某直升機(jī)尾槳槳距操縱軸缺陷容限試驗(yàn)件失效分析

黃艷松，王 豪，李 堅，許維森

(1.海軍裝備部，北京 100070；2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412000)

0 引言

CCAR 29.571條適航條款“金屬結(jié)構(gòu)的疲勞容限評定”明確規(guī)定，主要結(jié)構(gòu)件的疲勞容限評定需考慮損傷/缺陷的影響。對于直升機(jī)零部件缺陷容限設(shè)計與驗(yàn)證，國外如歐洲空直公司起步較早，已形成完善的設(shè)計體系。國內(nèi)研制單位近年來也逐步開始了相關(guān)工作，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]介紹了直升機(jī)金屬材料和復(fù)合材料的缺陷容限驗(yàn)證技術(shù)。文獻(xiàn)指出，一個結(jié)構(gòu)件從它的原材料到制造和交付使用過程,都可能存在初始漏檢的缺陷或產(chǎn)生不易被察覺的意外損傷，這些缺陷和損傷可能會大大降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，從而危及飛行安全。進(jìn)行缺陷容限設(shè)計的目的是為了確定一個檢查間隔，確保在該間隔內(nèi)不會因缺陷的漏檢導(dǎo)致災(zāi)難性事故發(fā)生。缺陷的定義來自文獻(xiàn)[1]，典型的缺陷類型包括劃痕、沖擊坑和腐蝕坑。此外，螺栓的擰緊力矩缺失也可視為廣義的“缺陷”。本文所討論的槳距操縱軸缺陷容限試驗(yàn)包含的缺陷為腐蝕坑和擰緊力矩缺失，其它缺陷類型不在該試驗(yàn)件上驗(yàn)證，本文亦不做討論。

1 槳距操縱軸結(jié)構(gòu)簡介及受載分析

直升機(jī)傳動系統(tǒng)尾槳槳距操縱軸的作用是調(diào)整尾槳葉的傾斜角度，進(jìn)而改變直升機(jī)的飛行方向。某型傳動系統(tǒng)鋁制尾槳槳距操縱軸上端通過螺栓、安裝法蘭盤與叉形件相連，見圖1所示。軸段中部通過花鍵與尾槳軸配合實(shí)現(xiàn)帶轉(zhuǎn)，下端通過鎖緊大螺母、雙排球軸承與中心拉桿相連。槳距操縱軸下端局部剖視圖見圖2。

圖1 槳距操縱軸試驗(yàn)加載示意圖

圖2 槳距操縱軸下端局部剖視圖

槳距操縱軸承受的主要載荷為各尾槳葉對操縱軸的拉力或壓力，方向沿變距小拉桿(連接叉形件與尾槳葉)軸向。由于槳葉旋轉(zhuǎn)時存在相位差，槳距操縱軸同時會承受彎矩。但因該槳距操縱軸與其外部結(jié)構(gòu)的配合方式，槳距操縱軸下端即圖2所示部分僅承受軸向力。軸向力包括拉力和壓力，圖2所示紅色實(shí)線為壓載荷傳遞路徑，藍(lán)色虛線為拉載荷傳遞路徑。此外，在正常使用中，槳距操縱軸下端鎖緊大螺母的擰緊力矩為120 N·m至140 N·m。經(jīng)換算，大螺母擰緊力矩產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力為23000 N至26832 N。

2 缺陷容限試驗(yàn)情況

槳距操縱軸采用的腐蝕缺陷形成方式為：按ISO 9227標(biāo)準(zhǔn)將試驗(yàn)件在鹽霧箱中放置500 h。圖3為槳距操縱軸腐蝕后形貌。

圖3 槳距操縱軸腐蝕后形貌

試驗(yàn)類型為高周疲勞。缺陷容限試驗(yàn)中，槳距操縱軸下端工裝與實(shí)際有差別，但并不會改變軸向力傳遞路徑，試驗(yàn)工裝見圖4。試驗(yàn)中在上端與叉形件相連的小拉桿處加載，加載方向如圖1所示。下端通過大螺母固定。大螺母擰緊力矩為0 N·m，目的是驗(yàn)證大螺母擰緊力矩缺失時槳距操縱軸的抗疲勞能力。具體操作方式為先擰緊至120 N·m，再將螺母松開至力矩為0 N·m。

試驗(yàn)載荷及經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)見表1。表中載荷已換算為槳距操縱軸軸向力，+為拉，-為壓。

表1 試驗(yàn)載荷及循環(huán)數(shù)

圖4 槳距操縱軸試驗(yàn)工裝圖

試驗(yàn)件關(guān)鍵區(qū)域涂有銀線以監(jiān)控裂紋。試驗(yàn)進(jìn)行至5T 905400次循環(huán)時，某處銀線斷開保護(hù)停車，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)槳距操縱軸上端螺栓孔處(圖4區(qū)域1)開裂，見圖5所示裂紋1。

圖5 槳距操縱軸裂紋1

試驗(yàn)后經(jīng)熒光滲透檢查發(fā)現(xiàn)槳距操縱軸下端(圖4區(qū)域2)有一條裂紋，見圖6所示裂紋2。

圖6 槳距操縱軸裂紋2

此外在槳距操縱軸上端其它螺栓孔處發(fā)現(xiàn)2條裂紋，位置與圖5類似。

裂紋1位于應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域，出現(xiàn)裂紋是正常且合理的，槳距操縱軸的正常試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)中該部位也出了現(xiàn)裂紋。

