某直升機回中機構凸輪銹蝕解決方案

陳翔

摘? 要：針對某直升機回中機構凸輪在鹽霧試驗中出現銹蝕問題，采用了故障樹對潛在的故障原因進行逐條排查，完成了故障原因定位。依據金屬腐蝕機理，對已定位的故障原因完成了凸輪銹蝕機理分析，進一步確認了導致凸輪銹蝕的本質原因。根據故障機理分析結果和其他型號研制經驗，選用含鉻量更高、防腐性能更好的沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb進行了凸輪改進設計。改進后的凸輪通過了鹽霧試驗驗證。

關鍵詞：直升機;鹽霧試驗;銹蝕;故障分析

中圖分類號：TH112.2? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

直升機具有不依賴機場跑道垂直起降、空中懸停、前后左右飛行、超低空飛行等特點，能完成其他航空器、武器和交通工具難以完成的任務，具有不可替代的重要作用。在軍事應用上，直升機可用于戰場低空快速打擊、后勤保障以及戰場救援;在民用方面，直升機可用于近海石油平臺作業、醫療救護、森林防火、地質勘探等20多個領域。直升機大范圍使用，要求直升機具備高低溫、高濕、鹽霧等環境適應能力。在進行某直升機回中機構鹽霧試驗時，凸輪出現銹蝕問題。凸輪銹蝕會導致直升機回中機構功能失效，影響直升機出勤效率。為了解決凸輪銹蝕問題，特對該問題進行故障分析，并通過試驗驗證改進措施的有效性。

1 回中機構的概述

某型直升機采用后三點布局，起落架由2個主起落架和一個尾起落架構成。尾起落架由搖臂、緩沖器、輪叉、回中機構、機輪、輪胎和尾輪鎖等組成。為保證直升機在空中或者著陸時尾機輪始終處于中立位置，需要通過尾輪鎖將尾輪鎖定在中立位置。由于尾起落架不具有轉向控制功能，直升機在起飛前，尾輪可能不在中立位置，導致無法鎖定尾輪，使直升機不能按時起飛。

為提高出勤效率，某型直升機尾起落架設計有回中機構。回中機構用于直升機離地后轉尾輪自動回中，以實現尾輪鎖定。回中機構主要由驅動組件、和凸輪組成，其中凸輪通過插銷安裝于輪叉上，驅動組件安裝于搖臂上，如圖1所示。在尾輪偏轉情況下，驅動組件通過凸輪給尾輪一個回中力矩，將尾輪驅動到中立位置。當尾輪處于中立位置時，尾輪鎖上、下鎖孔對齊，尾輪鎖可以通過插銷將尾輪鎖定在中立位置。

2 凸輪銹蝕故障分析

回中機構在進行鹽霧試驗時，凸輪出現比較嚴重的銹蝕問題，如圖2所示。金屬零件的腐蝕是指零件和周圍介質接觸時發生化學或電化學作用引起的一種破壞現象。按腐蝕機理分類，金屬腐蝕一般分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕。從圖1可知，凸輪安裝于為尾起落架外部，與大氣環境直接接觸。凸輪在安裝時，采用密封膠與輪叉進行了接觸隔離。凸輪選用4Cr13不銹鋼制造，表面經鈍化處理。根據凸輪設計情況和金屬腐蝕機理，通過故障樹的形式列出可能導致凸輪銹蝕的原因，如圖3所示。

2.1 選材不合理

凸輪采用選用含鉻量為12%～14%、高硬度、耐磨不銹鋼4Cr13。飛機設計手冊第10冊推薦：不銹鋼零件需要較高的耐腐蝕性能時，一般應該選擇含鉻13%以上的材料。存在凸輪選用的材料防腐能力不足導致凸輪在鹽霧環境銹蝕的可能性。

2.2 結構設計不合理

凸輪結構敞開，并設計有排水孔，不會大量積留腐蝕介質，且凸輪設計有尖邊倒圓，凸輪表面質量要求合理。結合凸輪銹蝕狀況看，凸輪光滑平面和曲面也銹蝕，排除結構設計不合理導致凸輪銹蝕。

