護板收放作動筒壽命試驗裂紋原因分析及改進

敖文偉，曾祥財，裴華平，龔良國，魯勝,鐘小宏

（航空工業(yè)洪都,江西南昌，330024）

0 引言

護板收放作動筒通過液壓系統(tǒng)提供動力，實現(xiàn)飛機護板的收上和放下，從而為飛機起落架的收放提供通路。由于護板收放作動筒不承受地面載荷，只承受護板收放載荷，所以往往要求按與飛機同壽命（允許更換密封件）來設計。按照《飛機I、II型液壓系統(tǒng)直線式作動筒通用技術條件》（HB6090-1986）的要求，護板收放作動筒在設計鑒定時需要完成工作循環(huán)及壓力脈沖循環(huán)兩部分的壽命試驗考核。

某型飛機的護板收放作動筒在進行壽命試驗中的壓力脈沖循環(huán)試驗時，上端蓋出現(xiàn)了裂紋，未能通過壽命試驗考核。通過有限元分析及故障件理化分析，定位了故障原因。并在此基礎上，對故障處進行了結構上的優(yōu)化改進和增加了工藝上的加工要求，通過理論計算和試驗驗證，改進后的作動筒滿足壽命指標要求。

1 結構及試驗情況

1.1 作動筒結構

某型飛機的護板收放作動筒為往復直線式液壓作動筒，用于實現(xiàn)飛機護板的收放。其結構主要由外筒、活塞桿（活塞與活塞桿為一體）、上端蓋、下端蓋、調節(jié)接頭、管接頭、軸承、密封件等組成，如圖1所示。活塞桿上的活塞將作動筒內腔隔成兩腔，圖示左腔為伸出腔，右腔為縮進腔，兩管接頭實現(xiàn)作動筒與液壓系統(tǒng)的連通。

1.2 試驗情況

1）試驗要求

圖1 護板收放作動筒結構圖

按產品試驗大綱要求，護板收放作動筒需完成200000次（活塞桿全縮進和活塞桿全伸出各100000次）壓力峰值為31MPa（1.5倍的系統(tǒng)額定壓力值）的壓力脈沖試驗。脈沖波形要求見HB6090-1986中的3.6.7.2條及該條下的圖1。試驗時，先將活塞桿處于全縮進位置，將縮進腔管接頭與脈沖試驗臺連接，伸出腔管接頭通大氣，進行試驗；再將活塞桿處于全伸展位置，將伸出腔管接頭與脈沖試驗臺連接，縮進腔管接頭通大氣，進行試驗。

在整個壓力脈沖循環(huán)試驗中，作動筒不應出現(xiàn)外部和內部泄漏，不允許出現(xiàn)零件松動、永久變形或破壞現(xiàn)象。

2）試驗故障

護板收放作動筒在經(jīng)歷175000次（活塞桿全縮進100000次，活塞桿全伸出75000次）脈沖后出現(xiàn)了裂紋，裂紋部位位于上端蓋端面與筒壁過渡R區(qū)域，沿上端蓋圓筒周向擴展，長約7mm,見圖2。

圖2 故障位置

2 故障分析

2.1 理化分析

上端蓋材料為30CrMnSiA,熱處理要求為：σb=1175±100MPa，故障件硬度檢測結果為：σb=1234 MPa；滿足要求。為定位裂紋原因，對故障件進行了宏觀，微觀觀察，金相組織分析，化學成分和硬度檢測。

2.1.1 宏觀觀察

故障件裂紋處斷口宏觀形貌如圖3所示，上端蓋筒壁外側裂紋長度約7mm，筒壁內側裂紋長度約15mm，斷口較平坦，呈弧形，有明顯的裂紋擴展線痕跡。同時，斷口起始位置有明顯的加工痕跡，且越靠近內壁根部R處，加工刀痕越明顯。

圖3 故障處宏觀形貌

2.1.2 微觀觀察

在掃描鏡下觀察斷口，裂紋起始位置疲勞條帶形貌不明顯，擴展區(qū)、疲勞區(qū)可見疲勞條帶形貌，剪切唇區(qū)可見韌窩形貌，見圖4。

2.1.3 金相組織

裂紋附近未腐蝕狀態(tài)下的金相組織，未見夾雜。金相組織，心部組織均為回火索氏體，見圖5。

圖4 微觀形貌

圖5 微觀形貌

2.1.4 成分及硬度檢測

在零件上取光譜試樣進行化學成分檢測，檢測結果與要求對照見表1。

表1 化學成分對照

在零件上去布氏硬度試樣進行硬度檢測，檢測結果為1234MPa,滿足1175±100 MPa的要求。

通過檢測分析，該故障零件的化學成分、硬度值符合要求，金相組織正常，裂紋起始于上端蓋端部與筒內壁交界R處的加工刀痕，由于該處為應力集中處，當受到交變載荷時，易在此部位形成疲勞源。該零件的裂紋為疲勞裂紋。

2.2 理論分析

通過建立上端蓋的有限元分析模型，施加試驗工況載荷，得到上端蓋疲勞危險部位的最大主應力云圖，見圖6。最大主應力為930MPa，位于上端蓋耳片與筒體相貫的內腔R1倒角處，為疲勞危險部位，

與試驗現(xiàn)象吻合性較好。

圖6 上端蓋應力云圖

理化分析和理論計算表明，造成護板收放作動筒上端蓋裂紋的主要原因為：上端蓋端部與筒體內壁相貫R處較大的應力集中與該處存在的加工刀痕相互疊加，加劇了應力集中的程度，導致了試驗件在進行壽命試驗時破壞。

3 處理措施

3.1 改進方案

為改善護板作動筒疲勞性能，使其達到與機體同壽的設計要求，對上端蓋主要做如下改進：

1）內孔根部由R1改為R2，外端面倒圓由R5改為R2；

2）提高內腔根部R2處的粗糙度要求，由6.3優(yōu)化到3.2；

3）加寬耳片寬度，與端面寬度平齊。

圖7 上端蓋改進方案

3.2 應力分析

根據(jù)改進后上端蓋結構，通過之前建立的有限元分析模型，施加試驗工況載荷，得到最大主應力云圖，見圖8，最大主應力為632MPa，位于上端蓋端部與筒體內壁相貫的R2處，較改進前的930 MPa降低了近300MPa，能有效提高疲勞壽命。

圖8 改進后的上端蓋應力云圖

3.3 驗證效果

改進后的護板作動筒按壽命試驗要求，重新開展試驗并進行試驗考核，未出現(xiàn)結構破壞、密封泄漏等故障，改進效果良好，通過試驗考核。

4 結語

護板收放作動筒壽命試驗出現(xiàn)裂紋是由于局部應力集中，是疲勞的危險部位，在多次壓力脈沖的作用下導致裂紋出現(xiàn)。在研究護板收放作動筒結構組成、試驗要求的基礎上，通過故障件理化和理論分析后，在作動筒零件改變最小的前提下，改進了上端蓋的結構形式，降低了上端蓋的最大應力，提高了產品的壽命，改進方案通過試驗驗證，使得故障沒有再現(xiàn)，通過壽命考核，改進方案能有效提高產品壽命。