電液伺服閥彈簧管失效分析

劉新靈，彭 凱，白明遠(yuǎn)，于 洋

（1北京航空材料研究院，北京100095；2航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；3大連船用柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連116021）

電液伺服閥彈簧管失效分析

劉新靈1，2，彭 凱3，白明遠(yuǎn)1，于 洋1

（1北京航空材料研究院，北京100095；2航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；3大連船用柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連116021）

統(tǒng)計(jì)分析了某電液伺服閥13個(gè)失效彈簧管的開裂情況（包括彈簧管的應(yīng)用、開裂位置、裂紋擴(kuò)展方向以及開裂方式的規(guī)律性）。采用外管分析、斷口分析和金相組織分析等方法，研究了彈簧管斷裂特征與機(jī)理。結(jié)果表明：彈簧管的開裂原因包括較大的疲勞應(yīng)力、材質(zhì)和加工因素。夾雜物在彈簧管冷拉成型過(guò)程中沿軸向分布，在周向打磨過(guò)程中沿夾雜物形成裂紋。

彈簧管；電液伺服閥；失效規(guī)律；失效原因

電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，是一種接受模擬電信號(hào)后，相應(yīng)輸出調(diào)制流量和壓力的液壓控制閥。電液伺服閥具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中［1－3］。關(guān)于伺服閥的失效分析，主要針對(duì)系統(tǒng)故障，而非伺服閥具體構(gòu)件的失效分析，如老式輕型飛機(jī)大多采用氣壓剎車，隨著剎車裝置的不斷發(fā)展，要求快速響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的伺服控制，文獻(xiàn)［4］分析了飛機(jī)電子防滑剎車系統(tǒng)電液伺服閥的工作特性，并針對(duì)電子防滑剎車系統(tǒng)電液伺服閥的故障提出了改進(jìn)措施。而關(guān)于彈簧管的失效分析較少，多是針對(duì)彈簧管式壓力表的誤差測(cè)量、故障判斷及調(diào)修的方法等［5－7］。

本工作中的電液伺服閥主要是由銜鐵擋板組件以一定頻率帶動(dòng)反饋桿工作的，彈簧管是伴隨銜鐵擋板組件擺動(dòng)下承受來(lái)回的微量彎曲。其中彈簧管為薄壁結(jié)構(gòu)，一般僅有60μm左右。電液伺服閥彈簧管一般采用3J1奧氏體沉淀強(qiáng)化型高彈性精密合金或C17200鈹銅合金。高彈合金3J1具有較高的彈性模量和彈性極限，較低的彈性后效和線膨脹系數(shù)，同時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度，無(wú)磁性、耐腐蝕，被廣泛應(yīng)用于航空、電子、機(jī)械、電真空、儀器儀表等［8］。

電液伺服閥在彈簧管處的開裂情況包括：未使用，在檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋；使用過(guò)程中開裂，導(dǎo)致漏油故障。彈簧管在工作過(guò)程中承受疲勞載荷，并且由于其為薄壁結(jié)構(gòu)，加工質(zhì)量要求嚴(yán)格，是最易發(fā)生開裂的部位。彈簧管失效的因素綜合且復(fù)雜，需系統(tǒng)分析開裂的原因，以保障彈簧管的可靠應(yīng)用。

1 彈簧管開裂情況統(tǒng)計(jì)分析

針對(duì)13個(gè)失效的彈簧管進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)裂紋多數(shù)是沿彈簧管的周向開裂（6個(gè)），且多發(fā)生在薄壁轉(zhuǎn)角R處，如圖1所示。周向裂紋形成均發(fā)生在實(shí)驗(yàn)或使用過(guò)程中。2個(gè)開裂發(fā)生在彈簧管的中部，如圖2所示。13個(gè)失效彈簧管的基本情況如表1所示。

表1 失效彈簧管的基本情況Table 1 The basic conditions of failure bourdon springs

有2個(gè)彈簧管壁的裂紋是軸向的，如圖3所示，可知在轉(zhuǎn)角R附近，裂紋沿著管的軸線方向擴(kuò)展。這2個(gè)彈簧管還未使用，是在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其沿著夾雜開裂的。另外，還有3個(gè)彈簧管在其內(nèi)壁有鼓包現(xiàn)象，如圖4所示。

