無擴口導(dǎo)管滲漏故障機理的研究

■ 肖軍雷/石家莊海山實業(yè)發(fā)展總公司

0 引言

某型飛機液壓系統(tǒng)中大量使用了擠壓式無擴口導(dǎo)管，在使用維護過程中經(jīng)常出現(xiàn)低壓靜放時管套與管材間漏油、漏氣現(xiàn)象，給地面保障增加了許多困難，同時也給飛行安全帶來隱患。在對液壓系統(tǒng)導(dǎo)管進行大修作業(yè)時發(fā)現(xiàn)滲漏油氣故障的發(fā)生率平均在20%～40%之間，急需對其密封性能進行改進。

目前，國外擠壓式無擴口導(dǎo)管主要以5052-O、Сr21Ni6Mn9等材料制造，已在波音737、波音747、洛克希德СSA、空客A320等飛機上大量使用。國內(nèi)擠壓式無擴口導(dǎo)管的管材主要為5A02-O和1Сr18Ni9Тi、Сr21Ni6Mn9等材質(zhì)，規(guī)格涉及6～20mm，使用的機型并不多。該類型導(dǎo)管在前期制造過程中就已出現(xiàn)低壓滲漏現(xiàn)象，由于預(yù)裝工藝、材料加工等方面的缺陷導(dǎo)致該問題一直未能很好解決。

1 故障情況

無擴口導(dǎo)管按材料規(guī)格的劃分見表1，滲漏主要集中出現(xiàn)在鋁導(dǎo)管及12mm以下鋼導(dǎo)管上。按滲漏類型劃分，主要有低壓滲漏、高壓不滲漏和高壓滲漏兩種。按滲漏位置劃分，主要有導(dǎo)管與管套間以及螺母與接頭或螺母與管套間兩類。

表1 某型機無擴口導(dǎo)管分布

根據(jù)大量修理實踐，得出以下經(jīng)驗：

1）一般情況下漏油導(dǎo)管肯定漏氣，但是漏氣導(dǎo)管不一定漏油。

2）導(dǎo)管滲漏時，增大力矩不一定能排除故障。

2 無擴口導(dǎo)管密封原理分析

導(dǎo)管的密封性能取決于密封面的接觸力，當(dāng)其他因素不變時，接觸力在密封面上力值最小的點或區(qū)域決定了導(dǎo)管的密封性能。該區(qū)域接觸力越大導(dǎo)管的密封作用越好，在裝配狀態(tài)下，接觸力出現(xiàn)減弱或消失的話，導(dǎo)管的密封作用相應(yīng)減弱。

影響導(dǎo)管密封性能的可能因素如下。

1）原材料方面：管材尺寸精度及機械性能的差異。

2）零部件的加工工藝：管套、接頭尺寸精度及其檢驗方式、方法。

3）零部件的預(yù)裝工藝：擠壓力和時間，膠套尺寸、管材尺寸精度與管套精度間的相互影響。

4）機上裝配方面：裝配應(yīng)力、裝配不當(dāng)時部件的磨損、導(dǎo)管的擰緊力矩。

5）使用環(huán)境方面：導(dǎo)管工作的溫度、壓力及時間等。

3 無擴口導(dǎo)管滲漏原因分析

從外場選取了41根低壓滲漏無擴口導(dǎo)管，分別對其外觀尺寸、性能試驗、密封性能等方面進行分析，尋找滲漏故障的發(fā)生規(guī)律。

3.1 外觀尺寸

故障件的端頭位置大部分尺寸沒有發(fā)生明顯變化，但管材伸出管套部分的外徑較新品存在0.1～0.2mm的變形，且不同程度存在橢圓現(xiàn)象。這說明導(dǎo)管在安裝使用過程中存在裝配力矩過大和裝配應(yīng)力問題。裝配力矩過大導(dǎo)致導(dǎo)管組件損傷，影響正常使用；裝配應(yīng)力導(dǎo)致導(dǎo)管在圓周方向上受力不均，易發(fā)生油氣滲漏等故障。

3.2 氣壓泄漏及低壓靜放試驗

按HB5966[1]使用最小擰緊力矩對導(dǎo)管進行最大安全使用壓力下的氣壓泄漏試驗，試驗中有16根導(dǎo)管不滲漏，25根導(dǎo)管滲漏；滲漏導(dǎo)管中有11根管套松動，涉及材料為所有規(guī)格的鋁導(dǎo)管及6～12mm鋼導(dǎo)管。之后在導(dǎo)管內(nèi)部充入15號航空液壓油，保持內(nèi)部壓力0.1～0.3MPa，靜放24小時，結(jié)果顯示8根導(dǎo)管出現(xiàn)低壓滲漏故障，其中5根導(dǎo)管的管套出現(xiàn)松動。

