某直升機(jī)主起剎車裝置固定螺栓斷裂分析

郭躍東，李建偉，朱小平，賈夢夢

(陸裝駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

機(jī)輪剎車是飛機(jī)剎車系統(tǒng)核心構(gòu)件，是最主要、應(yīng)用最廣泛的剎車裝置之一。駕駛員通過剎車系統(tǒng)控制剎車裝置，進(jìn)行飛機(jī)的減速、著陸、轉(zhuǎn)彎等標(biāo)準(zhǔn)動作。

某型機(jī)牽引時，機(jī)輪剎車裝置的固定螺栓斷裂，導(dǎo)致主起落架機(jī)輪剎車裝置脫落。該固定螺栓用于固定剎車靜盤和剎車動盤。從現(xiàn)場反饋照片來看，螺栓從螺紋根部斷裂(如圖1所示)。

圖1 斷裂螺栓

下部兩個螺栓明顯彎曲，與之對應(yīng)的螺栓安裝孔內(nèi)襯套及軸座上有明顯刮痕；上部兩個螺栓未變形，附近結(jié)構(gòu)無異常；剎車裝置下端有沖擊坑，深度大約2 mm，直徑約6 mm。故障發(fā)生時，駕駛艙人員在位，機(jī)輪剎車為松剎狀態(tài)，牽引程序正常，未有其他異常情況。

1 故障分析

分析認(rèn)為，造成剎車裝置固定螺栓斷裂的原因可能有傳力不合理、選材不合理、強(qiáng)度不足、材料有缺陷等8種情況，具體分析如下：

1)“傳力不合理”排查情況

查閱圖紙分析，剎車裝置正常使用時，機(jī)輪通過摩擦力將載荷傳遞至剎車缸體，剎車缸體通過四根連接螺栓將載荷傳至主起緩沖支柱，此時螺栓主要受剪切作用，傳力路徑清晰，載荷分配合理；同時查閱了類似剎車結(jié)構(gòu)的機(jī)型的外場使用狀況，未出現(xiàn)螺栓斷裂情況，故排除了傳力不合理的可能。

2)“強(qiáng)度不足”排查情況

直升機(jī)剎車時，剎車力矩通過摩擦力傳遞至剎車安裝裝置上，再通過4個M8螺栓傳遞至輪軸上，其受力示意圖見圖2。

圖2 剎車裝置安裝受力示意圖

剎車力矩(≤4400 Nm)通過剎車片上的摩擦力平衡。假設(shè)其等效作用線在剎車片中線處，等效載荷為，由于剎車片中線位置距離剎車安裝面尚有距離，還將產(chǎn)生附加彎矩。該載荷將通過剎車裝置與軸座連接的4個M8螺栓平衡。

(1)

該載荷在上下兩排螺栓上均分，則單個螺栓剪切載荷：

(2)

該剪切載荷產(chǎn)生的附加彎矩：

(3)

上述附加彎矩通過上下兩排螺栓拉-壓平衡，單個螺栓受拉載荷：

在螺栓收口區(qū)，主要承受拉載荷，其應(yīng)力為：

(4)

在安裝面，主要承受拉-剪復(fù)合載荷。受剪載荷產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：

(5)

受拉載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力：

(6)

考慮拉-剪復(fù)合：

(7)

裕度：

(8)

螺栓承受拉剪組合，連接螺栓的最小安全裕度為0.18。正常使用下，螺栓強(qiáng)度足夠，故排除了強(qiáng)度不足的可能。

3)“材料有缺陷”排查情況

原材料經(jīng)入廠檢驗程序，檢驗結(jié)果合格。對故障螺栓進(jìn)行理化分析結(jié)果見表1，檢測結(jié)果符合原材料1Cr17Ni3A的技術(shù)要求，故排除了材料有缺陷的可能。

表1 化學(xué)分析結(jié)果wt(%)

4)“制造有缺陷”排查情況

對螺栓生產(chǎn)產(chǎn)家的追溯核查結(jié)果，該斷裂螺栓各個生產(chǎn)工序與藍(lán)圖上要求完全一致，故排除了制造有缺陷的可能。

5)“外力沖擊”排查情況

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)天直升機(jī)使用過程中起落30余架次，未出現(xiàn)撞擊等異常現(xiàn)象，任務(wù)結(jié)束后剎車處于松開狀態(tài)正常牽引，在牽引和剎車掉落期間也未出現(xiàn)撞擊等異常情況。對起落架雙剎車裝置進(jìn)行拆解，在起落底部螺母上有磕痕如圖3。經(jīng)測量，剎車缸體上凹坑尺寸與螺母磕痕一致。通過現(xiàn)場比對分析認(rèn)為，凹坑是螺栓斷裂后，直升機(jī)進(jìn)行平臺著陸時，機(jī)輪帶動剎車缸體整體繞輪軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動時剎車缸體與起落架底部的固定螺母發(fā)生磕碰產(chǎn)生的，如圖4所示。故排除了外力沖擊的可能。

圖3 剎車缸體凹坑

圖4 剎車缸體與螺母碰撞示意圖

6)“未按要求使用剎車”排查情況

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)天直升機(jī)只進(jìn)行了平臺著陸飛行訓(xùn)練的任務(wù)，著陸之前將主機(jī)輪剎住，符合飛行手冊平臺著陸操作要求。故排除了未按要求使用剎車的可能。

