航空液壓系統無擴口管路件研究現狀分析

王守財，董 宇，孫忠志，賀 飛

(1.中國航空工業集團公司 沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽 110035；2.中國人民解放軍空軍裝備部 駐沈陽地區軍事代表局，遼寧 沈陽 110035)

引言

航空管路件主要用于飛機的液壓、燃油、滑油、環控等系統，起到傳送介質和輸送動力兩種作用[1]，是影響飛機安全性和可靠性的重要部件。對于液壓系統來說，在同等功率條件下，工作壓力越高，所要求的作動筒和油泵活塞底面積越小，相應的管路流量越小，因而液壓系統的整體尺寸和重量都會相應減小和減輕，而較低的介質流速也減少了在管路中流動的功率損失。因此，研究更高工作壓力的液壓系統是航空工業發展的客觀需要。目前國內外各型號采用的工作壓力主要為21, 28, 35 MPa三種，更高的工作壓力對飛機性能提升，重量優化都有很大的作用，但是卻對管路件的設計及試驗驗證過程提出了更高的要求。

擴口式連接是目前最主要的連接方式，但是對于飛機日益苛刻的低重量、高壽命要求，無擴口連接的優勢更加明顯[2]，主要體現在以下幾方面：

(1) 導管變形小，可靠性高，疲勞壽命高；(2) 密封形式為線密封，密封性能好；

(3) 無需保險絲鎖緊，自鎖性好，降低重量與維護成本；

(4) 可用于鈦合金導管連接，減重效果更優。

本研究將系統地闡述無擴口管路件的結構、原理和性能特點，并介紹無擴口管路件在國內外的使用現狀以及發展趨勢，為我國從事管路件研究的設計人員提供參考。

1 無擴口管路件分類

無擴口管路件發展至今，種類較為繁雜，其中有很大一部分應用范圍較小，本研究列舉了其中應用較多的六種，并對其實現連接、密封的方式以及應用的優缺點進行介紹。

1.1 卡套式無擴口連接

卡套式無擴口管路件由接頭、卡套和外套螺母組成。卡套式無擴口連接通過在預裝過程中錐套的擠壓造成卡套的彎曲，使卡套的刃口卡入導管材料中，同時，卡套的外表面拱起形成一個曲面，與管接頭的24°內錐面相配合形成弧-錐線密封，如圖1所示，該種無擴口連接方式一般用于飛機在外場的緊急維修。

圖1 卡套式無擴口管路件

但是，由于預裝過程中卡套對導管的環切，可能使導管外壁出現明顯的凹進現象，缺少防護限制要素，當外套螺母持續擰緊時，管套與導管就會持續變形，整個結構極易損壞。而且卡套式無擴口管路件形成密封的過程較為自由，最終的密封點在軸向的位置難以固定。基于以上缺點，目前卡套式無擴口管路件在飛機系統中已經被淘汰[1]。

1.2 滾壓式無擴口連接

滾壓式無擴口管路件由接頭、管套和外套螺母組成，如圖2所示，該種連接形式由卡套式無擴口連接形式發展而來。

圖2 滾壓式無擴口管路件

滾壓式無擴口管路件的預裝是通過芯棒旋轉帶動滾針滾壓導管內壁，如圖3所示，使導管塑性變形，嵌入管套的凹槽，形成一次密封。再通過外套螺母施加擰緊力，管套與接頭的24°弧面線接觸實現二次密封，該種預裝方式適合不銹鋼和鈦合金導管。對于鋁合金導管，常采用膠套擠壓的方式進行預裝，如圖4所示。該種預裝方式利用膠套壓縮產生的膨脹力，擠壓導管內壁，使導管產生塑性變形并嵌入管套的凹槽中。兩種預裝方式稍有差別，但實現密封的原理完全相同，因此滾壓式無擴口連接早期也被稱作擠壓式無擴口連接。

圖3 滾壓式連接原理

圖4 擠壓連接原理

滾壓式無擴口連接保留了卡套式連接形式密封性能好，連接強度大的優點，并且通過滾壓過程實現了導管與管套的密封連接，摒棄了卡套式預裝過程缺乏防護，密封位置不確定的缺點。目前滾壓式無擴口連接廣泛應用于國內外各種壓力級別的液壓系統中。