試驗結(jié)果表明，外場發(fā)生滲漏的導(dǎo)管重新試驗時，并不能做到故障的完全復(fù)現(xiàn)；相對于鋼導(dǎo)管來說，鋁導(dǎo)管更易發(fā)生管套松動問題；管套發(fā)生松動的導(dǎo)管試驗時均復(fù)現(xiàn)滲漏故障。這些現(xiàn)象表明滲漏故障與使用環(huán)境有密切關(guān)系，在小（或無）應(yīng)力和靜載荷環(huán)境下更易保證密封。

3.3 密封性能

為定量研究導(dǎo)管的密封性能，引入最小擰緊力矩下的轉(zhuǎn)動力矩T。管材與管套間的密封性能取決與兩者間的接觸狀態(tài)，在同等接觸面積上接觸應(yīng)力越大密封性能越好。從圖1可以看出，在一定擰緊力的作用下，接觸力N為接觸應(yīng)力P和接觸面積S的積分：

圖1 轉(zhuǎn)動力矩測量方法

由摩擦力公式f=N·μ，可以得出管套相對管材轉(zhuǎn)動時的力矩與管套、管材間的接觸力N有如下關(guān)系：

式中，T為轉(zhuǎn)動力矩；d為管材外徑；μ為摩擦系數(shù)；P為接觸應(yīng)力；S為接觸面積。

對導(dǎo)管的密封性能進行對比試驗。將12mm鋁導(dǎo)管故障件與新品按HB7000-2008[2]使用最小擰緊力矩12N?m擰緊，然后固定導(dǎo)管管材并在管套和管材間做出標記，使用力矩扳手緩慢轉(zhuǎn)動接頭，記錄管套相對管材發(fā)生轉(zhuǎn)動時的力矩大小。最后使用最大擰緊力矩24N?m再次擰緊導(dǎo)管，重復(fù)上述過程。測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 導(dǎo)管的轉(zhuǎn)動力矩

試驗結(jié)果表明，故障件相對轉(zhuǎn)動力矩平均僅為同類新品轉(zhuǎn)動力矩的1/2～1/6，說明故障件的密封性能下降顯著。試驗結(jié)果還表明，簡單地增大擰緊力矩不能顯著提高故障件的密封能力。

對滲漏導(dǎo)管分析后發(fā)現(xiàn)，管口位置均不同程度地變形，且存在橢圓問題。轉(zhuǎn)動力矩約為新品的1/2～1/4。進行氣壓泄漏試驗及靜放試驗，滲漏情況與外場相似，但無管套松動故障。

可以看出，導(dǎo)管在裝配過程和使用過程均有滲漏發(fā)生，滲漏現(xiàn)象基本一致。綜合以上分析結(jié)果，確認無擴口導(dǎo)管滲漏的主要原因就是裝配和使用過程中導(dǎo)管與管套間的接觸力逐漸減小，當(dāng)接觸力過小時即出現(xiàn)可用手轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。

由無擴口導(dǎo)管連接特性可知，導(dǎo)管預(yù)裝成形后管套與管材間普遍存在不同程度的彈性變形與接觸應(yīng)力。從接觸應(yīng)力在使用過程中逐漸減小這一現(xiàn)象可知，產(chǎn)品尺寸設(shè)計、裝配及使用維護等環(huán)節(jié)均存在不同程度的缺陷才導(dǎo)致這一問題反復(fù)、大面積發(fā)生。

4 驗證

4.1 裝配對導(dǎo)管滲漏的影響

為分析管套與管材間的接觸力，使用abaqus6.11有限元軟件分析裝配對6mm鋼導(dǎo)管接觸應(yīng)力的影響。管套彈性模量為186Gpa，泊松比0.3，管材彈性模量為206GPa，抗拉強度550MPa，泊松比0.3，擰緊力矩14.6 N?m。

圖2中顯示的是在21.3N?m擰緊力矩下導(dǎo)管與接頭裝配分解后管套與管材間的等效塑形應(yīng)變。可以看出管套左端擠壓管材使管材發(fā)生部分塑性變形，管套與管材間出現(xiàn)間隙，兩者間的接觸力從最高的711N降低為0N，說明裝配對導(dǎo)管有損傷作用。

