某航空液壓管道振動異常故障研究

劉玉柱 劉學文 許絕舞 楊靜思

摘要：航空液壓管道斷裂問題偶有發生，管路系統振動是造成管路疲勞裂紋的重要影響因素。本文采用有限元分析與振動應力測試相結合的方法，通過分析導管的固有頻率和振動應力值，確定導管振動異常與外界激勵影響有關，并提出了解決方案，為導管故障的改進提供了一種解決思路。

關鍵詞：液壓管路；振動；疲勞；應力測試

Keywords：hydraulic pipeline；vibration；fatigue；stress test

0 引言

液壓系統是飛機重要的組成部分，通過操縱各舵面的運動實現飛機姿態控制。液壓系統中使用的導管直接用于傳遞飛機操作動力，其工作可靠性直接影響著飛機整機的工作可靠性。

某型飛機液壓導管（919號）喇叭口根部出現裂紋漏油故障，導管裂紋斷口具有明顯的疲勞斷裂特征（見圖1），宏觀可見疲勞弧線及放射棱線特征，微觀可見細密的疲勞條帶特征，失效原因為導管襯套根部振動疲勞斷裂。這起故障嚴重影響了該型飛機外場的安全使用。

1 振動應力測試

管路系統振動是造成管路疲勞裂紋的重要影響因素，利用振動應力測試技術對液壓管路的振動進行測試分析，可以有效監測飛機液壓管路振動應力值是否異常，查找液壓管路振動異常點，提升液壓管路工作的可靠性。

導管應力測試采用應變電測法，通過貼在導管被測點處的電阻應變片，將被測點的應變值轉換為應變片的電阻變化，再利用電阻應變儀測出應變片的電阻變量并直接轉換輸出應變值，然后依據虎克定律計算出構件被測點的應力值。

其中，ε為應變儀輸出峰峰值的半幅值，E為彈性模量。當導管材料為1Cr18Ni10Ti時，E=2.1× 105MPa。

目前修理機型中，1Cr18Ni10Ti材料制造的液壓導管的應力判斷標準為總應

力值σ總≤40MPa。

選取20架飛機，對該型導管持續開展振動應力測試工作，結果半數以上不符合標準，最大應力值均出現在左發工作狀態下導管的裂紋一端，測試結果如表1所示。

2 故障原因分析

2.1 系統原理

該型飛機的956號導管為液壓Ⅰ系統增壓導管，規格為Ф16mm×1.5mm；911號導管為液壓Ⅱ系統回油導管，規格為Ф8mm×0.8mm；919號導管為液壓Ⅱ系統增壓導管，規格為Ф6mm×0.6mm。這三根導管及相關固定件組成919管系，如圖2、圖3所示。

造成管路振動異常的原因主要有裝配異常、結構振動沖擊、液壓脈動沖擊導致耦合共振、外界激勵等。

956號導管為飛機液壓柱塞泵高壓出口所連接的第一根導管，管體承受高達28MPa的壓力，液壓泵柱塞的往復運動產生流量脈動，引起壓力脈動沖擊，沖擊沿管路傳播，使管路產生高振動，致使固定該導管的結構裂紋問題頻繁出現。

956號、911號、919號三根導管之間通過剛性固定進行相互約束，由振動應力測試的結果分析，初步推測919號導管振動應力值超標是由于956號導管劇烈振動所傳遞導致。

2.2 導管裝配的影響

對外場飛行的11架飛機的919號導管進行安裝檢查，該導管在裂紋端（下端）襯套根部均存在不同程度的磨損（見圖4），檢查導管的安裝應力、根部直線段等均未見異常。因此，裝配并非導致919號導管管體磨損及振動應力值超標的主要原因。

2.3 結構振動沖擊的影響

發動機試車過程中結構振動的影響因素較多，如發動機及外置機匣本身工作的振動、液壓泵源連接導管傳遞至支撐結構的振動、飛機活動部件的運動、管路附件工作時的脈動沖擊、進氣道附近氣流的擾動等。

