力變形情況使用有限元仿真分析方法進(jìn)行理論分析，殼體在工作時(shí)受到液壓系統(tǒng)工作壓力的沖擊作用，殼體會(huì)發(fā)生一定的變形。因此為分析殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行模擬受力分析[4]。殼體載荷施加示意圖如圖15所示。為模擬故障產(chǎn)品受力真實(shí)情況，選取殼體退刀槽壁厚H=1.8 mm，R2=0.7 mm，殼體內(nèi)部退刀槽等表面受壓力28 MPa?；钊麠U正對(duì)殼體端面除了受液壓壓力作用，還承受彈簧壓縮彈力作用，活塞桿行程為16+0.80-1.57mm，彈簧壓縮16 mm時(shí)，彈力P=1544 N。行程限制作動(dòng)筒搖臂與附加載荷機(jī)構(gòu)相連，行程限制作動(dòng)筒搖臂理論最大拉壓力為488 N，對(duì)殼體產(chǎn)生扭矩作用為29.28 N·m。

圖15殼體載荷施加示意圖

對(duì)殼體建立簡(jiǎn)化筒體模型，分析殼體變形情況和應(yīng)力情況。為提高計(jì)算效率，將殼體建立簡(jiǎn)化模型。有限元仿真分析結(jié)果如圖16所示。殼體材料為30CrMnSiA，該材料的抗拉強(qiáng)度大于1080 MPa，屈服強(qiáng)度大于835 MPa，通過有限元分析結(jié)果可知，當(dāng)壓力為28 MPa時(shí)，在退刀槽處為應(yīng)力最大值點(diǎn)為562.08 MPa，最大變形點(diǎn)為0.032 mm，為彈性變形，殼體未發(fā)生破壞。

(a)仿真分析結(jié)果1 (b)仿真分析結(jié)果2

圖16有限元仿真分析結(jié)果

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果可知，當(dāng)R2=0.7 mm、壁厚H=1.8 mm時(shí)，有限元仿真分析結(jié)果顯示殼體為彈性變形，未發(fā)生變形破壞，結(jié)構(gòu)滿足試驗(yàn)工作條件。倒角問題不是導(dǎo)致殼體裂紋的主要原因。

表4 不同架次殼體退刀槽處尺寸結(jié)果測(cè)量結(jié)果/mm

3 現(xiàn)場(chǎng)檢查驗(yàn)證

3.1 現(xiàn)場(chǎng)不同架次殼體CT掃面驗(yàn)證

為了徹底檢查作動(dòng)筒殼體退刀槽處裂紋情況，選取四個(gè)架次殼體進(jìn)行工業(yè)CT掃描，根據(jù)掃描情況可知，該四個(gè)架次殼體均無(wú)裂紋和缺陷[5]。不同架次殼體退刀槽處尺寸結(jié)果測(cè)量結(jié)果如表4所示。不同架次殼體CT掃描結(jié)果如圖17所示。

A架次殼體 B架次殼體

C架次殼體 D架次殼體

圖17不同架次殼體CT掃描結(jié)果

3.2 現(xiàn)場(chǎng)殼體鑄型檢查

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全部共8個(gè)架次殼體退刀槽R角進(jìn)行鑄型，不同殼體R角鑄型結(jié)果如表5所示。根據(jù)鑄型情況可知CT掃描結(jié)果和鑄型結(jié)果差別較大，原因可能為鑄型后模型存在收縮現(xiàn)象。

表5 不同殼體R角鑄型結(jié)果/mm

3.3 殼體探傷方案確定

殼體材料為30CrMnSiA，為有效探測(cè)到殼體內(nèi)部退刀槽處探傷情況，擬對(duì)殼體進(jìn)行熒光探傷。選取現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)架次殼體進(jìn)行熒光探傷檢查，通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用熒光探傷時(shí)，熒光液對(duì)殼體內(nèi)部產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，同時(shí)熒光探傷對(duì)殼體退刀槽裂紋處誤判率較高。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)失效分析報(bào)告和有限元仿真分析，殼體的組織、硬度、材質(zhì)正常，壁厚也符合技術(shù)要求。

(2)退刀槽的R角小于圖紙要求，但有限元仿真結(jié)果顯示，退刀槽的開裂R角位置未發(fā)生塑性變形；活塞桿和殼體磨損痕跡也在正常工作范圍內(nèi)。裂紋源區(qū)較平直，裂紋大致沿加工刀痕擴(kuò)展，且退刀槽表面加工刀痕較明顯，特別是退刀槽的開裂R角表面刀痕相對(duì)更為粗大。

(3)該殼體裂紋應(yīng)為加工刀痕、疲勞應(yīng)力和退刀槽R較小等多因素導(dǎo)致的疲勞裂紋，為偶發(fā)性故障。