圖2 分解后等效塑形應(yīng)變分布

使用6mm鋼導(dǎo)管新品進行兩組試驗。第一次，使用最小力矩擰緊，然后松開，靠近管套前端的導(dǎo)管外徑比沒有裝配前大約小0.02mm；第二次，選用最大力矩擰緊導(dǎo)管，松開后導(dǎo)管外徑比裝配前大約小0.1mm。選取同規(guī)格故障件沿導(dǎo)管軸向進行剖切并拋光，可以看出管套與管材的相對位置關(guān)系發(fā)生偏離，中間出現(xiàn)縫隙，這些縫隙就是導(dǎo)管滲漏的通道。

裝配過程中，如果管材的彈性不好且操作者有使管套與管材相對轉(zhuǎn)動的習(xí)慣，管套會反復(fù)不均勻地擠壓導(dǎo)管，使導(dǎo)管與管套局部相互位置發(fā)生變化，兩者間的接觸面積和接觸力隨之發(fā)生改變，也就改變了導(dǎo)管組件制造后的狀態(tài)，容易發(fā)生滲漏。

4.2 動應(yīng)力對導(dǎo)管滲漏的影響

為驗證動載荷對無擴口導(dǎo)管接觸力的作用，對12mm鋁導(dǎo)管進行脈沖試驗和疲勞試驗，考核導(dǎo)管組件在脈沖作用和振動作用下的密封能力。疲勞試驗應(yīng)力按σb/4，頻率25Hz，振動次數(shù)為1000萬次[3]，脈沖試驗按HB6442-1994[4]中要求進行，力矩標準為HB7000-2008。

導(dǎo)管在疲勞試驗過程中無異常，但脈沖試驗過程中鋁導(dǎo)管有滲漏故障發(fā)生。對試驗后零件進行最小擰緊力矩下的轉(zhuǎn)動力矩測量，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示疲勞試驗件的平均轉(zhuǎn)動力矩與新品導(dǎo)管轉(zhuǎn)動力矩?zé)o太大區(qū)別，但脈沖試驗件的平均轉(zhuǎn)動力矩較新品出現(xiàn)大幅度降低，說明在脈沖和溫度載荷的共同作用下導(dǎo)管密封性能大幅度降低。

表3 導(dǎo)管的轉(zhuǎn)動力矩

5 討論

擠壓式無擴口導(dǎo)管滲漏的主要原因是在低壓靜放情況下管套與管材間出現(xiàn)滲漏通道，油液從這些縫隙滲漏出來。除以上因素外，分解修理與裝配也是誘發(fā)無擴口導(dǎo)管滲漏的因素。

1） 分解修理原因

無擴口導(dǎo)管由于靠管套壓緊導(dǎo)管實現(xiàn)密封，因此對端頭的質(zhì)量要求很高。分解修理過程中致使端頭變形或產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動均可能使導(dǎo)管密封性能降低或喪失。

2） 裝配原因

裝配環(huán)節(jié)誘發(fā)滲漏的因素有：管套尾部變形過大導(dǎo)致導(dǎo)管橢圓；裝配時導(dǎo)管前端變形導(dǎo)致導(dǎo)管橢圓；螺母擰緊過度導(dǎo)致管套變形；導(dǎo)管與接頭裝配后干涉。

6 結(jié)束語

無擴口導(dǎo)管滲漏機理較為復(fù)雜，涉及因素較多，需要進行綜合的改進才能有效提高其密封性能。綜上所述，得出以下結(jié)論：

1）無擴口導(dǎo)管滲漏的主要原因是導(dǎo)管與管套間的接觸力減小。

2）滲漏故障與使用環(huán)境有關(guān)，在無應(yīng)力和靜載荷環(huán)境下更能保證導(dǎo)管的密封。

3）反復(fù)的拆裝會破壞管套與管材間的密封關(guān)系，盡量少拆裝且不要讓導(dǎo)管發(fā)生轉(zhuǎn)動。

4）脈沖和溫度載荷對鋁導(dǎo)管滲漏有很大影響。

[1]HB5966-2008 無擴口導(dǎo)管連接件通用規(guī)范 [S].

[2]HB7000-2008 導(dǎo)管安裝擰緊控制機試驗要求 [S].

[3]HB6133-1987 液壓軟管、導(dǎo)管、接頭組件的脈沖試驗[S].

[4]HB6442-1994 飛機液壓導(dǎo)管及連接件彎曲疲勞試驗[S].