7)“選材不合理”排查情況

固定螺栓材料為1Cr17Ni3A。查詢《中國航空材料手冊·第一卷》，材料1Cr17Ni3A的可使用的強(qiáng)度區(qū)間：880～1080 MPa，980～1180 MPa，≥1350 MPa，在1180～1350 MPa之間存在空檔。對于圖紙要求的1275±100 MPa，有部分落在1180～1350 MPa之間，因此在1275±100 MPa區(qū)間使用1Cr17Ni3A可能不合理。故選材不合理可能是造成事故的因素之一。

8) “熱處理工藝不合理”排查情況

經(jīng)復(fù)查螺栓熱處理工藝文件，螺栓熱處理工藝要求的1125～1375MPa在《中國航空材料手冊·第一卷》中未列出，故熱處理工藝不合理可能是造成事故的因素之一。

2 機(jī)理分析

2.1 微觀分析

通過上述故障分析，初步認(rèn)定“螺栓選材不合理”及“熱處理工藝的回火溫度區(qū)間選擇不合理”是造成故障的原因。將兩件斷裂螺栓進(jìn)行微觀檢測，其端口微觀形貌結(jié)果如圖5所示。

圖5 人工打開斷口微觀形貌

1)斷口微觀形貌均為沿晶形貌特征，與斷裂部位的斷口微觀形貌一致，可進(jìn)一步確定失效件斷裂性質(zhì)為沿晶脆性斷裂。

2)失效螺栓熱處理回火溫度落在了1Cr17Ni3A不銹鋼的回火脆性區(qū)間，建議避開該區(qū)間的回火溫度，選擇該溫度區(qū)間外能滿足設(shè)計要求的回火溫度。

2.2 螺栓載荷分析

該機(jī)型直升機(jī)著陸工況分為懸停著陸、滑跑著陸、平臺著陸和著艦，其中滑跑著陸及平臺著陸需要操縱剎車?；苤懬皠x車處于松開狀態(tài)，著陸后在地面滑行時，適時使用剎車減速。此時，剎車裝置固定螺栓載荷隨剎車力矩增大而增加，如遇緊急剎車制動，剎車力矩變化劇烈，螺栓可能會受到?jīng)_擊載荷。直升機(jī)平臺著陸前需將主機(jī)輪停機(jī)剎車剎住，下滑進(jìn)場，再慢慢垂直下降，主機(jī)輪、前機(jī)輪依次接地。此時主機(jī)輪為抱死狀態(tài)，機(jī)身為抬頭姿態(tài)，落地瞬間，機(jī)身有向前滑行趨勢，導(dǎo)致剎車裝置固定螺栓受到來自地面的沖擊載荷。沖擊載荷大小與觸地前的速度和抬頭角有關(guān)。

2.3 熱處理工藝分析

針對斷口分析結(jié)論，對剎車裝置安裝螺栓的熱處理工藝進(jìn)行分析，螺栓選用材料為1Cr17Ni3A-退火-L12.0 遼新2-5008，抗拉強(qiáng)度為1275±100 MPa，生產(chǎn)過程的熱處理條件為淬火1020 ℃/50 min/油冷+回火525 ℃/90 min/空冷。

查閱《中國航空材料手冊·第一卷》可知，1Cr17Ni3A材料在400～600 ℃之間回火時，其低溫沖擊韌性會急劇下降，說明此溫度下材料的抗沖擊能力偏低。采用460～530 ℃這一檔溫度回火對應(yīng)的沖擊韌性較低，而通過對比不同冷卻介質(zhì)的影響，采用空冷方式回火，材料的沖擊韌性最差。此時該材料的沖擊韌性偏低，容易脆斷。

該型機(jī)機(jī)輪雙剎車裝置固定螺栓斷裂原因是螺栓強(qiáng)度值要求為=1275±100 MPa時選擇1Cr17Ni3A不合理，同時加工制造時熱處理工藝選擇不合理，選取了回火溫度490～530 ℃，并選用了空氣作為冷卻介質(zhì)，材料的抗沖擊能力偏低，受沖擊載荷作用發(fā)生脆斷。

3 改進(jìn)方案

針對螺栓斷裂問題，確定改進(jìn)措施如下：

1)對出現(xiàn)斷裂的螺栓進(jìn)行更換，外場加強(qiáng)主起剎車裝置固定螺栓的檢查。

2)為有效避開熱處理脆性區(qū)，提出更換材料的方案。直升機(jī)起落架上中已經(jīng)成熟應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A，擁有好的塑性和韌性，良好的抗疲勞性能和斷裂韌度、低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，不存在回火脆性的缺陷，且已用于制造機(jī)翼主梁、機(jī)翼中央翼的帶板和緣條、對合接頭螺栓等。為滿足使用要求，螺栓可選用與起落架外筒相同的超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A。此材料的疲勞性能及沖擊韌性相比1Cr17Ni3A顯著提升，且加工工藝簡單。通過更改材料提高性能，避免某型直升機(jī)主起剎車裝置固定螺栓斷裂的風(fēng)險。