飛機液壓管路故障分析及安裝控制技術(shù)研究

佟 鑫，趙樹勇，李 喆

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

飛機系統(tǒng)主要包括液壓、燃油、環(huán)控、氧氣、救生和動力裝置等，每個系統(tǒng)具備不同的功用，其安全良好的工作狀態(tài)對飛機的正常飛行起著至關(guān)重要的作用。液壓系統(tǒng)則是現(xiàn)代飛機最重要的機械系統(tǒng)之一，同時也是故障率高發(fā)系統(tǒng)，它擔負著各舵面操縱、起落架及艙門收放、機輪剎車、應(yīng)急電源液壓驅(qū)動等重要任務(wù)，其工作可靠性直接影響飛行安全。液壓系統(tǒng)導(dǎo)管材料為1Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)管，冷彎成型，屬于擴口連接，采用導(dǎo)管上外套螺母與中間接頭螺紋聯(lián)接形式，實現(xiàn)擴口錐面變形從而產(chǎn)生線密封，壓力體制為28 MPa。

液壓系統(tǒng)管路主要采用以導(dǎo)管通過結(jié)構(gòu)的通孔或成品連接管接頭為基準，鋪設(shè)整條管路的裝配方法。管路裝配基準與結(jié)構(gòu)件的常規(guī)裝配基準有所不同，系統(tǒng)管路最終需保證整條管路的準確性及協(xié)調(diào)性，而制約管路安裝協(xié)調(diào)度的因素很多，有導(dǎo)管制造精度、功能附件接頭角度、固定點準確度、導(dǎo)管安裝方法流程等。雖然筆者在整個液壓系統(tǒng)安裝協(xié)調(diào)及準確度控制方面做了一些研究工作，但環(huán)節(jié)較局限，操作性不強。

1 管路斷裂故障模式

液壓系統(tǒng)管路故障主要體現(xiàn)在導(dǎo)管喇叭口根部裂紋、平管嘴根部裂紋、管體在管夾內(nèi)斷裂、管體起彎處斷裂等現(xiàn)象[1]，裂紋萌生部位通常處于導(dǎo)管的固定點和連接接頭附近，以及導(dǎo)管的彎曲度較大和表面有壓坑、劃傷的部位(見圖1)。

圖1 導(dǎo)管裂紋示意圖

2 斷裂機理分析

2.1 問題定位

導(dǎo)管裂紋是在多種因素綜合影響下產(chǎn)生，為準確查找、定位具體問題，建立故障樹(見圖2)，通過故障樹底事件排查，最終確定主要問題所在。

圖2 故障樹[2]

通過建立故障樹進行系統(tǒng)分析，列出可能導(dǎo)致導(dǎo)管裂紋的底事件問題共有29項，經(jīng)過逐個排查及排除，可總結(jié)如下。

在機體振動條件下，導(dǎo)管斷裂或裂紋的產(chǎn)生與設(shè)計標準(管路剛度)、導(dǎo)管制造問題(導(dǎo)管實樣狀態(tài)、導(dǎo)管制造精度、鋼絲樣板狀態(tài)、法蘭盤角度控制、導(dǎo)管外形檢測、關(guān)鍵控制點的識別與控制、導(dǎo)管表面質(zhì)量控制)、連接件制造問題(平管嘴內(nèi)R加工、平管嘴內(nèi)R檢測、接頭角度控制、接頭相對位置)及裝配問題(固定點定位精度、成品底座準確度、分離面導(dǎo)管定位協(xié)調(diào)度、固定點協(xié)調(diào)度、導(dǎo)管安裝順序、導(dǎo)管補彎曲不規(guī)范、導(dǎo)管應(yīng)力大、直線段檢查、安裝應(yīng)力檢測、穿墻接頭安裝控制)均有關(guān)聯(lián)，導(dǎo)管斷裂或裂紋是在上述因素的綜合影響下產(chǎn)生的。

整體可以分為三大類，導(dǎo)管直線段不足、3Δ值(不貼合度Δ1、不同軸度Δ2、偏斜度Δ3)超標、管路支承剛度差等問題。

2.2 液壓導(dǎo)管損傷特點分析

為摸清液壓系統(tǒng)導(dǎo)管斷裂問題機理，對某型飛機液壓系統(tǒng)導(dǎo)管故障46起問題進行了統(tǒng)計分析。故障分析統(tǒng)計圖如圖3所示。