1.3 梁式密封連接

梁式密封接頭組件由管套(陰接頭)、接頭(陽接頭)和外套螺母組成。陰接頭的密封面由于去除材料而形成有彈性的梁式結構，所以在外套螺母擰緊時形成的預緊力壓迫彈性結構形成初始密封。通入高壓流體后，去除材料的部分在內壓的作用下變形，繼續壓迫陽接頭形成第二次密封，見圖5。這兩次密封都與去除材料后的梁式密封結構有關，尤其是第二次密封，工作壓力越大，梁式密封結構變形越大，組合導管密封性能越好。通過合理的設計梁式密封結構，可以承受35 MPa 甚至更高的工作壓力。

圖5 梁式密封

梁式密封采用彈性線密封和接近端面密封的連接形式(8.5°陽端頭)，密封性好，允許有一定的安裝角度偏差，即能夠承受比較大的制造誤差和裝配誤差，因此在對安裝工藝補償性要求較高，或熱變形較嚴重的部位使用，其補償性比傳統的74°擴口連接和24°無擴口更為優越。但相對的，對材料及梁式結構的加工精度要求更高。

1.4 釬焊接頭連接

釬焊接頭連接是一種無擴口永久式連接，這種接頭有1個兩端為錐形的管套，管套內有2個槽，槽內放入釬焊環，如圖6所示。通過加熱熔化，依靠毛細作用或者附加聲波振動[3]，釬料均勻的擴散并填充到管套與導管之間。由于是毛細作用，接頭管套與導管之間的徑向游隙一般要求在0.05～0.1 mm之間，間隙過小會加大制造裝配難度，間隙過大會使釬料分布不均勻[4]，因此釬焊接頭對導管和接頭的公差進行了嚴格的規定。

圖6 釬焊接頭

根據管接頭與導管連接形式的區別，釬焊連接接頭又可以分為圖7所示的三種形式。

釬焊接頭連接適用于空間位置狹窄，可達性差部位導管的安裝[5]，其缺點是施工和檢驗的工藝性差，并且影響系統的清潔度。

圖7 釬焊接頭連接的三種形式

1.5 外擠壓連接接頭

外擠壓連接接頭是一種永久式連接，是基于材料的彈塑性變形的基本原理實現互相連接與密封的技術，依據在導管外部施加載荷的方向不同，又分為徑向擠壓與軸向擠壓2種。徑向擠壓連接結構形式見圖8，壓接工具沿圓周對接頭施加徑向載荷，接頭與導管一起發生塑性變形，從而完成連接。由于接頭與導管為面-面接觸，因此需要管接頭內置非金屬密封件對導管表面進行缺陷補償，保證密封效果。

圖8 徑向擠壓連接

軸向擠壓連接結構見圖9，管接頭由2個擠壓環(管套)和內部接頭體(管箍)組成，管箍外表面設計有環型凸筋和一定錐度，管套的內表面有與之配合的內錐度。安裝時，專用工具對管套施加軸向力，使管套與管箍發生軸向相對運動，因配合錐度發生彈塑性變形實現連接和密封。

圖9 軸向擠壓連接接頭

相比于滾壓式無擴口連接，外擠壓的連接和密封不依賴于鎖緊螺母，可以極大的減輕管路件重量，減少管路鋪設空間，大量用于不需要拆卸的連接部位。同時外擠壓連接允許接頭安裝位置在導管上有少量的軸向位移，這個間隙的設計提高了安裝的靈活性。

1.6 記憶合金接頭

記憶合金接頭是利用某些材料升到一定溫度時能全部或者部分恢復到原來形狀的特性，從而實現連接和密封的接頭，結構如圖10所示。加工記憶合金管接頭時，在馬氏體條件下將預加工好的管套(內徑略小于管路外徑)用相應形狀的擴徑芯棒使之內徑稍稍大于管路的外徑，并一直儲存在液氮中。安裝時，從液氮中取出管套，套在安裝位置，當管套溫度逐漸升高時，管套收縮產生的回復力箍緊導管，同時管套的內脊嵌入導管，實現連接與密封，同時具有很好的連接強度。

