某型機載懸掛發(fā)射裝置氣管斷裂問題分析

王華清 胡劍鋒 朱海磊/空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室

0 引言

某型機載懸掛發(fā)射裝置由骨架組件、提升機構(gòu)、懸掛機構(gòu)、止動機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)及氣路組件等組成。產(chǎn)品氣路組件由充氣管路、電磁閥、放氣閥等組成，作為高壓氣體的一段過路管路，作用是在氣路系統(tǒng)壓力不足時，打開二級掛架控制電磁閥，將高壓氣體輸送至二級掛架的氣路系統(tǒng)，實現(xiàn)對二級掛架氣路系統(tǒng)的補氣功能。

1 故障描述

在完成三個方向的振動試驗后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品氣路上接口管接頭與氣管焊接區(qū)域端部熱影響區(qū)部位斷裂，如圖1 所示。對氣管進(jìn)行斷口分析，裂紋擴展區(qū)為典型的疲勞斷裂微觀斷口形貌，裂紋易在此處萌生。氣管出現(xiàn)斷裂將無法實現(xiàn)對氣路系統(tǒng)的補氣功能，雖然氣路系統(tǒng)上接口處設(shè)有單向閥可避免該故障造成高壓氣體泄漏，但仍會對產(chǎn)品功能造成影響。

2 故障分析

該氣管兩端焊有管路接頭，一端固定在產(chǎn)品氣路組件的安裝座上，另一端與上氣路接口對接固定。針對振動試驗中氣管斷裂問題，分解故障件，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝固定方式、受力形式等方面進(jìn)行綜合分析。

1）該管路結(jié)構(gòu)安裝后沒有補償能力，對附加應(yīng)力相對敏感，氣管兩端接口及工裝模擬接口尺寸均存在尺寸偏差，在氣管對接固定后對氣管產(chǎn)生附加應(yīng)力，且管路結(jié)構(gòu)不具備足夠的撓度和補償量，無法消除接口尺寸偏差累積帶來的附加應(yīng)力，易導(dǎo)致氣管疲勞斷裂。工裝接口在氣管對接后垂向位置相對于理論正確位置有偏差，與機上實際情況不符，從而給產(chǎn)品氣管額外增加垂向方向的附加應(yīng)力。試驗工裝的懸臂結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下穩(wěn)定性較差，在振動時易對產(chǎn)品氣管產(chǎn)生側(cè)向方向的附加應(yīng)力。

2）產(chǎn)品與機上氣路接口未處于同軸狀態(tài)，在軸向存在3°夾角，對接時需在航向扭轉(zhuǎn)3°方可與工裝上的氣路模擬接口正常對接，導(dǎo)致對接后存在附加應(yīng)力，而產(chǎn)品氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮到空間尺寸安裝固定后的撓度補償。

3）氣管組件實物接口尺寸存在偏差，在裝配過程中進(jìn)行空間尺寸校準(zhǔn)時可能已在焊縫處產(chǎn)生了疲勞斷裂。由于工裝上的機上氣路模擬接口結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、接口尺寸不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)品氣管在安裝對接初始即有較大的內(nèi)應(yīng)力。

在振動試驗交變應(yīng)力疊加影響下，最終造成氣管焊接部位疲勞斷裂。

對產(chǎn)品試驗件采用新制的氣管與上接口工裝進(jìn)行對接驗證。工裝模擬氣路接口無垂向限位，可上下自由移動，與產(chǎn)品氣路接口存在不同軸現(xiàn)象，需旋轉(zhuǎn)下移，且產(chǎn)品氣路接頭需同時向左側(cè)扭轉(zhuǎn)方可完成對接。若將產(chǎn)品氣路接口與工裝模擬氣路接口強制對接，并在工裝模擬氣路接口上部加裝背帽進(jìn)行擰緊防松，會出現(xiàn)氣管扭轉(zhuǎn)，對接后狀態(tài)如圖2 所示。

