某型IDG缸筒更換襯套的安全性驗(yàn)證

段斐翡

摘要：對(duì)波音737飛機(jī)IDG缸筒在更換襯套修理后的安全性進(jìn)行了分析研究。根據(jù)材料力學(xué)原理，對(duì)缸筒內(nèi)部柱塞孔進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算出缸筒修理前后的安全系數(shù)，再計(jì)算出襯套安裝后的保持力安全系數(shù)，通過(guò)對(duì)凹槽加固作用后的安全性系數(shù)的分析對(duì)比，驗(yàn)證了缸筒更換襯套修理方案的合理性，最后經(jīng)過(guò)裝機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了缸筒修理后的安全性。

關(guān)鍵詞：缸筒；襯套更換；應(yīng)力分析；安全系數(shù)

Keywords：cylinder；bushing replacement；stress analysis；safety factor

1 研究背景

本文主要研究件號(hào)為PN764635缸筒。該缸筒用于空客A318 /319/320/321系列、A340-200/300/500/600系列、波音737系列飛機(jī)的IDG上。缸筒是IDG的子部件泵和馬達(dá)組件（見圖1）上的一個(gè)部件[1]。

泵和馬達(dá)組件為差動(dòng)組件提供調(diào)速，它們一起將IDG輸入的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為恒定的輸出速度。泵和馬達(dá)組件采用滑靴-柱塞結(jié)構(gòu)，由固定的液力組件（包含一個(gè)固定斜盤和一個(gè)擁有九個(gè)柱塞孔的缸筒）、一個(gè)分油盤、可變的液力組件（包含一個(gè)可變斜盤和一個(gè)擁有九個(gè)柱塞孔的缸筒）和齒輪軸組成[2]。

缸筒是一種斜盤式軸向柱塞泵，靠柱塞在柱塞腔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變柱塞腔內(nèi)的容積，實(shí)現(xiàn)吸油和排油。一方面柱塞與缸體一起旋轉(zhuǎn)，沿缸體平面做圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面柱塞又相對(duì)缸體做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[3]。圖2所示缸筒都有9個(gè)柱塞孔，襯套位于孔的內(nèi)壁。

在使用過(guò)程中，襯套可能會(huì)發(fā)生磨損。根據(jù)手冊(cè)要求，小的磨損（約0.5mm）經(jīng)過(guò)珩磨后可以繼續(xù)使用。但是當(dāng)IDG的TSR（修理后使用時(shí)間）超過(guò)10000小時(shí)以上時(shí)，拆下的缸筒襯套基本已經(jīng)不能再繼續(xù)使用。某公司2019年完成IDG修理157件，其中50件涉及缸筒磨損超標(biāo)，報(bào)廢后更換新缸筒62件（每臺(tái)IDG裝兩個(gè)缸筒），申購(gòu)新缸筒共花費(fèi)477萬(wàn)元。為了節(jié)約成本，需要對(duì)襯套進(jìn)行更換修理研究。

2 缸筒更換襯套的修理方案

3 缸筒更換襯套后的安全性計(jì)算

由于該缸筒修理手冊(cè)中并未給出針對(duì)襯套更換的修理方案，而此類損壞是很常見的損傷，因此，參考CCAR-43附錄E，對(duì)比一般修理及重要修理判定要求（見表1），確定缸筒更換襯套修理為一般修理。此類修理要求，修復(fù)后的缸筒由于修理前后重量相同，因此在重量和平衡方面的影響可以忽略；修復(fù)后的零件尺寸與原件一致，因此在上一級(jí)組件上的操作或性能影響可以忽略；修復(fù)后的零件在冶金、尺寸上也與原件相同，修理對(duì)與其他修理、部件配合和材料的相容性影響可以忽略。修理前后唯一變化的是襯套進(jìn)行了拆下和安裝的機(jī)加工工序，因此只需要驗(yàn)證修理前后缸筒本體及襯套在相同作用力下的運(yùn)行是否安全即可[5]。

由于是超規(guī)范修理，且CCAR-25R4中關(guān)于驗(yàn)證計(jì)算沒有規(guī)定固定的驗(yàn)證方法，因此，根據(jù)機(jī)械加工特點(diǎn)，本文使用材料力學(xué)計(jì)算分析安全系數(shù)的方法，以應(yīng)力判斷為依據(jù)，對(duì)修理前后的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證修理方案的可行性。

