某型掛彈鉤滾輪裂紋原因分析及預防

鐘創新 楊玉民 陳紅敏 張瑞敏

摘要：某型飛機掛彈鉤是彈射多型炸彈和其他外掛物的投放設備，在使用維護中內部滾輪曾出現裂紋故障。本文對故障進行了原理分析，找出故障原因，并制定了預防措施，提升了交付用戶裝備的使用完好性。

關鍵詞：掛彈鉤滾輪；裂紋；故障分析；預防措施

Keywords：hook roller；crack；fault analysis；prevention measure

1 故障現象

某型飛機掛架大檢查時，發現一掛架掛彈鉤釋放搖臂上的滾輪存在穿透性裂紋，如圖1所示。

2 掛彈鉤原理

掛架在懸掛外掛物前，掛鉤處于開鎖狀態，如圖2所示。懸掛外掛物時，前后吊耳同時進入殼體槽口內，外掛物上升使吊耳推動掛鉤的鼻狀端，前后掛鉤分別以順時針、逆時針轉動，帶動前后拉桿，使轉接搖臂逆時針轉動。同時，釋放搖臂在復位彈簧作用下向順時針方向轉動，當釋放搖臂上的滾輪與轉接搖臂的搭接部位搭接時，掛彈鉤鎖閉，如圖3所示。點燃拋放彈后，高壓燃氣推動活塞向下運動，活塞頂釋放搖臂順時針方向轉動，滾輪克服轉接搖臂弧形尖部阻力，在外掛物重力和掛彈鉤彈射力作用下，前后掛鉤打開，投下外掛物。

掛彈鉤處于開鎖狀態時，滾輪與轉接搖臂接觸圓弧面接觸。掛彈鉤鎖閉時，轉接搖臂逆時針轉動，滾輪沿轉接搖臂接觸圓弧面滾動。掛彈鉤鎖閉后，滾輪越過轉接搖臂弧形尖部，進入轉接搖臂的鎖閉凹槽內，滾輪的作用是支撐和增加上（開）鎖的靈活性。

3 原因分析與故障定位

3.1 原因分析

1）機理分析

對滾輪裂紋進行分析，導致滾輪裂紋的原因有三種：制造缺陷、外力突變產生或疲勞裂紋。

檢查滾輪制造的符合性。據圖樣，滾輪材料為3Cr13，抗拉強度σb=1375±100MPa。測量滾輪外形尺寸符合制造圖樣要求。檢查滾輪在釋放搖臂的滾輪軸上能夠自由轉動和移動，無卡滯現象，符合滾輪裝配要求。從問題滾輪表面可看出，除穿透性裂紋外還存在多處微小裂紋和壓痕。因此，不排除制造缺陷的可能性。

滾輪受力分析。滾輪與滾輪軸為間隙配合，滾輪固定在釋放搖臂滾輪軸上自由轉動和移動，滾輪在掛彈鉤鎖閉過程中沿轉接搖臂弧形凸部的接觸圓弧面滾動，受外力作用較小，如圖4、圖5所示。當掛彈鉤懸掛的外掛物上升，掛鉤帶動拉桿，拉桿帶動轉接搖臂轉動，釋放搖臂上滾輪沿轉接搖臂的搭接部位旋轉移動，即使滾輪在旋轉過程中卡滯，由于外掛物受力方向的轉接搖臂與滾輪之間為旋轉受力，也不會產生較大外力。本次裂紋屬修理后出廠零小時故障，沒有懸掛過外掛物，因此可排除滾輪受較大外力作用瞬間斷裂可能。

