油濾固定支座裂紋故障分析及預(yù)防措施

劉學(xué)文 張 峰

（國營蕪湖機械廠，蕪湖 241007）

1 故障概況

某型飛機高壓油濾支座發(fā)生多架次裂紋故障，部分油濾支座甚至發(fā)生穿透性裂紋，且裂紋均位于支座相同位置。故障件材料為ZL116，主要用于大負(fù)荷工程結(jié)構(gòu)件，具有良好的鑄造性能和較高的力學(xué)性能，抗腐蝕性好，在飛機上應(yīng)用廣泛，外形如圖1所示[1]。

圖1 支座部位示意圖

2 故障分析

2.1 工作環(huán)境

故障油濾支座用于固定液壓系統(tǒng)高壓油濾，油濾內(nèi)承受28 MPa的工作壓強。支座通過4件螺栓固定在壁板上。高壓油濾通過3件直徑為D8螺栓固定在支座上，進出口連接2根導(dǎo)管，導(dǎo)管直徑為D18，壁厚為1.8 mm，通過鎖緊螺母連接在油濾管接頭上，如圖2所示。

圖2 油濾及支座安裝示意圖

2.2 故障件安裝環(huán)境檢查

通過對斷口分析可知，故障件失效原因為疲勞斷裂。為進一步分析支座裂紋產(chǎn)生的原因，檢查高壓油濾和固定支座安裝環(huán)境[2]。如圖3所示，將油濾固定支座離位檢查，裂紋部位的支座厚度、加強筋等尺寸與4號、5號、6號固定點處尺寸相同；檢查4號～7號固定點凸臺高度情況，其中7號固定點凸臺比4號、5號、6號凸臺高1 mm左右；液壓導(dǎo)管1與油濾間存在較大的安裝應(yīng)力，導(dǎo)管和管接頭不同心度有2 mm左右。

圖3 支座固定點示意圖

為確定導(dǎo)致支座裂紋的主要原因，采用有限元分析軟件，從支座凸臺高度和導(dǎo)管安裝應(yīng)力兩個方面分析裂紋的產(chǎn)生原因。

2.3 有限元分析

支座材料為ZL116，力學(xué)性能見表1[3]。支座三維模型，如圖4所示。根據(jù)可能原因分析，在4～7號孔增加螺釘進行限位和約束，支座選擇ZL116材料，螺釘使用結(jié)構(gòu)鋼材料。采用體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為1.0 mm，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 支座建模

圖5 網(wǎng)格劃分

表1 力學(xué)參數(shù)

2.3.1 不考慮導(dǎo)管安裝偏心的前提下的分析

將底板進行固定約束，對6號、7號孔螺栓施加預(yù)緊力，對4號、5號螺栓施加1 mm位移。關(guān)于6號、7號孔的預(yù)緊力，根據(jù)《螺栓螺紋擰緊力矩》（HB 6586—1992），抗拉強度為1 080 MPa的M8×1螺栓的推薦擰緊力矩為（16.4±1.6）N·m（抗拉）、（10±1）N·m（抗剪）。擰緊力矩與螺栓軸應(yīng)力之間的關(guān)系為[4]

式中：F為軸向力；d2為螺紋中徑，7.35 mm；φ為螺紋升角，0.043 3 rad；ρ為當(dāng)量摩擦角，0.227 0 rad；μ為摩擦系數(shù)，0.2；D為螺栓端面摩擦接觸外直徑，17 mm；d為螺栓端面摩擦接觸內(nèi)直徑，9 mm。經(jīng)計算。軸向力為4 313.7 N。

施加如圖6所示的約束進行計算，計算完成后隱藏背板和螺栓，得到支座的形變云圖如圖7所示，應(yīng)變云圖如圖8和圖9所示。

圖6 約束情況

圖7 整體形變情況

圖8 6號孔支座表面應(yīng)力分布

圖9 7號孔支座表面應(yīng)力分布

根據(jù)靜強度應(yīng)力云圖可以看出，支座最大應(yīng)力點在7號孔支座處，局部最大應(yīng)力為442.67 MPa，超過ZL116的極限載荷350 MPa。7號孔處應(yīng)力分布整體比6號處大，7號孔支座應(yīng)力多處超過材料拉伸和剪切應(yīng)力，即7號孔支座處在消除底座高度差后有局部細(xì)小裂紋斷裂，在工作過程承受振動等影響直接擴展斷裂。7號孔制作應(yīng)力分布條線與斷裂斷口一致。

2.3.2 連接導(dǎo)管安裝應(yīng)力的影響

模擬導(dǎo)管應(yīng)力安裝影響，根據(jù)導(dǎo)管與管接頭2 mm不同心度測量偏心力約300 N，施加載荷后約束如圖10所示，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 增加偏心力約束情況

圖11 整體應(yīng)變情況

增加導(dǎo)管偏心造成的載荷后，支座孔7斷裂處最大應(yīng)力位置不變，但最大值應(yīng)力值增大約6%，即導(dǎo)管的偏心造成的偏心載荷或偏心力矩會加大局部最大應(yīng)力值。

3 改進措施

根據(jù)支座使用環(huán)境和支座裂紋原因，制定如下改進措施。

3.1 消除支座固定點處凸臺高度差

支座通過4件螺栓固定在壁板上。由于固定點處4個凸臺高度不一樣，7號固定點凸臺比其他凸臺高約1 mm。為消除初始應(yīng)力帶來的影響，安裝支座時，在4號、5號、6號固定點處增加1 mm后調(diào)整墊片，保證4個固定點在同一平面內(nèi)，消除固定點處異常擰緊應(yīng)力。

3.2 消除導(dǎo)管初始安裝應(yīng)力

因?qū)Ч苓B接部位與油濾上管接頭存在約2 mm不同心度，導(dǎo)管擰緊后對支座產(chǎn)生較大彎曲力矩，惡化了支座使用環(huán)境，增加了支座斷裂風(fēng)險。通過對導(dǎo)管重新修形，保證導(dǎo)管與油濾上管接頭同心度符合要求，消除導(dǎo)管初始安裝應(yīng)力[5]。

4 結(jié)語

支座斷裂的主要原因為固定點與壁板不貼合，存在1 mm階梯差，導(dǎo)致導(dǎo)管存在安裝應(yīng)力。調(diào)整支座上4個固定點凸臺在同一平面內(nèi)，提高與壁板間的貼合度，對連接導(dǎo)管進行修形，消除導(dǎo)管安裝應(yīng)力，改善受力情況，能夠有效預(yù)防支座裂紋故障發(fā)生。