裂紋2位于槳距操縱軸末端，正常情況下該處并不是應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域，不應(yīng)出現(xiàn)疲勞裂紋。

本文主要討論裂紋2的失效原因。

3 有限元分析

采用CAE軟件對槳距操縱軸下端進(jìn)行應(yīng)力計算，為了對槳距操縱軸下端應(yīng)力進(jìn)行充分的對比分析，考慮表2中幾種工況：

表2 計算工況

工況1僅螺栓擰緊力矩；工況2為螺栓擰緊力矩+軸向拉力；工況3為螺栓擰緊力矩+軸向壓力；工況4僅軸向拉力；工況5僅軸向壓力。其中螺栓預(yù)緊力為26832 N；軸向拉力選取試驗(yàn)最大拉力即13372+12086=25458 N；軸向壓力選取試驗(yàn)最大壓力即-12086-10800= -22886 N。

槳距操縱軸材料為鋁合金2618，室溫彈性模量74.5 GPa，泊松比0.33，屈服極限350 MPa，強(qiáng)度極限410 MPa，疲勞極限74 MPa。

疲勞分析中，通常根據(jù)主應(yīng)力來評估零件的疲勞強(qiáng)度，且研究表明，鋁合金材料抗壓疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉，即在拉應(yīng)力循環(huán)下更易發(fā)生破壞。因此，本文采用最大主應(yīng)力進(jìn)行對比分析。各工況下裂紋2部位的應(yīng)力結(jié)果見表3。各工況下槳距操縱軸下端應(yīng)力分布見圖7-圖11。

表3 應(yīng)力計算結(jié)果

圖7 工況1下端面最大主應(yīng)力分布

圖8 工況2下端面最大主應(yīng)力分布

圖9 工況3下端面最大主應(yīng)力分布

圖10 工況4下端面最大主應(yīng)力分布

圖11 工況5下端面最大主應(yīng)力分布

從以上計算結(jié)果可以看出：

1)僅存在軸向拉力時，裂紋2部位拉應(yīng)力最高，且大應(yīng)力區(qū)域相對較大；螺栓預(yù)緊力和軸向拉力同時存在時，拉應(yīng)力有所降低。

2)僅存在螺栓預(yù)緊力時，拉應(yīng)力最低；其次是軸向壓力下的拉應(yīng)力。

因此，當(dāng)螺栓擰緊力矩缺失時，軸向拉力作用下，槳距操縱軸下端會形成高于正常狀態(tài)的大應(yīng)力區(qū)。在第5級試驗(yàn)拉載荷下，該處的應(yīng)力循環(huán)為4～79.8～4 MPa。

4 討論

通過上述應(yīng)力分析可知，螺栓擰緊力矩缺失時，在軸向拉力下槳距操縱軸下端會形成大應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力循環(huán)為4～79.8～4 MPa。按Sordeberg模型轉(zhuǎn)換為對稱循環(huán)應(yīng)力，Sordeberg模型公式為：

=(1-02)

(1)

式中：—對稱循環(huán)應(yīng)力；—動態(tài)應(yīng)力；—靜態(tài)應(yīng)力；02—屈服極限。

轉(zhuǎn)換后應(yīng)力循環(huán)為0±43 MPa。

在掃描電鏡下觀察裂紋2斷口形貌，見圖12所示。從斷口可判斷裂紋性質(zhì)為疲勞，且觀察到裂紋源區(qū)存在深度為0.365 mm的腐蝕坑。

圖12 槳距操縱軸斷口形貌

腐蝕坑在微觀上可看作微裂紋，且極度不均勻，會造成較大應(yīng)力集中，進(jìn)而降低材料的疲勞極限。目前暫時還沒有關(guān)于腐蝕坑對疲勞應(yīng)力影響的理論計算分析，主要研究手段為疲勞試驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1]給出了腐蝕坑為0.3 mm時鋁合金疲勞極限縮減系數(shù)為1.99，且不同深度腐蝕坑的應(yīng)力修正系數(shù)公式為：

=()05

(2)

式中：—應(yīng)力修正系數(shù)；—腐蝕坑實(shí)際深度，單位mm；—標(biāo)準(zhǔn)深度03 mm。

按式(2)計算的修正系數(shù)為1.103，故修正后的疲勞極限為74/1.99/1.103=33.7 MPa。

應(yīng)力循環(huán)0±43 MPa高于腐蝕坑處修正后疲勞極限。因此，裂紋2的出現(xiàn)是合理的，是在腐蝕和鎖緊大螺母擰緊力矩缺失的共同作用下導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

本文分析了槳距操縱軸缺陷容限試驗(yàn)件的失效原因，得出如下結(jié)論：

1)失效部位裂紋源自腐蝕坑，當(dāng)擰緊力矩缺失時，槳距操縱軸在拉載荷作用下下端形成大應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致疲勞破壞；

2)進(jìn)行缺陷容限設(shè)計，零件的失效模式可能不同于安全壽命設(shè)計，需要設(shè)計者對零件的承載形式和失效模式進(jìn)行全面的分析，而不僅僅是依靠安全壽命設(shè)計階段的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論。

此外，本文僅對槳距操縱軸失效原因進(jìn)行了分析，后續(xù)將開展試驗(yàn)結(jié)果分析工作，以確定其缺陷檢查間隔。