圖3 故障分析統(tǒng)計圖

導(dǎo)管故障特點分析如下[3]。

1)導(dǎo)管斷裂主要分布在振動較強的機身(34-42)框區(qū)域內(nèi)，左右尾梁、左右發(fā)動機艙和左右垂尾，共發(fā)生39起，占總故障數(shù)的85%，說明振動是導(dǎo)管損傷的主要因素。

2)從損傷形式看，損傷主要包括喇叭口根部裂紋、平管嘴根部裂紋、管體在管夾內(nèi)斷裂，3種損傷形式原因為管體在平管嘴內(nèi)或管夾內(nèi)局部磨損造成斷裂，共發(fā)生44起，占總故障數(shù)的96%。故導(dǎo)管出平管嘴直線段、出管夾直線段不足是導(dǎo)管損傷的另一個主要因素。

3)通過對液壓導(dǎo)管斷裂現(xiàn)象進行外觀檢查、斷口宏觀、微觀觀察、化學成分分析、力學性能測試及金相組織檢查等理化分析工作，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，導(dǎo)管裂紋性質(zhì)均為疲勞裂紋[4]。

2.3 液壓導(dǎo)管失效分析

1)直線段不足引起的斷裂。

液壓系統(tǒng)導(dǎo)管材料為1Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)管，屬于擴口連接形式，導(dǎo)管在安裝過程中無任何補償余量進行空間姿態(tài)調(diào)整，且安裝精度要求較高，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，目前只能通過導(dǎo)管補彎曲的工藝手段進行導(dǎo)管安裝調(diào)整。導(dǎo)管補彎曲過程中因需保證安裝3Δ值而忽略導(dǎo)管直線段要求，導(dǎo)致機上出現(xiàn)部分導(dǎo)管直線段不符合標準要求。

故障導(dǎo)管地面補彎曲幅度大，補彎曲操作過程中，受人為因素的影響，導(dǎo)管直線段易被破壞，導(dǎo)管平管嘴根部會貼合導(dǎo)管起彎處外壁，受平管嘴末端擠壓，導(dǎo)管外壁產(chǎn)生損傷缺陷，該缺陷部位為導(dǎo)管零件結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中部位。

2)3Δ值超標引起的斷裂。

導(dǎo)管安裝中產(chǎn)生的應(yīng)力是影響導(dǎo)管安裝質(zhì)量的重要因素之一，適當?shù)难b配應(yīng)力有利于管路與管接頭之間實現(xiàn)過盈配合，保證管路的密封性能[5]。但是，裝配應(yīng)力過大卻是造成液壓導(dǎo)管裂紋、斷裂的一個主要原因[6]。目前，控制裝配應(yīng)力的唯一方法是導(dǎo)管安裝的3Δ值，包括不貼合度Δ1、不同軸度Δ2和偏斜度Δ3，不同管徑、不同長度、不同管型導(dǎo)管，設(shè)計標準均不相同，不允許超出標準范圍內(nèi)。若導(dǎo)管3Δ值無法滿足標準要求，則導(dǎo)管存在較大應(yīng)力裝配。

3)管路支承剛度差引起的斷裂。

個別管路無固定支承點，在機體振動條件下，易產(chǎn)生振動磨損。管路在振動的作用下，管路與管路連接、固定處配合面產(chǎn)生相對位移而形成的摩擦表面損傷；或是因管路振動位移過大，而與相鄰物體(如結(jié)構(gòu)、相鄰管路等)產(chǎn)生反復(fù)碰撞摩擦而形成的表面損傷，嚴重時可在管路表面形成明顯的磨損缺陷而導(dǎo)致管路損壞。

3 全流程控制方法

3.1 零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制

1)功能附件接頭角度控制。

在導(dǎo)管裝配過程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管安裝質(zhì)量與功能附件配套接頭準確度、定位基準相關(guān)，若接頭角度存在差異，不同架次狀態(tài)不一致，影響導(dǎo)管安裝的偏斜度。若定位基準不統(tǒng)一，導(dǎo)管與功能附件存在不協(xié)調(diào)問題，需對導(dǎo)管進行補彎曲，導(dǎo)管安裝困難。

