起落架緩沖支柱柱塞組件故障分析及改進(jìn)研究

滕偉杰，劉成，王俊

（國營蕪湖機(jī)械廠，蕪湖 241007）

0 引 言

起落架緩沖支柱是飛機(jī)的重要構(gòu)件，承受飛機(jī)著陸和滑跑時(shí)的全部載荷，并吸收飛機(jī)著陸接地時(shí)產(chǎn)生的撞擊能量。對(duì)某起落架緩沖支柱進(jìn)行修理時(shí)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部柱塞組件的螺母與上腔底難以分解，為螺紋咬合變形所致。分解后發(fā)現(xiàn)螺母的螺紋已損壞。起落架緩沖支柱柱塞組件螺母的螺紋發(fā)生咬合變形，如果飛機(jī)著陸的下沉速度大或著陸重量大，起落架緩沖支柱該部位易發(fā)生螺紋剪切，造成柱塞組件位移，導(dǎo)致起落架緩沖失效甚至危及飛行安全。

有關(guān)起落架緩沖支柱方面的故障分析主要圍繞起落架故障模式分析、起落架收放故障、起落架滲油漏氣、前起落架操縱故障等，上述研究基于起落架工作中發(fā)生的故障進(jìn)行分析，對(duì)飛機(jī)起落架日常維護(hù)與維修、排故具有參考價(jià)值，但未涉及起落架柱塞組件故障的研究。此外，國內(nèi)目前的研究工作主要針對(duì)螺紋載荷分布、螺紋松動(dòng)、螺紋副應(yīng)力分布等方面，國外對(duì)螺紋副在切向方向的應(yīng)力分布、螺距誤差對(duì)螺栓疲勞性能的影響、螺紋嚙合模型等方面有大量的研究。但文獻(xiàn)［7-16］側(cè)重于理論算法的研究，對(duì)螺紋在實(shí)際工程中發(fā)生的咬合變形故障的研究未涉及。

本文針對(duì)起落架柱塞組件螺母螺紋發(fā)生的咬合變形故障，構(gòu)件故障樹并基于歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)、螺紋剩余壽命以及產(chǎn)品狀態(tài)等對(duì)底事件進(jìn)行分析與驗(yàn)證，定位故障原因并進(jìn)行改進(jìn)。

1 柱塞組件力學(xué)分析

支柱式起落架緩沖支柱（如圖1所示）是起落架的一種典型結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)起落架緩沖支柱的活塞桿不僅承受軸向力，還要承受彎矩，容易磨損和發(fā)生卡滯現(xiàn)象。該類型起落架緩沖支柱的柱塞組件主要由柱塞、螺母、上腔底組成，其裝配關(guān)系如圖2所示，螺母、上腔底的螺紋為三角形螺紋。起落架緩沖支柱實(shí)現(xiàn)緩沖性能的過程中，上腔底由于受緩沖支柱內(nèi)氣腔壓力的作用，產(chǎn)生一個(gè)向上的力，使上腔底螺紋受拉，而螺母由于卡環(huán)的作用，將產(chǎn)生一個(gè)向下的力，使螺母螺紋受壓，即上腔底和螺母螺紋受力類型為拉—壓型。由于上腔底上側(cè)無止動(dòng)面，螺母被卡環(huán)限位無法上移，在緩沖過程中，內(nèi)腔油氣混合作用力主要集中在螺母和上腔底螺紋上。

圖1 支柱式起落架結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pillar landing gear structure

圖2 柱塞組件裝配關(guān)系Fig.2 Relationship of plunger assembly

柱塞組件螺母螺紋發(fā)生咬合變形，表明螺母螺紋的強(qiáng)度不滿足使用要求。三角形螺紋的螺母螺栓在螺紋貼合面擠壓產(chǎn)生沿徑向的分力，受力情況如圖3所示，為螺紋受貼合面之間的法向擠壓力；·為螺紋貼合面之間的滑動(dòng)摩擦力；為螺紋徑向力；為螺紋軸向力。柱塞組件螺母與上腔底為筒形件，其螺紋擠壓的徑向分力，將使筒體沿徑向產(chǎn)生變形，從而使螺紋的剪切面積減小，剪切應(yīng)力大幅度增加。因此分析筒形件的螺紋剩余強(qiáng)度時(shí)必須考慮徑向變形的影響。

圖3 螺紋貼合面受力圖Fig.3 Force diagram of thread fitting surface

根據(jù)平衡方程可得徑向力的計(jì)算公式

柱塞組件在緩沖支柱內(nèi)，若螺母與上腔底擰緊均勻并且飛機(jī)對(duì)稱著陸，則上述徑向力沿螺紋圓周應(yīng)為均勻分布，單位面積上的壓力計(jì)算公式為