2.3 制造材料不合格

用于生產凸輪的材料4Cr13來自于合格材料供應商，且材料需進行了入廠復驗，材料合格后才用于零件生產。可以排除制造材料不合格導致凸輪銹蝕的原因。

2.4 加工工藝不合理

經核查凸輪加工工藝路線，凸輪表面處理安排在所有機加工序后，不存在表面鈍化層不被機加工破壞的可能，保證了凸輪的環境防護能力。凸輪熱處理按航空用不銹鋼熱處理標準進行，鈍化處理質量控制執行不銹鋼酸洗鈍化質量檢驗標準。核查凸輪整個加工工藝路線和每道加工工序的結果表明，凸輪加工工藝路線安排合理，可以排除加工工藝不合理導致凸輪銹蝕的原因。

2.5 發生接觸腐蝕

凸輪在進行鹽霧試驗時未和其他零件進行接觸，可以排除接觸腐蝕導致凸輪銹蝕的原因。

2.6 試驗條件不合理

鹽霧試驗的條件按GJB150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》中的有關規定執行，鹽霧試驗機處于校準期內，可以排除試驗條件不合理導致凸輪銹蝕的原因。

3 凸輪銹蝕機理分析

凸輪采用材料4Cr13不銹鋼，鈍化處理。在鹽霧環境下，氯離子本身不能直接滲透不銹鋼鈍化膜，但是由于水蒸氣和氯離子吸附在不銹鋼表面，從微觀角度來看，微觀區域間成分的不均勻性，容易形成多個微電極，當區域電極存在一定電位差以及凹凸不平的表面形成電解液時，則在不銹鋼表面容易形成許多微小的原電池。原電池中作為負極的金屬或金屬氧化物失去電子被氧化，形成陽離子進入溶液。隨著鈍化層逐漸溶解，電阻變小（鈍化層有一定的電阻），電流變大，腐蝕加速，空氣中的氧氣和水蒸氣中的氯離子同時進入不銹鋼裸露面。當鐵原子的溶解速度不足完全消耗電解液中滲透的氧氣時，則在不銹鋼表面仍能形成防護層，表現出一定的防銹能力。當鐵原子的溶解速度完全消耗電解液中滲透的氧氣生成氧化亞鐵時，不銹鋼由于沒有氧化層阻擋，微電池腐蝕直接與裸露金屬接觸，腐蝕金屬基體。

不銹鋼的主要化學成分是Fe、Ni、Cr、C。其中Cr電位值較低，容易與氧結合形成氧化層，氧化層勢能較高，電阻也較大。因此含Cr成分較高的不銹鋼表面的氧化層的耐腐蝕性能較好。因此Cr含量不高的不銹鋼可能在鹽霧環境下發生銹蝕。

綜上所述，回中機構鹽霧試驗發生凸輪銹蝕的原因為：凸輪選用的不銹鋼材料4Cr13耐鹽霧腐蝕能力不足，在鹽霧環境下會發生銹蝕。

4 改進措施及試驗驗證

依據上述故障原因定位和機理分析，凸輪需要選用含鉻量更高的不銹鋼制造。根據其他型號研制經驗，高強度沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb含鉻為15%～17%，已應用于制造飛機零件，防護能力較強，并通過了鹽霧試驗驗證。采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb來制造凸輪，可滿足凸輪高硬度、耐磨和耐腐蝕性要求。改進后的凸輪重新進行了鹽霧試驗，如圖4所示，試驗結果滿足試驗合格判據要求。

5 結論

通過對凸輪銹蝕問題故障分析，完成了凸輪銹蝕故障定位和相關機理分析，確定了4Cr13含鉻量不高導致凸輪銹蝕。通過采用含鉻量更高的沉淀硬化不銹鋼可滿足凸輪高硬度、耐磨和耐腐蝕性要求。改進后的凸輪通過了鹽霧試驗，能滿足產品環境適應性要求。綜上所述，在進行直升機外露、無噴漆要求不銹鋼零件設計時，應選用含鉻量較高的不銹鋼材料，以避免出現零件銹蝕問題。

參考文獻

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