圖10 記憶合金接頭

記憶合金接頭以其可靠性高，安裝方便等優點已經在國外飛機上取得了廣泛的應用，均未發生泄漏事故[6]。其缺點主要是儲存成本較高，這也一定程度限制了它的應用。

2 國內外研究現狀

國外對于無擴口管路連接技術的研究開始較早，早在20世紀70年代初，記憶合金接頭已經應用于F-14戰機。近幾十年來，美國、歐洲在軍用飛機F/A-18、F-22、F35、V-22、C-17、B-2、EF-2000及民用飛機波音7X7系列、空客3X0系列大量采用了記憶合金管接頭，無漏油事故發生。滾壓式無擴口管接頭最早應用于麥道公司F/A-18C/D系列，后又應用于B767、A320、V22、F/A18-E/F系列、F-22等機型。外擠壓管接頭主要應用機型有F/A18-E/F系列、V-22以及Learjet 45公務機。目前無擴口接頭的主要供應商為Airdrome、Eaton、Aerofit、Permaswage等標準件廠家。

國內方面，前期的主要研究工作還是停留在理論研究與技術儲備上。部分學者[1,3,7]對國內外無擴口管路件的發展及應用進行了對比與總結，提出了在無擴口管路件發展方面的一些合理化建議；更多的文獻資料[8-19]致力于無擴口管路件的連接機理與工藝過程，主要利用有限元軟件，揭示成形原理，為無擴口管路件設計奠定理論基礎；部分研究[19-23]從管路件使用性能方面入手，利用對比試驗，分析管路件連接強度、振動疲勞、彎曲疲勞等性能的破壞模式與影響因素。目前無擴口管路連接件的研究及應用在國內逐漸受到各大主機所以及各科研單位的重視，國家也投入了大量的經費在項目的論證和實施上，無擴口技術必然會在國內取得更廣泛的應用。

另外，在飛機液壓系統壓力等級使用方面，國外經歷了從21 MPa到35 MPa的逐步升高過程，后來為了改善高壓液壓系統帶來的動力浪費和電子產品工作環境惡劣等問題，F/A18-E/F系列率先采用了21 MPa/35 MPa變壓力系統，國內方面，在用機型主要壓力型分別為21，28 MPa級的液壓系統尚不成熟。

總體上來看，國內無擴口管路件研究與應用尚處于起步階段，雖然21 MPa滾壓式無擴口管路件已在ARJ21、C919等民機及部分軍機上應用，但核心部件管套仍依賴進口，自主生產能力不足，我國在無擴口管路件研究進程上與國外還有較大的差距。

3 無擴口管路件試驗驗證技術

3.1 SAE標準對鑒定試驗的要求

管路系統是飛機的生命線，航空液壓管接頭性能的優劣也直接影響了飛機液壓系統及飛機服役的可靠性與安全性。因此，相比于緊固件，管路件在飛機上的應用需要進行更為嚴格的考核驗證。HB 5966中對24°無擴口導管連接件的鑒定試驗做出了規定，除了尺寸公差等非破壞性的檢查試驗，另有耐壓、氣壓泄漏、脈沖、爆破壓力、彎曲疲勞、重復裝配、連接強度共7項性能試驗，管接頭的形式只包括直通和三通接頭。但從已經應用的21 MPa無擴口管路件來看，即使管路件已經通過上述所有鑒定試驗驗證，外場仍然普遍存在“跑、冒、滴、漏”的問題。因此相比于HB 5966，GJB 8526中新增了系統壓力試驗(取消了重復裝配試驗，因為GJB 8526主要應用于永久連接管路件)，主要針對飛機高壓狀態下工作狀態良好，而低壓下容易漏油的外場故障，對其高/低壓轉換時的密封性進行驗證。表1中列出了SAE標準中無擴口管接頭適用的通用規范，規范中均對鑒定試驗進行了相關規定。

對比SAE標準，HB 5966和GJB 8526對于鑒定試驗的規定與AS 18280較為相似，見表2，管接頭的形式也只有直通與三通。

表1 SAE標準無擴口管路件通用規范[3]

表2 AS 18280鑒定試驗項目[24]

注：a定應力彎曲(6件)與S/N彎曲疲勞[25](8件)，2種方式互為替代

表3 AS 4459鑒定試驗項目[26]