3 改進(jìn)措施及驗證情況

3.1 改進(jìn)措施

1）在氣管中部增加螺旋部分，提高氣管的撓度和自適應(yīng)補償能力，對組件A、B、C 進(jìn)行優(yōu)化。在氣管中部增加螺旋部分，將放氣閥安裝座安裝位置向骨架內(nèi)側(cè)偏移、兩點固定改為三點固定，組件C 在骨架近端處增設(shè)減振卡箍；改進(jìn)電磁閥安裝支架結(jié)構(gòu)，將電磁閥單側(cè)懸臂固定改為雙側(cè)支撐固定。組件B在螺旋段增設(shè)墊有減振墊的支撐。優(yōu)化后的氣管結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅度減小，如圖3所示。

2）改進(jìn)上接口工裝氣路模擬接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證接口尺寸與接口協(xié)調(diào)圖一致。將活動形式的懸臂軸接口嚴(yán)格按機上結(jié)構(gòu)及接口尺寸要求更改為固定形式的接口，將模擬氣路接口安裝接頭下移，減小懸臂長度，并修正模擬氣路接口軸向角度，確保理論上與產(chǎn)品氣路接口軸向方向同軸。

3.2 仿真分析與試驗驗證

圖1 氣管斷裂情況

圖2 氣管出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)

對氣路組件改進(jìn)情況進(jìn)行振動應(yīng)力仿真分析，仿真結(jié)果表明氣管結(jié)構(gòu)按改進(jìn)方案優(yōu)化后應(yīng)力情況有較為顯著的改善（見圖4）。仿真分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大點處于組件A 在Z向耐久振動時，為30.9MPa，遠(yuǎn)小于熱影響區(qū)許用應(yīng)力。最小的振動應(yīng)力減小比例出現(xiàn)在組件A 在X向耐久振動時，應(yīng)力值減小至改進(jìn)前的19.6%；最大的振動應(yīng)力減小比例出現(xiàn)在組件C 在Y向耐久振動時，證明了改進(jìn)后氣管組件振動應(yīng)力相比改進(jìn)前狀態(tài)大幅減小，改進(jìn)效果顯著。

將上接口工裝改進(jìn)措施落實到工裝實物后，使用優(yōu)化后狀態(tài)的C 組件對試驗件進(jìn)行振動試驗，試驗后檢查C 組件結(jié)構(gòu)完好，氣密檢查合格，初步驗證上接口工裝改進(jìn)方案有效。完成對產(chǎn)品氣管組件中部增加螺旋段的貫改工作后，使用改進(jìn)后的上接口工裝繼續(xù)進(jìn)行振動試驗，并在試驗過程中對安裝座處的振動響應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測

根據(jù)試驗過程中振動響應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)前期振動過程中安裝座處的振動響應(yīng)遠(yuǎn)高于產(chǎn)品振動控制輸入值，放大效應(yīng)明顯。產(chǎn)品按改進(jìn)方案進(jìn)行貫改后，放氣閥安裝座處的振動響應(yīng)值有較大幅度的減小。振動過程中從氣路上接口對二級掛架進(jìn)行充氣，二級掛架氣路系統(tǒng)充氣壓力達(dá)35MPa 以上，可正常實現(xiàn)對二級掛架的充氣功能。試驗結(jié)束后對產(chǎn)品進(jìn)行檢查，氣管組件結(jié)構(gòu)完好，氣密檢查合格，進(jìn)一步驗證了糾正措施的有效性。

圖3 氣路組件摸底驗證狀態(tài)

圖4 組件仿真應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

針對振動試驗氣管斷裂故障，通過改進(jìn)產(chǎn)品充氣管路結(jié)構(gòu)、放氣閥安裝座、氣管組件的安裝支撐方式，優(yōu)化工裝氣路模擬接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了產(chǎn)品氣路組件振動響應(yīng)的減小，提高了氣路組件的抗振能力，并已通過振動試驗考核，其力學(xué)性能能夠滿足產(chǎn)品要求。改進(jìn)方案的糾正措施經(jīng)仿真理論分析計算，其振動應(yīng)力較改進(jìn)前大幅減小，試驗過程中產(chǎn)品充氣功能正常，試驗后氣密性檢查合格，驗證了糾正措施的有效性。