為加強與導(dǎo)管連接功能附件配套接頭角度控制，明確功能附件定位基準和接頭角度公差，以零件供應(yīng)狀態(tài)表的形式申請零件制造單位進行管控；零件制造單位按狀態(tài)需求，申請改進工裝定位形式，增加定位器，嚴格控制接頭安裝角度，保證角度公差在±30′范圍內(nèi)。

2)平管嘴加工方法優(yōu)化。

平管嘴內(nèi)R角尺寸加工方法的研究與優(yōu)化改進。內(nèi)孔d、圓角r及66°度面改用數(shù)控車一次走刀成形，保證圓角r與內(nèi)孔、度面過渡圓滑，尺寸合格。

平管嘴內(nèi)R檢測方式由普通樣板檢測改為復(fù)合式影響測量儀保證測量精度。

3)導(dǎo)管制造精度提升。

導(dǎo)管精度等級為設(shè)計按導(dǎo)管在飛機上使用功能給定的導(dǎo)管制造精度，導(dǎo)管分為3個精度等級：Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，設(shè)計未規(guī)定的導(dǎo)管按Ⅲ級精度等級制造?，F(xiàn)有的導(dǎo)管檢測標準主要依據(jù)俄方標準轉(zhuǎn)化而來，主要應(yīng)用模擬量方式(導(dǎo)管夾具、鋼絲樣板)檢驗。Ⅰ級、Ⅱ級精度的φ12以上的導(dǎo)管用工裝夾具進行檢驗，其他按鋼絲樣板進行檢驗。從檢測數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)管的制造誤差很大，難以滿足使用環(huán)境振動和脈動影響較大的使用需求。

為了降低導(dǎo)管制造誤差，提升導(dǎo)管制造精度，從如下幾個方面開展工作。

1)提高導(dǎo)管精度等級。

對于飛機發(fā)動機艙、垂尾和尾梁等使用環(huán)境振動較大區(qū)域的液壓系統(tǒng)導(dǎo)管，將原圖樣中要求為Ⅱ級、Ⅲ級精度的導(dǎo)管精度等級統(tǒng)一提高到Ⅰ級精度。

2)導(dǎo)管專用工裝。

關(guān)于重點管控導(dǎo)管要采用專用工裝控制導(dǎo)管制造精度，導(dǎo)管A、B端模擬裝機狀態(tài)通過接頭旋緊方式進行定位，固定點位置通過托架測量間隙的方式進行檢查間隙值，嚴格控制導(dǎo)管制造精度。通過采取導(dǎo)管專用工裝定位，能保證導(dǎo)管制造誤差<1 mm。

3)數(shù)字化加工檢測。

導(dǎo)管全面采用數(shù)控彎曲成形；導(dǎo)管端頭全部采用數(shù)控擴口，固化擴口余量和進給速率，提高導(dǎo)管端頭擴口精度和穩(wěn)定性；導(dǎo)管成形后全面采用數(shù)字化測量代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼絲樣板檢測，提高導(dǎo)管外形檢測精度。

4)導(dǎo)管表面質(zhì)量控制。

導(dǎo)管表面質(zhì)量差，會使導(dǎo)管局部應(yīng)力集中，管路在高壓應(yīng)力、壓力脈動沖擊、結(jié)構(gòu)振動等復(fù)雜環(huán)境影響下，導(dǎo)致導(dǎo)管承受的應(yīng)力水平較高，產(chǎn)生裂紋。為了提高導(dǎo)管表面質(zhì)量，在運輸和周轉(zhuǎn)過程中采用聚氯乙烯塑料袋進行導(dǎo)管單獨包裝，避免機械損傷。

3.2 系統(tǒng)管路固定點協(xié)調(diào)度及準確度控制

導(dǎo)管從成品管接頭出發(fā)，通過中間固定點與結(jié)構(gòu)固定，導(dǎo)管鋪設(shè)到結(jié)構(gòu)蒙皮接頭上。導(dǎo)管固定點準確性與穩(wěn)定性直接影響導(dǎo)管進入管夾的協(xié)調(diào)性。