式中：為螺距；為螺紋中徑；為螺紋計(jì)算圈數(shù)。

柱塞組件螺母受徑向力產(chǎn)生變形，導(dǎo)致螺紋在徑向方向存在偏移量，并且螺紋直徑存在公差，將進(jìn)一步影響螺紋在徑向的偏移量。綜合考慮以上兩個(gè)因素，柱塞組件的螺母螺紋在徑向的偏移量為

式中：為螺母的平均半徑；為螺母的彈性模量；為螺母平均壁厚；Δ為螺紋直徑公差。

柱塞組件螺母螺紋名義尺寸的螺紋充滿系數(shù)=0.875，但由于螺紋存在徑向偏移，考慮偏移量的螺紋充滿系數(shù)為

螺紋的剪切應(yīng)力計(jì)算公式為

由此可得柱塞組件螺母螺紋的剩余強(qiáng)度：

2 柱塞組件故障分析

根據(jù)柱塞組件螺母的設(shè)計(jì)、裝配、試驗(yàn)使用的情況，壓力試驗(yàn)機(jī)施加的力超出靜壓曲線的最大允許力值，壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行的速度超出允許范圍，起落架未與壓力試驗(yàn)機(jī)垂直安裝、存在一定傾斜角度而進(jìn)行試驗(yàn)，柱塞組件的上腔底與螺母未安裝到位即配打安裝限位螺釘?shù)目?、卡環(huán)串件以及螺母、上腔底串件等零件未按原機(jī)原套進(jìn)行裝配，串用其他飛機(jī)零件進(jìn)行裝配，螺母設(shè)計(jì)缺陷等因素可能會(huì)導(dǎo)致柱塞組件螺母咬合變形。

基于各因素開展失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，簡稱FMEA），如表1所示。根據(jù)FMEA分析結(jié)果及柱塞組件工作原理，假設(shè)各底事件之間相互獨(dú)立，可以得到柱塞組件螺紋咬合變形故障樹，如圖4所示。

圖4 螺紋變形故障樹Fig.4 Fault tree of thread deformation

表1 與柱塞組件螺紋咬合變形有關(guān)的設(shè)備、零組件FMEA結(jié)果Table 1 FMEA results of equipment and components related to thread bite deformation of plunger assembly

2.1 試驗(yàn)過載分析

起落架緩沖支柱靜壓曲線試驗(yàn)機(jī)配備過載保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)壓力試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)載荷超過額定載荷的1.1倍時(shí)，過載保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行卸荷。但當(dāng)壓力試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行速度過大時(shí)，過載保護(hù)系統(tǒng)反應(yīng)不及時(shí)，將導(dǎo)致緩沖支柱內(nèi)壓力超出正常范圍，進(jìn)而導(dǎo)致柱塞組件螺母螺紋的受力也超出正常值，螺紋間容易產(chǎn)生咬合變形。

提取該起落架緩沖支柱的靜壓曲線，如圖5所示，其初始力、終點(diǎn)力、摩擦力均符合技術(shù)要求，可以看出：靜壓曲線無跳動(dòng)且平滑，壓力試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行速度在規(guī)定值內(nèi)，表明進(jìn)行靜力曲線試驗(yàn)時(shí)起落架緩沖支柱垂直安裝于壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過程中壓力試驗(yàn)機(jī)施加的力以及速度無異常情況，可排除試驗(yàn)過載的原因。

圖5 靜壓曲線圖Fig.5 Static pressure curve

2.2 設(shè)計(jì)缺陷分析

起落架緩沖支柱的柱塞組件螺母、上腔底材料、硬度如表2所示，可以看出：上腔底的材料強(qiáng)度優(yōu)于螺母的材料強(qiáng)度。

表2 螺母、上腔底屬性Table 2 Properties of nut and upper cavity bottom

螺母的螺紋規(guī)格為M140×1.5，為非加強(qiáng)螺紋。緩沖支柱正常工作的情況下，螺母的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，螺紋不會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象；反之，螺母的強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，螺母螺紋的螺距小且為非加強(qiáng)螺紋，容易導(dǎo)致螺紋咬合變形。

分析螺母螺紋在起落架緩沖支柱最大壓力下的剩余強(qiáng)度。緩沖支柱工作過程中最大壓力為22.10 MPa，則作用在上腔底上的壓力：

上腔底承受壓力的面積：

由此可知作用在上腔底上的軸向力：

根據(jù)作用力與反作用力定義，螺母受的軸向力與上腔底上的軸向力值相等、方向相反。螺母相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 螺母參數(shù)Table 3 Parameters of nut

根據(jù)螺母參數(shù)及式（1）～式（6），分析得到柱塞組件的螺母螺紋在起落架緩沖支柱最大工作壓力下的剩余強(qiáng)度=0.76，小于1，說明表面柱塞組件的螺母在設(shè)計(jì)方面存在缺陷。