2 彈簧管斷裂特征分析

凡在使用過(guò)程中形成的裂紋，其形貌特征都類似，即低倍下斷面較粗糙，高倍下主要為滑移和類解理的斷裂特征，也可見少量的疲勞條帶特征（多數(shù)裂紋斷口觀察不到），人工打開區(qū)域?yàn)轫g窩。以上斷裂特征表明，裂紋斷裂特征為典型的快速擴(kuò)展斷裂（圖5）。

3 開裂的主要原因分析

對(duì)13個(gè)彈簧管的開裂進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為開裂的主要原因有：使用工況（較大應(yīng)力）、材質(zhì)和加工。

3.1 較大應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞開裂

通過(guò)對(duì)彈簧管斷裂特征的綜合分析可知，斷裂特征主要為斷口存在類解理和大量的滑移，而且其類解理不同于疲勞擴(kuò)展第一階段的類解理，而人為打斷區(qū)為韌窩特征，從而可知，其斷裂性質(zhì)并不是過(guò)載斷裂，而是較大應(yīng)力作用下的疲勞斷裂，在斷口上不易觀察到典型的疲勞條帶特征，主要原因有：由于彈簧管管壁很薄（0.06mm），在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)力，所以斷口疲勞條帶特征不易形成；在經(jīng)歷振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后斷口局部磨損，疲勞擴(kuò)展區(qū)及疲勞條帶已不易觀察；應(yīng)力較大，未以條帶機(jī)制擴(kuò)展。

文獻(xiàn)［9，10］研究了FGH96粉末高溫合金的斷裂特征，疲勞穩(wěn)定擴(kuò)展第一階段為類解理形貌，疲勞穩(wěn)定擴(kuò)展第二階段為疲勞條帶，快速擴(kuò)展階段為快速滑移形成的臺(tái)階面等形貌特征，F(xiàn)GH96為面心立方結(jié)構(gòu)，本工作中彈簧管所用材料為奧氏體沉淀強(qiáng)化型高彈性合金，奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，鈹銅合金也是面心立方晶體結(jié)構(gòu)［11］，其斷裂特征與FGH96快速滑移特征接近，從而說(shuō)明，彈簧管的斷裂為較大應(yīng)力作用下的快速疲勞擴(kuò)展。

彈簧管隨系統(tǒng)進(jìn)行懸臂振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)失效，并且在懸臂狀態(tài)下彈簧管所受應(yīng)力較大。因此，在某一階段較大應(yīng)力作用下，就可能導(dǎo)致彈簧管產(chǎn)生疲勞開裂。彈簧管裂紋均大多數(shù)產(chǎn)生在轉(zhuǎn)接圓角處，該處為應(yīng)力集中部位，所以裂紋優(yōu)先在該位置產(chǎn)生，彈簧管工作中承受交變的彎曲應(yīng)力，且轉(zhuǎn)角處的加工痕跡較粗糙，如圖6所示，也是形成裂紋的促進(jìn)因素。

圖5 彈簧管裂紋斷裂特征 （a）類解理；（b）滑移臺(tái)階；（c）疲勞條帶；（d）韌窩Fig.5 Fracture characteristics of bourdon spring （a）cleavage－like；（b）slip steps；（c）fatigue striation；（d）dimples

3.2 材質(zhì)因素導(dǎo)致的失效

對(duì)所有失效彈簧管的硬度和組織進(jìn)行分析，可知，一般為奧氏體基體和γ′強(qiáng)化相，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)其組織未見異常，沒有過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，硬度符合工藝要求。但夾雜物以及一些相也可能是裂紋形成的促進(jìn)因素。

（1）夾雜物導(dǎo)致的開裂

有2個(gè)彈簧管還未使用，在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軸向的裂紋，裂紋長(zhǎng)度幾乎為管身長(zhǎng)度，且均沿夾雜物開裂，能譜分析結(jié)果表明，該夾雜物為氧化鈣。由于彈簧管經(jīng)冷拉成型，夾雜物沿軸向分布（圖8），因而在對(duì)彈簧管外表面進(jìn)行周向打磨時(shí)，很容易發(fā)生沿夾雜物開裂的現(xiàn)象。