3.2.1 導(dǎo)管固定點準確性控制

固定點定位(見圖4)要以成品接頭、穿墻接頭、機加墻、框為定位基準，通過定位工裝(包括工藝導(dǎo)管、立體樣板、工裝定位器、成品模型、常規(guī)樣板、裝配孔等)，定位成品支座、導(dǎo)管固定點與系統(tǒng)件相連接的孔位，保證其位置準確性及與成品、導(dǎo)管的協(xié)調(diào)性，最終實現(xiàn)系統(tǒng)導(dǎo)管小應(yīng)力裝配。

1)成品底座定位。

成品是一條管路的源頭，是協(xié)調(diào)整條管路的定位基準。因此，要嚴格控制成品安裝位置，保證其準確度。成品底座原則上按工裝定位器或成品模型協(xié)調(diào)定位安裝，保證成品與底座孔位關(guān)系協(xié)調(diào)，安裝準確，實現(xiàn)無應(yīng)力裝配。

2)封閉區(qū)內(nèi)固定點定位。

在結(jié)構(gòu)封閉區(qū)內(nèi)，液壓系統(tǒng)成品、導(dǎo)管及固定點一般是由同一單位或工位來安裝。固定點參考設(shè)計理論尺寸的同時，可按封閉區(qū)內(nèi)管路路徑及走向協(xié)調(diào)定位安裝，保證導(dǎo)管與固定點小應(yīng)力裝配。

3)半封閉區(qū)內(nèi)固定點定位。

半封閉區(qū)是指結(jié)構(gòu)空間較開敞，施工通路很好的區(qū)域，如發(fā)動機艙、進氣道等?？墒褂昧Ⅲw樣板進行導(dǎo)管固定點的定位連接和安裝，如導(dǎo)管平行站位、固定點位置在同一結(jié)構(gòu)平面上，排列整齊；使用工裝定位器、常規(guī)定位樣板、裝配孔進行導(dǎo)管固定點的定位安裝，定位基準盡可能選擇主承力零件。

4)對接區(qū)固定點定位。

對接區(qū)是指組合件、段件、部件等對接區(qū)域，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)管安裝后易出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的問題，此區(qū)域是導(dǎo)管固定點定位重點控制區(qū)域。

對接區(qū)域且具有協(xié)調(diào)關(guān)系的導(dǎo)管固定點，盡可能在組合件、段件、部件等對接后協(xié)調(diào)定位安裝，保證安裝狀態(tài)穩(wěn)定，整條管路協(xié)調(diào)，避免裝配誤差因素導(dǎo)致導(dǎo)管安裝的不協(xié)調(diào)問題發(fā)生；對接區(qū)域且具有協(xié)調(diào)關(guān)系的導(dǎo)管固定點，原則上采用工藝導(dǎo)管的定位方法定位安裝導(dǎo)管固定點，固定點按工藝導(dǎo)管管型及走向進行定位安裝，保證導(dǎo)管與固定點協(xié)調(diào)，小應(yīng)力裝配。

a)立體樣板

b)工藝導(dǎo)管

3.2.2 分離面導(dǎo)管協(xié)調(diào)性控制

對結(jié)構(gòu)分離面處有結(jié)合要求的導(dǎo)管，應(yīng)考慮互換要求，以結(jié)構(gòu)交點或部件的定位基準為導(dǎo)管的定位基準，參考數(shù)模理論站位，協(xié)調(diào)定位導(dǎo)管自由端。

部件分離面導(dǎo)管若與成品連接，可使用成品模型進行分離面導(dǎo)管自由端定位控制。部件分離面導(dǎo)管若與導(dǎo)管連接，可使用工裝定位器進行分離面導(dǎo)管自由端定位控制。

3.3 規(guī)范系統(tǒng)管路安裝方法及流程

導(dǎo)管安裝順序遵循的基本原則是從航前向航后，由里向外鋪設(shè)安裝，特殊情況具體分析。

1)編發(fā)典型工藝規(guī)程。

制定導(dǎo)管安裝及補彎曲典型工藝規(guī)程，在安裝導(dǎo)管過程中，若出現(xiàn)導(dǎo)管之間的不貼合度、不同軸度、偏斜度超出規(guī)定范圍，并具備文件要求的導(dǎo)管補彎曲條件，為避免導(dǎo)管在固定處和連接處產(chǎn)生附加應(yīng)力[10]，保證導(dǎo)管安裝偏差和間隙，可將導(dǎo)管拆下，在飛機外或?qū)ｉT工作場地借助彎管夾具彎曲導(dǎo)管，導(dǎo)管彎曲的位置應(yīng)選擇在距固定連接處安裝處足夠遠的直線段上，焊接配件導(dǎo)管禁止補彎曲，嚴禁在機上進行補彎曲工作。

