某型飛機(jī)蓄壓器膠囊開裂故障分析

王世德 孫建華

摘要：針對(duì)某型飛機(jī)蓄壓器使用過程中無壓力情況進(jìn)行排查，通過理論分析和失效分析，列出蓄壓器膠囊開裂故障樹，確定故障原因并提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：蓄壓器；膠囊；周轉(zhuǎn)；運(yùn)輸

Keywords：pressure accumulator；capsule；handover；transportation

1 故障描述

某型飛機(jī)安裝的液壓蓄壓器在收放試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)球形蓄壓器內(nèi)無壓力，對(duì)之進(jìn)行分解檢查。在蓄壓器氣壓腔中注滿15號(hào)航空液壓油，之后將航空液壓油倒出，觀察到液壓蓄壓器內(nèi)膠囊中部破損。對(duì)故障件進(jìn)行觀察（見圖1），在分模線與底面之間有一條長約100mm的貫穿裂紋，裂紋距離底部約50mm左右。其他部位未見明顯損傷。

2 蓄壓器膠囊產(chǎn)品情況

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

蓄壓器膠囊為飛機(jī)液壓系統(tǒng)配套產(chǎn)品，是裝于蓄壓器金屬外殼中隔開氮?dú)馇慌c15號(hào)液壓油腔的彈性隔膜，外形見圖2。工作介質(zhì)：膠囊內(nèi)腔充工業(yè)用氮?dú)猓馇粸?5號(hào)液壓油；工作溫度：-45℃～100℃；工作壓力：5～21MPa。膠囊工作狀態(tài)如圖3所示，內(nèi)腔充入5MPa氮?dú)?，外腔受液壓油作用，膠囊底部發(fā)生反復(fù)擠壓、拉伸變形。

2.2 產(chǎn)品工作原理

球型蓄壓器安裝于飛機(jī)液壓系統(tǒng)的主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，位于機(jī)腹內(nèi)壁，一架飛機(jī)安裝兩件。其內(nèi)腔與5MPa壓力的氮?dú)饨油?，底部與液壓管路系統(tǒng)接通，作為彈性隔膜將氮?dú)馀c液壓油隔離。由于液壓泵排出的液體會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，加之飛機(jī)起落過程和液壓閥急速閉合都會(huì)發(fā)生載荷劇變而產(chǎn)生很大的瞬間沖擊壓力，這種瞬間沖擊壓力會(huì)破壞管道、連接接頭或其他液壓元件，并產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲，因此采用蓄壓器膠囊作為彈性隔膜，吸收壓力脈動(dòng)以及液壓系統(tǒng)回路上的沖擊壓力，緩和沖擊，使裝置平穩(wěn)工作，起到保護(hù)液壓系統(tǒng)裝置作用。

如果蓄壓器膠囊破裂，高壓腔的介質(zhì)會(huì)流入低壓腔，造成油氣混合，蓄壓器就無法吸收壓力脈動(dòng)以及液壓系統(tǒng)回路上的沖擊壓力，由于脈沖不能被消除，會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)管道及其他元器件造成沖擊，更會(huì)導(dǎo)致油路系統(tǒng)壓力不平穩(wěn)，裝置無法平穩(wěn)工作，飛機(jī)會(huì)出現(xiàn)較大的晃動(dòng)。

2.3 產(chǎn)品技術(shù)要求

對(duì)蓄壓器膠囊的具體技術(shù)條件要求如下：

1）在正常使用和保管條件下，膠囊的使用保險(xiǎn)期從其出品日起算三年，其中使用期二年或在飛機(jī)上直接使用200個(gè)飛行小時(shí)。運(yùn)輸保管期限一年，運(yùn)輸保管期超過規(guī)定則相應(yīng)縮短使用期。

2）膠囊尺寸外觀應(yīng)符合相應(yīng)的圖紙和技術(shù)條件要求。

3）膠囊的氣密性要求：將膠囊充氣至ф170mm，浸于水中，不允許放出氣泡。

4）裝配后氣密性和工作性能：裝配后向膠囊內(nèi)充5MPa的氮?dú)猓ㄟ^液壓接管嘴加入21MPa的液壓，應(yīng)保持5min不漏氣。

5）膠囊的低溫性要求：-45℃下保溫2h后，符合J7Ⅰ-T55-09注1要求，以21MPa液壓作20次循環(huán)（0→21MPa→0），各封嚴(yán)處不允許泄漏；保溫6h后，在常溫下放置6h，氮?dú)鈮毫Σ辉试S下降，但允許升高0.3MPa。

6）膠囊的高溫性要求：在-5+100+10℃下保溫1h后，將溫度升至+140±5℃，在此溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，以21MPa液壓作20次循環(huán)（0→21MPa→0），各封嚴(yán)處不允許泄漏；在常溫下放置6h，氮?dú)鈮毫Σ辉试S下降，但允許升高0.3MPa。