另外，在冷拉成型時(shí)，拉模表面粗糙度污染可能導(dǎo)致彈簧管出現(xiàn)鼓包，鼓包的出現(xiàn)不利于彈簧管的表面完整性。

圖8 彈簧管表面夾雜形貌 （a）二次電子；（b）背散射Fig.8 Inclusion morphologies on surface of bourdon spring（a）secondary electron；（b）backscattered electron

（2）材料中的相以及晶粒均勻性

在地面半物理實(shí)驗(yàn)中開裂的2個(gè)彈簧管裂紋斷口上未見明顯的夾雜等冶金缺陷，金相檢查也表明，在未檢查到明顯夾雜的情況下，彈簧管的夾雜物含量較少；但彈簧管存在較多的碳化鈦和Fe2Mo相。一般來(lái)說(shuō)，使用狀態(tài)的3J1高彈性合金基體組織為奧氏體組織和γ′［（Ni，F(xiàn)e）3（Al，Ti）］型強(qiáng)化相，并含有少量的碳化物和Fe2Mo相。分析失效件的相發(fā)現(xiàn)，其碳化物和Fe2Mo相含量較多，當(dāng)碳化物和Fe2Mo相含量較多時(shí)，對(duì)應(yīng)的硬度處于技術(shù)要求（HRC38～42）的上限或硬度略高于技術(shù)要求。通常，隨著材料的硬度和強(qiáng)度提高，則塑性和韌性會(huì)降低。因此，彈簧管的硬度處于技術(shù)要求上限會(huì)在一定程度上促進(jìn)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。

還有的彈簧管材料組織中未見連續(xù)鏈狀β相，組織中晶粒尺寸存在一定差異，經(jīng)測(cè)量，晶粒最小尺寸為9μm，最大尺寸為44μm。晶粒尺寸大小差別較大對(duì)疲勞性能也是不利因素。

綜上所述，彈簧管的開裂主要分為兩大類：未使用彈簧管的開裂一般是加工制造導(dǎo)致的，這種開裂所占的比例較小；在使用過(guò)程中導(dǎo)致彈簧管開裂的因素較綜合，主要因素有材質(zhì)、加工因素、應(yīng)力因素，而且這些因素常常耦合作用。為保證彈簧管的可靠應(yīng)用，除需從受力上進(jìn)行仔細(xì)分析計(jì)算外，還需關(guān)注材料組織的均勻性、相組成等因素。

4 結(jié)論

（1）導(dǎo)致彈簧管開裂的因素：較大的疲勞應(yīng)力、材質(zhì)和加工，且這些因素往往耦合作用。

（2）如果存在夾雜物，在冷拉過(guò)程中夾雜物沿軸向分布，在之后的周向打磨時(shí)，容易沿夾雜物開裂。

（3）為保證電液伺服閥彈簧管的可靠應(yīng)用，除需從受力上進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算外，還應(yīng)注意及時(shí)檢查拉模的粗糙度，提高材料的組織均勻性，改善相的組成，去除雜質(zhì)，改善彈簧管的表面加工質(zhì)量。

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Failure Analysis About Bourdon Spring of Electrohydraulic Servo Valve

LIU Xin－ling1，2，PENG Kai3，BAI Ming－yuan1，YU Yang1
（1Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2Beijing Key Laboratory of Aeronautical Material Testing and Evaluation，Beijing 100095，China；3Dalian Marine
Diesel Co.，Ltd.，Dalian 116021，Liaoning，China）

The crack conditions of 13bourdon springs of electrohydraulic servo valve were analyzed，including crack position，crack orientation and the crack regularity.Using the methods of macrography observation，fracture surface analysis and metallic phase analysis，the fracture characteristics and mechanism of bourdon springs were studied.The results showed that，main failure reasons included：larger stress，material quality and process.The inclusion distribute was axial because of hard－drawing，crack was formed following the inclusion during the process of circumferential dressing.

bourdon spring；electrohydraulic servo valve；failure regularity；failure cause

TG115

A

1001－4381（2012）08－0010－04

2011－07－21；

2012－05－18

劉新靈（1973－），女，博士，從事失效分析與預(yù)防研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱4分箱（100095），E－mail：liuxinling119＠sohu.com