2)繪制安裝流程圖。

對全機液壓系統(tǒng)管路進行安裝梳理，繪制完成液壓系統(tǒng)導(dǎo)管安裝總體流程圖和區(qū)域安裝流程圖，形成圖冊統(tǒng)一編冊用于指導(dǎo)生產(chǎn)，規(guī)范操作。

3.4 明確檢查標準及方法

3.4.1 導(dǎo)管直線段檢查

按照標準，從管夾伸出的導(dǎo)管應(yīng)該有≥5 mm的直線段，與接頭連接的導(dǎo)管應(yīng)該有≥7 mm的直線段(從管口相反方向平管嘴的末端量起)要求。若導(dǎo)管直線段無法滿足標準要求，易出現(xiàn)管體在管夾或平管嘴內(nèi)局部相互摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)管出現(xiàn)磨損或裂紋。

采取工藝措施，在液壓系統(tǒng)導(dǎo)管接頭端做出直線段警示標線，導(dǎo)管制造單位在工藝規(guī)程終檢工序中增加直線段檢查內(nèi)容；導(dǎo)管進行裝配、地面補彎曲及其他工作時采取防護措施，直線段標線內(nèi)的管體不允許受力、變形。導(dǎo)管安裝到位后用測量工具檢查導(dǎo)管標線內(nèi)的直線段情況。

3.4.2 導(dǎo)管3Δ值檢查

按照標準要求，導(dǎo)管、附件和中間的固定點安裝時必須滿足安裝誤差的規(guī)定，安裝誤差包括不貼合度Δ1、不同軸度Δ2、偏斜度Δ3。實際導(dǎo)管安裝過程中，由于不同軸度Δ2、偏斜度Δ3在機上空間受限情況下，操作困難無法準確測出數(shù)值。通過開展工藝試驗，模擬不同狀態(tài)下導(dǎo)管的安裝誤差，確定3Δ值(貼合度、不同軸度、偏斜度)檢查方法和檢測工具，優(yōu)化導(dǎo)管安裝應(yīng)力檢測方法，完善工藝規(guī)程。

1)不貼合度Δ1的測量方式。

在測量不貼合度Δ1時，按壓導(dǎo)管至導(dǎo)管內(nèi)錐面與管接頭間隙最小處單面貼合，用專用量具檢查最大間隙處，間隙應(yīng)不大于標準中彎曲鋼制導(dǎo)管連接不貼合度規(guī)定值X。

若因空間等因素無法采用按壓方式檢測時，可使用千分墊等工具對單面最大間隙點及其同直徑對位點間隙進行測量，兩處間隙總值應(yīng)不大于標準中彎曲鋼制導(dǎo)管連接不貼合度規(guī)定值X。

專用量具的直徑D按如下計算式進行計算：

2)不同軸度Δ2、偏斜度Δ3不進行實際測量，應(yīng)采用如下方式檢測。

預(yù)安裝：用手勁可使螺母旋進旋出(旋進至剩余螺扣最多2扣)，過程沒有緊澀感，退出外套螺母后，檢查外套螺母和管接頭的螺紋連續(xù)、完整。

正式安裝：用手勁可使螺母旋進旋出(旋進至剩余螺扣最多2扣)，過程沒有緊澀感，最后用擰緊工具完成連接裝配。

4 結(jié)語

通過上述分析，并在后續(xù)飛機裝配及使用過程中得到充分驗證，總結(jié)的全流程技術(shù)方法對液壓管路安裝質(zhì)量控制具有一定指導(dǎo)意義。本文全面分析了液壓系統(tǒng)導(dǎo)管的故障模式及機理，制定的全流程控制工藝方法能夠解決液壓管路安裝的不協(xié)調(diào)問題，效果良好，能夠提升液壓系統(tǒng)管路安裝協(xié)調(diào)準確度，有效降低了內(nèi)、外場故障率。