圖5、圖6所示為飛機進氣道部位一根導管與919號導管的振動波形對比圖，發現前者是頻率寬泛且雜亂無章的波形，后者是頻率單一且比較規則的正弦波形，說明919號導管的振動異常與結構振動沖擊無關。

2.4 液壓系統脈動的影響

1）振動試驗方面

919號導管為第Ⅱ液壓系統導管，由右發動機艙Ⅱ系統液壓柱塞泵供壓，在右側發動機地面開車測試過程中，該導管的振動應力值普遍較小（見圖7），說明Ⅱ系統的液壓脈動不是該導管應力值超標的主要原因。

2）模態分析方面

該型飛機液壓泵在發動機開車最大狀態的轉數為4200r/s，此液壓泵為柱塞泵，柱塞數為9，由此可計算出液壓系統的脈動頻率。其中，最大頻率為100%N？g/60=4200×9/60=630Hz；最小頻率（70%輸出時）為70%N？g= 0.7×630=441Hz。從慢車到加力的頻率范圍為441～630Hz（見表2）。

利用柔性關節測量臂對919號導管的形狀進行測繪，得出導管中性軸線關鍵點的坐標數據，如圖8所示。在CATIA軟件中生成三維模型，并轉換為STP格式后導入ANSYS Workbench中，設置材料屬性、確定載荷邊界條件、劃分網格后進行仿真分析計算，得出919號導管前六階固有頻率及振動模態圖，如表3和圖9所示。

3）小結

919號導管的固有頻率全部超出了液壓泵的最大輸出激振頻率，因此不會與液壓泵的輸出頻率耦合而導致共振現象。導管的振動應力值超標并非由飛機第Ⅱ液壓系統的脈動沖擊引起，但依然與液壓系統脈動沖擊有關，可能受到了外界激勵，且該外界激勵與第Ⅰ液壓系統的脈動沖擊存在關聯關系。

3 故障解決方案

3.1 改變管系狀態

通過分析振動傳遞路徑，結合919號與911號導管的振動規律均與956號導管存在關聯，決定將956號與911號導管之間的剛性固定管夾更換為柔性固定卡箍，以達到削減振動傳遞的影響。

3.2 振動應力測試

選取內外場的20架飛機，在956號和911號導管上相互固定位置的兩側以及919號導管的兩端粘貼應力片，分浮動管夾和浮動卡箍兩種實物狀態，開展振動應力測試對比工作。圖10為其中一架飛機在左側發動機地面試車時測得的3根導管振動應力值的增幅，其反映的是不同頻率的外界激勵的影響結果。可以發現在浮動管夾狀態時，第Ⅱ液壓系統的919號和911號導管的振動受到了第Ⅰ液壓系統956號導管的嚴重影響。將浮動管夾更換為浮動卡箍后，919號和911號導管受956號導管的振動影響大幅下降。

統計此20架飛機919號導管改進前后振動應力值并進行對比，結果如表4和圖11所示，改進前振動應力值最大為81.8MPa，最小為18.8MPa，平均值為44.7MPa；改進后振動應力值最大為39.1MPa，最小為13.1MPa，平均應力值為25.7MPa。應力值下降幅度最大為68.9%，最小為3.7%，平均下降幅度達到了38.6%，說明改進后919號導管的振動異常情況得到顯著改善。

4 結論

造成航空液壓管道振動異常的原因很多，本文采用有限元分析與振動應力測試相結合的方法，通過分析導管的固有頻率和振動應力值，得出導管振動異常并非裝配異常、耦合共振或結構振動沖擊所致。通過改進管系的安裝狀態，驗證了該導管振動異常是受外界激勵影響的結果，解決了該導管振動異常故障問題，為導管故障的改進提供了一種解決思路。

參考文獻

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