AS 4459中鑒定試驗項目共8項，見表3，試驗采用串聯的方式，每一組管路連接件需要連續完成多個試驗項目，不但減少了需要的管接頭總數量，還可以對管路件進行加嚴考核。

同樣作為梁式密封接頭的技術規范，AS 85421和AS 85720對于鑒定試驗的要求較為相似，見表4、表5。上文已經提到，梁式密封更適合熱變形較為嚴重的部位使用，因此相比于滾壓式管路連接件的技術條件，梁式密封的鑒定試驗中增加了熱沖擊、防火和高溫爆破試驗等高溫性能試驗，并且將重復裝配試驗次數從8次提高到了25次。

AS 5958是SAE標準中規定鑒定試驗項目最多的技術規范，多達21項[27]，包括產品檢查、燃油老化、液體浸沒、鹽霧腐蝕、耐壓、氣密、脈沖、爆破、彎曲疲勞、重復裝配(8次)、連接強度、熱沖擊、過擰緊試驗(1.5～2倍最大擰緊力矩擰緊)、電導率、振動、系統壓力、接頭扭轉(不超過2°)、接頭/導管扭轉、應力腐蝕、雷擊、防火，試驗也采用串聯的方式進行，共需要各類管接頭43個。可見AS 5958在設計鑒定試驗內容時不僅考慮了常規的性能檢驗，更兼顧了管路件在實際工作中遭受的振動、腐蝕，以及安裝過程中的裝配誤差和裝配應力等。

表4 AS 85421鑒定試驗項目[28]

表5 AS 85720鑒定試驗項目[29]

3.2 分析討論

以滾壓式無擴口管路連接件為例，目前其研制應用情況處在一個很尷尬的境地： 鑒定試驗基本沒有問題，外場小問題頻發，“跑、冒、滴、漏”現象無法杜絕。究其原因，是對無擴口連接技術的理論和實踐積累不夠，技術規范主要轉化自國外標準，缺乏對指標系統的研究與深入的理解，加之材料性能參差不齊，導致無擴口管路件大量應用時，總會暴露出各種問題。

HB 5966最近一次修訂是在2008年，在科技發展日新月異的今天，十幾年前的標準顯然已經不再適用，新的無擴口管路連接件通用規范的編制和施行已經是迫在眉睫，根據以上整理的資料對新的鑒定試驗內容提出幾條建議：

(1) 鑒定試驗多采用串聯試驗代替并行試驗。參照表3的形式，既能夠實現管路件的加嚴考核，同時也節省了試驗所用的管接頭數量;

(2) 增加管路連接件實際工作狀態下的性能試驗。如預置安裝應力或者振動條件下管路件的密封性能，以此加嚴對設計和工藝缺陷的檢測和考核;

(3) 深入研究管路連接件失效機理，合理設計試驗細節。以擰緊力矩為例，目前HB 5966中對氣壓泄漏、脈沖等試驗安裝力矩的要求均為最小力矩擰緊，但是最大力矩擰緊的情況下，若外套螺母擰緊過程出現裂紋，則可能是更危險的情況，只以最小力矩進行試驗則不是很恰當;

(4) 盡快制定行業級以上的標準。目前國內無擴口管路件的研制情況是各大主機所各行其是，沒有制定行業內公認的標準，管路件生產廠家往往無法兼顧各家需求，造成研制進度緩慢。

4 結論

航空管路件是影響飛機飛行安全的重要部件，隨著飛機可靠性、減重等要求逐漸提高，傳統的擴口式連接管路件已經不能滿足使用要求，無擴口管路件將逐漸成為主流。本研究系統地介紹了卡套式、滾壓式、梁氏密封、釬焊接頭、外擠壓連接、記憶合金共6種常用無擴口管路件的結構、連接原理以及優缺點，并對其在國內外的發展情況進行了闡述，指出國內無擴口管路件的發展與國外先進水平還存在較大的差距。通過對SAE標準中無擴口管路件鑒定試驗相關要求的對比分析，結合國內目前研制現狀，為制定國內無擴口管路件技術規范提出了合理化的建議，給航空液壓系統管路件設計者提供參考。