安全系數(shù)是進(jìn)行機(jī)械等工程設(shè)計(jì)加工時(shí)，為了防止因材料的缺點(diǎn)、工作的偏差、外力的突增等因素所引起的后果，理論上設(shè)定的工程受力部分能夠承擔(dān)的力必須大于實(shí)際承擔(dān)的力，即極限應(yīng)力與許用應(yīng)力之比為安全系數(shù)[8]。安全系數(shù)考慮了計(jì)算載荷及應(yīng)力準(zhǔn)確性、機(jī)件工作重要性以及材料的可靠性等因素影響機(jī)件強(qiáng)度的裕度，其值應(yīng)大于等于1。下面分別就缸筒本體以及襯套修理的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 缸筒及襯套的材料

依據(jù)CCAR-25R4第25.603有關(guān)材料的相關(guān)規(guī)定，對(duì)安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)（如工業(yè)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定），保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其他性能。該缸筒本體材料為ASTM A681 A6工具鋼[6]，屈服強(qiáng)度為264ksi，參數(shù)如圖4所示。缸筒襯套的材料為C93700鉛錫青銅[7]，屈服強(qiáng)度為20ksi，參數(shù)如圖5所示。

3.2 缸筒本體安全系數(shù)計(jì)算

首先通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)繪，以及廠家的相關(guān)資料，確定缸筒的詳細(xì)尺寸及修理限制尺寸。

3.4 缸筒安全性計(jì)算小結(jié)

通過(guò)以上工程應(yīng)力計(jì)算，確定缸筒的設(shè)計(jì)安全系數(shù)FS為17.40，修復(fù)過(guò)程的安全系數(shù)FS為15.92。在安裝套筒之前，修復(fù)FS在設(shè)計(jì)FS的8%以內(nèi)。

根據(jù)缸筒內(nèi)壁凹槽直徑，計(jì)算出修復(fù)安全系數(shù)是14.22，在安裝襯套之前，該系數(shù)在設(shè)計(jì)安全系數(shù)FS的18%以內(nèi)。考慮到安裝襯套后的滾壓因素，此安全系數(shù)是可以接受的。

以上襯套保持分析的計(jì)算表明，設(shè)計(jì)安全系數(shù)FS為31.08，修復(fù)過(guò)程的FS范圍為20.09（有凹槽）和24.78（無(wú)凹槽）。無(wú)凹槽修補(bǔ)FS在設(shè)計(jì)FS的20%以內(nèi)。對(duì)于開槽壁，該比率較小。以上過(guò)程，驗(yàn)證了該修理的合理性。另外，襯套經(jīng)過(guò)滾壓處理，耐磨性得到提高的同時(shí)疲勞強(qiáng)度也會(huì)增加，從而更加耐疲勞，更加耐表面壓力。

4 測(cè)試驗(yàn)證

該缸筒的修理屬于簡(jiǎn)單修理，前面已經(jīng)對(duì)修理后缸筒的安全性進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。為了更進(jìn)一步驗(yàn)證其安全性，將修理后缸筒裝上其上級(jí)組件IDG后，對(duì)IDG進(jìn)行反復(fù)臺(tái)架測(cè)試，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)均在手冊(cè)要求范圍內(nèi)。其中，IDG的PMG頻率約1199.2HZ，線電壓約92.66V，線電流約3.91A；開路狀態(tài)檢測(cè)電壓實(shí)測(cè)值約115.13V，勵(lì)磁電流達(dá)到5A時(shí)，電壓約158.4V；電流互感器檢查，調(diào)速器調(diào)節(jié)和沖壓檢查，頻率調(diào)節(jié)測(cè)試，發(fā)電機(jī)負(fù)載檢查等數(shù)據(jù)參數(shù)均滿足手冊(cè)要求。驗(yàn)證了該修理方案的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] Hamilton-Sundstrand CMM 24- 14-17 [Z]. Latest Revision.

[2] Hamilton-Sundstrand CMM 24-14-21 [Z]. Latest Revision.

[3] 袁合.斜盤式軸向柱塞泵關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[4] B&E Aircraft Component Repair Drawings and Documents as indicated [Z].

[5] Engineering Resource [OL]，www.engineeredge.com.

[6] Standard specification for tool steels alloy ASTM-A681 [S].

[7] Standard specification for C93700[S].

[8] 翟培祥.斜盤式軸向柱塞泵設(shè)計(jì)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1978.