分析式（2）、式（4）和式（5），發(fā)現(xiàn)公式的分母中均有螺距，表明在螺紋有效圈數(shù)一致時(shí)，螺距與螺紋的剪切力成反比。螺紋有效圈數(shù)一致時(shí)，螺距若減小則剪切力變大，螺距若增大則剪切力減小。

2.3 裝配不當(dāng)分析

檢查柱塞組件分解的情況，發(fā)現(xiàn)卡環(huán)未與螺母、上腔底完全貼合。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因有：一是螺母未裝配到位或裝配到位后處于未擰緊狀態(tài)；二是卡環(huán)、螺母或上腔底串件非原套裝配。在緩沖支柱使用過程中，若卡環(huán)沒有與螺母、上腔底完全貼合，緩沖支柱壓縮導(dǎo)致的沖擊力將使螺母的螺紋與上腔底的螺紋之間產(chǎn)生間隙，進(jìn)而導(dǎo)致螺紋發(fā)生咬合變形。

對(duì)各重要組件分解前均有架次標(biāo)識(shí)，以保證原套裝配，排除串件原因。根據(jù)裝配實(shí)際，在對(duì)正原機(jī)孔的位置會(huì)存在細(xì)微偏差，產(chǎn)品也可完成裝配，但會(huì)存在應(yīng)力，故存在裝配不當(dāng)?shù)脑?。此外，檢查卡環(huán)貼合面表面質(zhì)量，部分位置有磨損痕跡，存在未擰緊到位的可能。

2.4 故障分析結(jié)論

通過以上分析，得出起落架緩沖支柱內(nèi)上腔底和螺母螺紋咬合變形的故障是綜合因素導(dǎo)致的結(jié)論。主要原因是螺距偏小，螺紋的剪切應(yīng)力偏大，其他因素如螺母未擰到位等會(huì)加劇螺紋失效故障的發(fā)生。

3 解決方法及改進(jìn)措施

3.1 解決方法

由于柱塞組件螺母螺紋發(fā)生咬合變形，難以分解，為避免在對(duì)柱塞組件的螺母施加周向力時(shí)上腔底會(huì)跟隨一起轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致無法有效擰松螺母，采用雙向固定的方式解決該問題。

在圖2的A端使用裝置與上腔底的六角頭配合，固定上腔底。使用雙套筒式專用工裝（如圖6所示）在圖2的B端進(jìn)行固定與分解螺母，其中內(nèi)套筒卡在柱塞的四個(gè)凹槽內(nèi)固定柱塞，外套筒卡在螺母的四個(gè)槽內(nèi)。

圖6 雙套筒式專用工裝Fig.6 Double sleeve type special tooling

將柱塞組件的兩側(cè)同時(shí)固定，有效地將螺母咬合變形的力一分為二，既可以避免分解螺母的同時(shí)上腔底跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以避免柱塞被折斷，保證產(chǎn)品質(zhì)量，避免破壞性分解。

3.2 改進(jìn)措施

針對(duì)起落架緩沖支柱柱塞組件螺母螺紋咬合變形故障，為有效避免該類故障的發(fā)生，提高可靠性，在設(shè)計(jì)、裝配方面有如下建議：

（1）在設(shè)計(jì)方面，保證螺紋有效圈數(shù)一致時(shí)，將螺母螺紋的螺距由=1.5 mm改為=2 mm，可有效減小螺紋的剪切力，進(jìn)而提高螺紋的剩余強(qiáng)度。基于此，對(duì)螺母進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，保證螺紋有效圈數(shù)一致，將螺紋螺距設(shè)計(jì)為=2 mm，從根源解決螺母螺紋咬合變形故障。

（2）在裝配方面，首先確保柱塞組件的原套裝配，并使用雙套筒式專用工裝（圖6）將螺母裝配到位，進(jìn)一步降低螺紋咬合變形的概率。

4 結(jié) 論

（1）柱塞組件螺母螺紋咬合變形故障發(fā)生的主要原因?yàn)槁菁y螺距偏小，導(dǎo)致螺紋剪切應(yīng)力偏大，容易造成螺紋咬合變形。

（2）柱塞組件的螺母在裝配時(shí)未安裝到位等不利因素會(huì)加劇螺紋咬合變形故障的發(fā)生。

（3）通過螺紋剩余強(qiáng)度分析，若將螺紋的螺距由=1.5 mm改為=2 mm，可提高螺紋剩余強(qiáng)度，進(jìn)而有效避免螺紋咬合變形故障的發(fā)生。

（4）雙向固定的分解方法以及本文設(shè)計(jì)的雙套筒式專用工裝已解決因螺紋咬合變形而難以分解的問題，并且避免了破壞性分解，可廣泛應(yīng)用于航空起落架類產(chǎn)品修理領(lǐng)域。