2.4 產(chǎn)品生產(chǎn)流程及檢查要求

蓄壓器膠囊生產(chǎn)流程如圖4所示，蓄壓器交付前的試驗(yàn)檢查項(xiàng)目見表1。

3 故障樹分析

以膠囊開裂為頂事件建立故障樹，如圖5所示，并對(duì)故障件底事件逐一進(jìn)行排查。

1）原材料不合格

故障件用的原材料為試5171，材料批次及復(fù)驗(yàn)情況見表2。試5171膠料采購自合格供方凱迪西北橡膠有限公司，按GJB250A-96標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)復(fù)驗(yàn)合格后投入生產(chǎn)使用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

從故障件取樣進(jìn)行紅外光譜分析，譜圖顯示故障件材料為試5171材料。

復(fù)查本批膠囊的交付情況，共生產(chǎn) 148件，除交付本廠的41件外，還交付中航天水40件、貴飛公司30件，武漢龍翔37件，目前均無不良信息反饋。因此，原材料不合格的因素可排除。

2）工藝規(guī)程更改

膠囊工藝自編制以來，于2015年9月進(jìn)行了一次更改，更改內(nèi)容只是細(xì)化了操作過程。對(duì)涉及產(chǎn)品性能的硫化三要素，即硫化溫度、硫化時(shí)間、硫化壓力等均無更改變動(dòng)。因此，工藝規(guī)程更改的因素可排除。

3）膠囊模具變更

5700/J7II-122模具與工藝規(guī)程相符，膠囊自制造之日起一直用此模具生產(chǎn)，不存在工裝變更的情況。因此，模具變更的因素可排除。

4）膠囊尺寸超差

膠囊硫化后首件產(chǎn)品進(jìn)行尺寸測(cè)量，合格后才投入生產(chǎn)。工裝每次使用后均有首末件檢驗(yàn)工序，未出現(xiàn)異常情況。因此，膠囊尺寸超差的因素可排除。

5）膠囊試驗(yàn)不合格

成品檢驗(yàn)時(shí)還對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了外觀和氣密性檢查，檢查結(jié)果均符合工藝規(guī)程和膠囊技術(shù)條件要求，并進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，本批次膠囊高低溫試驗(yàn)符合《液壓附件高低溫試驗(yàn)技術(shù)條件》要求。因此，膠囊試驗(yàn)不合格的因素可排除。

6）膠囊內(nèi)部雜質(zhì)

工藝規(guī)程要求：混煉膠以0.3～0.5mm薄通4～6次，薄片卷成圓柱Φ90mm……毛料必須放置于干凈的帶蓋密閉容器中保存?zhèn)溆?，取用時(shí)應(yīng)確認(rèn)坯料無多余物方可裝入模具加料室。

由于薄通的膠料厚度較薄，如果有超過0.5mm的雜質(zhì)，會(huì)在薄通過程中被排除。生產(chǎn)過程中，每模零件出模后均用風(fēng)槍吹干凈模具型腔表面，避免熟料混放于零件中。同時(shí)進(jìn)行了失效分析，分別對(duì)膠囊外表面孔洞以及完好位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示，孔洞和完好位置的元素種類基本一致，且含量相近。因此，膠囊內(nèi)部雜質(zhì)因素可排除。

7）膠囊生產(chǎn)過程不符合

復(fù)查本批膠囊的生產(chǎn)過程記錄卡片，各工序符合工藝規(guī)程要求（見表4）。從故障件取樣進(jìn)行硬度測(cè)試，5個(gè)樣本的硬度均在合格范圍內(nèi)（見表5）。因此，膠囊生產(chǎn)過程不符工藝要求及故障件硬度不合格的因素可排除。

8）膠囊周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸造成磨損

膠囊驗(yàn)收合格后會(huì)存放于成品庫房中等待裝箱發(fā)貨。查看成品庫房膠囊的擺放情況，發(fā)現(xiàn)膠囊發(fā)貨前是用牛皮紙包裝后裝入塑料袋中存放的，發(fā)貨時(shí)才放入小紙箱內(nèi)，隨后裝入木箱中打包發(fā)貨。膠囊在存放過程中有可能接觸到木箱等粗糙物，木箱加強(qiáng)筋部位有可能會(huì)對(duì)膠囊的表面造成擦傷磨損。因此，膠囊因周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸造成磨損的因素不可排除。