對釋放搖臂滾輪軸安裝部位進行檢查。發現部分釋放搖臂滾輪軸安裝孔有光亮壓痕，原因是二者間存在擠壓、研磨，滾輪軸安裝孔尺寸因磨損而超差。掛載外掛物時滾輪軸在安裝孔內不同心，滾輪與轉接搖臂擠壓，造成滾輪內壁與滾輪軸外圓逐漸由面受力轉變為點受力，滾輪內壁邊沿產生微小裂紋，滾輪進入轉接搖臂弧形凹部時，掛彈鉤鎖閉。在外掛物重力作用下，滾輪與轉接搖臂弧形凹部剛性擠壓，使滾輪受力而出現微小裂紋，同時在懸掛外掛物飛行過程中轉接搖臂因飛行振動產生微小位移轉動，造成受擠壓的滾輪在轉接搖臂的鎖閉凹槽內轉動，碾壓滾輪軸，逐漸使裂紋擴展，最終導致滾輪疲勞斷裂。

2）失效分析

對滾輪進行宏觀檢查，如圖6所示，可以看出滾輪的表面斷口平齊，斷口周圍無明顯機械損傷，但滾輪外表面存在兩處徑向裂紋，同時有多處擠壓痕跡。

將滾輪端面拋光浸蝕，在立體式顯微鏡及金相顯微鏡下觀察裂紋，如圖7所示，滾輪端面上除已知的a、c裂紋外，還存在內部裂紋b及已擴展至表面的裂紋d。4條裂紋特征相似，裂紋表面曲折，部分位置存在斷裂的小顆粒。對c裂紋放大后觀察，發現裂紋斷面呈沿晶特征。滾輪的基體組織為回火馬氏體。

對滾輪斷口的微觀形貌進行檢查，如圖8所示。斷口可分為兩個區域：沿晶斷裂區及準解理斷裂區。其中，沿晶斷裂區占整個斷口面積約60%～70%，其余為準解理斷裂區。宏觀觀察沿晶斷裂區的左下角顏色較深，如圖9所示。在掃描電鏡下呈沿晶特征。整個斷面較為平坦，無明顯源區及機械損傷痕跡。斷面體式形貌和掃描形貌一致，可見明顯沿晶區和準解理區分界線，準解理斷裂區上存在始于沿晶/準解理交界處的擴展棱線。

綜上檢查結論，失效分析表明：滾輪斷口的斷裂順序是先產生沿晶裂紋，而后以沿晶裂紋的前沿逐漸擴展形成準解理斷口，最終斷裂。結合已經存在的多條沿晶裂紋，可以推測沿晶裂紋應為制造過程中產生，準解理裂紋為使用過程中產生。

3.2 模擬驗證

模擬掛彈鉤滾輪失效（摘除釋放搖臂內滾輪），將無滾輪的掛彈鉤固定在掛彈鉤綜合投放試驗臺上，進行投放試驗。試驗表明，在沒有滾輪的情況下，掛彈鉤仍能鎖閉外掛物；用開鎖扳手手動釋放，掛彈鉤照常開鎖。

3.3 問題定位

滾輪斷裂原因為滾輪制造生產的特殊處理過程中回火或淬火溫度控制不當，使鉻的碳化物在晶界析出，降低了晶界強度，首先產生沿晶裂紋，以沿晶裂紋的前沿逐漸擴展形成準解理斷口，使用過程中在懸掛外力及飛行振動等作用下，最終導致滾輪出現斷裂性裂紋。

4 預防措施

1）將故障信息及失效分析情況反饋給掛彈鉤制造單位，制造單位依據情況查清該批滾輪裂紋屬制造過程中熱處理回火溫度控制不當導致。該批次滾輪共涉及90項掛彈鉤。

2）修訂產品修理工藝規程，將滾輪納入固定探傷項目，嚴格修理工序質量管控，提升產品修理質量。

3）對涉及的該批次共90項掛彈鉤滾輪進行探傷普查，發現裂紋立即換新，保證交付用戶產品的可靠性。

參考文獻

[1] 某型彈射持彈鉤說明書[Z].中航工業鄭州航空機載設備制造總廠，1990.

作者簡介

鐘創新，高級工程師，主要從事航空軍械、火控系統修理技術研究工作。