某型機艙門作動筒典型故障分析及改進

王勇彬 賀韡/空裝西安局某軍事代表室

1 艙門作動筒操縱形式

某型機艙門作動筒主要用于控制彈艙門的收放，有正常打開關閉、應急打開兩種工作形式。

正常打開關閉時，艙門作動筒依靠液壓系統的動力推動作動筒內的鋼球鎖機構打開或關閉艙門。當液壓系統失效時進行應急打開操作，在電磁鐵通電后通過拉桿作用將鋼球鎖機構打開，在負載作用下使作動筒完全伸出，確保在特定工況下完成艙門的打開任務。

艙門作動筒內部采用的鋼球鎖機構為一種常見的液壓鎖結構。通過襯筒頂起鋼球進入漲圈內部，將鋼球保持在鎖定位置，實現作動筒上鎖；開鎖時，在外力作用下推動襯筒運動，使鋼球從漲圈內脫離，活塞在負載的帶動下實現開鎖動作。艙門作動筒結構形式見圖1。

2 艙門作動筒故障模式

通過外場統計，艙門作動筒故障模式主要為端蓋密封失效、拉桿斷裂以及鋼球鎖功能失效。幾起故障影響了執行系統功能的實現，具體故障模式如下。

2.1 端蓋密封失效

外場使用過程中作動筒出現滲漏油故障較多，主要集中在一側端蓋部位，如圖2 所示，I 區為主要滲漏部位。艙門收放過程中出現滲漏會造成系統油液損失，嚴重時會出現系統低油位告警故障。

2.2 拉桿斷裂

飛行前進行地面檢查時發現，正常打開艙門后，艙門作動筒應急機構的連桿端頭斷裂，導致應急機構無法正常工作。斷裂部位為應急機構拉桿螺紋根部，如圖3 所示。

2.3 鋼球鎖機構失效

飛行過程中，在無任何操縱的情況下艙門突然打開，此時機上電源信號正常。地面功能檢查時故障復現，作動筒分解檢查發現內部襯筒碎裂，無法保證鋼球鎖機構處于上鎖狀態，致使附件功能失效，襯筒斷裂后將作動筒筒壁劃傷，鋼球被擠壓損壞。

3 故障原因及后續改進措施

3.1 端蓋密封失效機理及改進

1）失效機理分析

密封圈的拉伸率與壓縮率是保證液壓附件密封性的重要因素。對漏油部位受力情況進行分析，當作動筒供壓時，圖2中I 區密封圈受到液壓力，同時密封圈受到筒體內壁的壓力、膠圈槽外徑的壓力和膠圈槽斜面的作用力，以上四個力導致密封圈受壓變形。密封圈受力情況見圖4。

對密封圈規格與槽口尺寸進行校核。所用的密封圈內徑為Φ86mm，截面直徑為Φ3mm，根據HB/Z4-1987，利用公式H=k×d（密封形式為固定密封，k 的選取范圍為0.8 ～0.85），得出H 值的范圍為2.4 ～2.55mm，密封圈壓合量為0.45 ～0.6mm，而密封槽處的實際零件尺寸H=（920+0.087-870-0.1）÷2=2.5 ～2.5935mm，密封圈壓合量為0.4065 ～0.5mm，壓合量下限低于標準要求；拉伸率α 經計算為1.011，也小于標準要求。

圖1 艙門作動筒結構形式示圖

圖2 端蓋漏油部位

圖3 拉桿斷裂部位

圖4 密封圈受力情況

圖5 拉桿有限元分析

因此，出現端蓋滲漏的原因是密封圈與槽口尺寸配合性較差。

2）改進措施及驗證

根據HB/Z4-95，選取拉伸率α= 1.03、壓縮率Y=20%，根據現有槽口尺寸，對密封圈進行重新設計，加大密封圈尺寸。經過計算，新制膠圈截面直徑d ≈3.2mm，膠圈內徑D ≈85.2mm。由于膠圈分模后通過手工對分模面去毛刺，易造成膠圈表面不光整，直接影響密封圈外徑尺寸，因此將密封圈分膜面由180°更改為45°，減少在分膜面去毛刺過程中對密封圈的損傷。并且，提高槽口零件表面粗糙度，同時將密封圈支持面零件單面倒角1×45°更改為0.3×45°，增加膠圈貼合面長度。

新制密封圈裝配后，經過臺架試驗以及外場使用，端蓋處滲漏現象明顯降低。僅優化密封圈規格也便于外場換件修理。

3.2 拉桿斷裂機理及改進

1）斷裂機理分析

對艙門作動筒應急開鎖裝置斷裂拉桿進行理化分析，斷裂部位為拉桿的螺紋根部，原因是拉桿螺紋部位受到交變彎曲應力，應力集中造成疲勞斷裂。

艙門作動筒應急開鎖裝置僅在艙門應急打開狀態下才使用，使用頻率低。從機構原理分析，拉桿理論上不會承受彎曲應力，通過建立拉桿機構有限元模型，對拉桿受力進行分析，理論設計滿足強度設計要求。但是，如果與拉桿連接的搖臂長圓孔與拉桿端頭處的運動軌跡不協調，拉桿在搖臂長圓孔中運動時，與搖臂長圓孔兩端產生干涉，就會產生垂直拉桿的彎曲應力。強迫位移下的有限元分析結果如圖5 所示。

從強度校核與測試報告分析結論可知，拉桿斷裂的故障原因是拉桿與搖臂長圓孔運動軌跡不協調，產生彎曲應力，導致拉桿斷裂。

2）改進措施及驗證

根據有限元分析結果，當干涉量超過1mm 時就可能造成拉桿斷裂。為了避免搖臂長圓孔尺寸超差或者相關零件公差積累導致拉桿與搖臂長圓孔運動軌跡不協調，應加大搖臂長圓孔尺寸并改善裝配工藝性。尺寸改變后重新進行強度校核，搖臂強度滿足使用要求。改進后再未出現此類故障。

3.3 鋼球鎖機構失效與改進

1）鋼球鎖機構失效機理

襯筒作為鋼球鎖機構的承力部件，保證鋼球鎖位于鎖定位置。如果內部襯筒碎裂，則無法保證上鎖位置，會造成附件功能失效。

圖6 襯筒材料淬火后金相組織對比

經理化分析，襯筒碎裂原因是零件馬氏體組織超標。加工過程中通電時間越長，淬火溫度也越高，將導致材料組織馬氏體粗大，材料脆性增加。使用中受到與配合零部件的摩擦、擠壓作用后，就出現失穩脆斷。

2）改進措施及驗證

襯筒材料為T10A- 退火態，經過高頻淬火加回火，硬度達到60 ～ 63.3HRC。襯筒高頻淬火的工藝加工方法是將零件放在通有交變電流的感應線圈中，利用導體中產生的感應電流對襯筒零件進行加熱，在此過程中會形成馬氏體組織。

馬氏體等級超標的根本原因是淬火時間過長，導致加熱溫度過高。工藝把控是直接影響零件品質的因素，通過對高頻感應設備的電流、電壓及通電時間等過程控制參數進行優化，可以保證馬氏體等級要求，提升產品可靠性，降低故障發生率。

對淬火過程中不同通電時間進行比對試驗，斷面金相對比結果如圖6 所示，改進工藝方法后馬氏體等級明顯提高。