9）膠囊裝配過程造成磨損

產(chǎn)品裝配前，操作者與檢驗(yàn)員均會(huì)對(duì)蓄壓器外殼內(nèi)壁表面質(zhì)量和膠囊外觀進(jìn)行重點(diǎn)檢查，確定外殼內(nèi)壁與開口處無毛刺和其他缺陷、膠囊內(nèi)外無附著多余物后才進(jìn)行裝配（見圖6）。裝配膠囊前，按照《液壓蓄壓器修理工藝規(guī)程》中的裝配要求，在外殼內(nèi)表面涂一層YH-15航空液壓油后，將膠囊塞入外殼內(nèi)，整個(gè)裝配過程中膠囊未受到磨損。分解產(chǎn)品后，對(duì)蓄壓器外殼內(nèi)部的液體進(jìn)行過濾，并用干凈的洗滌油對(duì)外殼和膠囊進(jìn)行沖洗過濾，未發(fā)現(xiàn)多余物。同時(shí)檢查外殼內(nèi)壁表面與開口處表面質(zhì)量，均無毛刺和其他缺陷。因此，膠囊裝配過程中受到磨損因素可排除。

10）殼體內(nèi)表面粗糙度造成磨損

嚴(yán)格按照工藝規(guī)程中的修理技術(shù)要求對(duì)蓄壓器外殼進(jìn)行修理，清洗后檢查外殼內(nèi)壁無腐蝕，對(duì)外殼的內(nèi)壁和外表面均進(jìn)行表面處理。產(chǎn)品分解后，經(jīng)操作者、檢驗(yàn)員、技術(shù)員檢查，外殼內(nèi)壁與開口處均無毛刺，殼體內(nèi)表面粗糙度滿足要求，不會(huì)對(duì)膠囊造成損傷。因此，殼體內(nèi)表面粗糙度磨損因素可排除。

11）膠囊使用過程損傷

膠囊返廠后，對(duì)蓄壓器進(jìn)行分解檢查，外殼內(nèi)部液體經(jīng)過紗布過濾后未發(fā)現(xiàn)多余物；用干凈的洗滌汽油對(duì)外殼和膠囊進(jìn)行沖洗過濾，未發(fā)現(xiàn)多余物。因此，蓄壓器使用過程中因多余物造成膠囊的損傷因素可排除。同時(shí)，產(chǎn)品進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)均是嚴(yán)格按照《液壓蓄壓器修理工藝規(guī)程》中要求的壓力值進(jìn)行的，因此，蓄壓器使用過程中壓力過大對(duì)膠囊造成損傷的因素可排除。

經(jīng)過對(duì)上述底事件的分析，結(jié)合產(chǎn)品外場使用情況以及廠內(nèi)分析結(jié)果，判定不能排除的底事件是膠囊周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸造成磨損因素。

4 故障機(jī)理及原因分析

失效分析報(bào)告中指出，故障源區(qū)的側(cè)表面可見多余微裂紋及大量的孔洞，微裂紋和孔洞的附近可見明顯的磨損痕跡（見圖7、圖8），膠囊開裂主要與其外表面局部存在較大磨損有關(guān)。

根據(jù)膠囊工作情況分析，膠囊上部（分模面接近口部為膠囊上部）受氮?dú)庾饔门c金屬殼體貼合，膠囊下部受液壓油作用為工作區(qū)域。根據(jù)壓力的不同，膠囊下部側(cè)壁部位反復(fù)發(fā)生不同程度的變形和彎折，因此膠囊下部側(cè)壁部位是工況最嚴(yán)酷的位置。從圖9可看出，故障發(fā)生在此區(qū)域內(nèi)，即U字裂紋底端面凸起部位為裂紋的源區(qū)。

根據(jù)故障樹對(duì)故障原因的排查，膠囊在周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸過程中可能存在膠囊工作位置外表面的磨損。周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸過程中因防護(hù)不到位造成的膠囊擦傷，如果擦傷位置正好在膠囊下部側(cè)壁工況最嚴(yán)酷的位置，將引起橡膠表層出現(xiàn)磨損，磨損后的橡膠表層脫落后會(huì)出現(xiàn)部分孔洞，孔洞在摩擦作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，串聯(lián)形成微裂紋。當(dāng)膠囊工作時(shí)，微裂紋在循環(huán)應(yīng)力的作用下擴(kuò)展、延伸，最終貫穿表面造成膠囊破裂，使外部的液壓油進(jìn)入內(nèi)腔，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作不正常。

綜合以上分析，膠囊開裂的原因是產(chǎn)品在周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸過程中因防護(hù)不到位造成膠囊下部側(cè)壁工況最嚴(yán)酷的位置出現(xiàn)擦傷磨損，磨損后橡膠表層孔洞串聯(lián)成微裂紋，經(jīng)多次擠壓變形，進(jìn)一步擴(kuò)展形成穿透性裂紋，引起膠囊開裂。

5 改進(jìn)措施

1）加強(qiáng)產(chǎn)品周轉(zhuǎn)的防護(hù)，將膠囊的塑料袋包裝改為專用周轉(zhuǎn)箱存放，每層擺放15個(gè)，可擺放3層。

2）加強(qiáng)使用現(xiàn)場產(chǎn)品的防護(hù)，及時(shí)裝配，避免產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過程中膠囊出現(xiàn)擦碰磨損。