某機構作動筒接管嘴斷裂分析與改進研究

任義志， 沈榮康， 崔玉林

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241007）

0 引言

飛機座艙蓋位于機身前端，其主要用于飛行過程中避免飛行員受氣流影響，為提供飛行員視野，便于飛行員和其他人員進出機艙，同時保障在空中和地面應急情況下飛行員逃生。座艙蓋開啟系統是飛機救生系統中的重要環節，其開啟功能主要由作動筒、減壓器和開啟機構等部件聯合實現的[1-3]。座艙蓋開啟和關閉過程中，由活塞桿實現收放，在此期間存在角度擺動，為避免對其上安裝的接管嘴（A型和B型）產生扭轉剪切力，將導管設計成彈簧管便于應力緩沖，在一定程度上避免接管嘴斷裂風險，如圖1所示。

圖1 座艙蓋操縱作動筒機上安裝狀態圖

當飛機座艙蓋在地面處于開啟狀態時，因作動筒接管嘴斷裂會引起突發性失壓，導致座艙蓋壓力不足而緊急下落，造成巨大的安全隱患和嚴重影響[4]，斷裂接頭為A型，斷裂位置如圖2所示。本文針對該起新型故障，結合失效分析、有限元仿真、實驗驗證等方式對其故障機理進行研究，并制定專項改進措施，確保飛機使用安全和提升后續修理產品的可靠性。

圖2 作動筒直通接頭斷裂位置

1 作動筒接管嘴斷裂的失效分析

對直通接頭進行宏觀觀察，如圖3所示，可見斷口位置位于艙門作動筒直通位置，螺紋處仍有一半斷在艙蓋作動筒內。從圖中看出，斷面較為平整，未見異常機械損傷痕跡，表面呈金屬光澤。同時可以看出，斷面與螺牙上升（或下降）方向吻合。

圖3 直通接頭宏觀形貌

將斷面置于體式顯微鏡下進行觀察，如圖4所示。從圖中可以看出斷面平坦，無機械損傷痕跡，無腐蝕痕跡。斷面大部分區域呈亮銀色，內側位置顏色較深。斷面位置可見與徑向呈一定角度的棱線痕跡。

圖4 斷口體式形貌

用丙酮清洗斷口后置于掃描電子顯微鏡進行分析，其斷面微觀形貌如圖5所示。從圖中可以看出斷面位置內側1/2處呈現剪切韌窩特征，韌窩數量較小，變形拉伸量大。臺階位置形貌如圖6所示，光亮位置放大后可見明顯的韌窩剪切形貌。

圖5 斷面微觀形貌

圖6 臺階區域微觀形貌

根據接管嘴的斷裂宏觀和微觀形貌可以發現，斷面平整，表面呈金屬光澤，無機械損傷痕跡，無腐蝕痕跡。通過斷面微觀觀察可見韌窩痕跡。結合鋁合金材料韌性較好的特性及微觀觀察到拉伸量較大的剪切韌窩特征，初步判斷接管嘴斷裂原因為過載剪切。

2 接管嘴斷裂故障機理分析

2.1 產品原理分析

座艙蓋操縱作動筒地面打開方式有兩種：1）通過減壓器組件供氣壓，壓力為2 MPa左右；2）通過開啟機構手動施加液壓壓力，通過液壓接管嘴供壓實現座艙蓋的打開。

方式1）中2 MPa氣壓屬于正常工作壓力，通過氣壓接管嘴供壓，液壓腔部位幾乎無工作壓力（如圖7），液壓接管嘴不存在斷裂的可能。

圖7 座艙蓋打開方式

方式2）為通過手動施加壓力，工作液從液壓供壓接管嘴進入座艙蓋操縱作動筒液壓腔，隨著活塞桿伸出過程中液壓腔壓力逐漸增加，直至活塞桿完全伸出。

因活塞桿放出過程中液壓腔壓力逐漸增大，為分析是否存在壓力逐漸增大導致接管嘴損壞的可能性，單獨對接管嘴模擬增壓分析。當壓力達到20 MPa時接管嘴未出現異常，而座艙蓋操縱作動筒活塞桿完全伸出壓力值為3 MPa左右，說明通過正常的液壓操作不可能將該接管嘴損壞。

2.2 探傷檢查

根據外場斷裂情況，為分析是否為產品裝配后存在裂紋，從現場抽取接管嘴進行探傷。從現場隨機選取20件產品，拆除接管嘴后對單個接管嘴直接進行熒光探傷，探傷結果均為無裂紋。同時為摸清接管嘴裝配后內部情況，與天津三英精密儀器股份有限公司合作，通過其公司的X射線三維顯微鏡360°全方位掃描（如表1和圖8）判定裝機后的質量情況。通過對多件產品的接管嘴從多角度進行探傷，結果顯示均無裂紋，說明接頭裂紋非裝配導致。

表1 X射線三維顯微鏡測試條件

圖8 X射線三維360°全方位掃描圖

2.3 試驗研究

鑒于A 型接管嘴的受載主要為轉矩，現場選取兩舊件接管嘴安裝至蓋子上，通過力矩扳手擰斷接管嘴，其中一件力矩值大約為35 N·m（如圖9），與仿真模擬結果一致。

圖9 舊件接管嘴扭斷現場操作圖

同樣選取兩件新品A型接管嘴安裝至蓋子上，現場通過力矩扳手擰斷接管嘴，其中一件力矩值大約為40 N·m（如圖10）。

圖10 新件A型接管嘴試驗

從表2中可以知道，新品與舊品的失效力值相差不大。

表2 A型接管嘴斷裂失效試驗結果

2.4 有限元仿真

以上分析說明正常裝配和使用不會產生裂紋，再結合斷口情況，初步判斷破壞為剪切扭轉破壞。為判定該接管嘴剪斷力值大小，采用有限元仿真軟件建立三維模型，并在模型上施加轉矩進行仿真分析。該接管嘴為錐形螺紋，斷裂處內徑為φ5.5 mm，螺紋根部外徑為φ8.8 mm，建立簡化仿真模型，因為螺紋牙型為尖角結構，在進行有限元仿真時，尖角結構網格劃分較為困難，故使用簡化模型進行計算。

接管嘴材料為LY12-CZ，該材料抗拉強度為440 MPa，剪切強度為大于265 MPa。將有限元模型接管嘴下半部分模擬零件裝配狀況進行約束，在模型中部施加轉矩，分析結果如圖11所示，根據分析結果可知，應力集中主要發生在接管嘴與蓋子裝配根部及接管嘴的根部。當轉矩為25 N·m時，接管嘴外表面已達到546 MPa，內表面為199 MPa，未達到剪切強度，但接管嘴與蓋子裝配根部已達到剪斷臨界值，如圖12（a）所示。當轉矩為35 N·m時，仿真結果如圖12（b）所示，根據分析結果可知，接管嘴外表面已達到765 MPa，內表面為279 MPa，已超過剪切強度，理論分析接管嘴完全斷裂。

圖11 擰入式直通接頭應力分布

圖12 接管嘴應力分布

3 改進分析與驗證

由于本次發生斷裂的為A型直通接頭，觀察多件相同型號的座艙蓋操縱作動筒發現，相同位置的直通接頭均是鋁制。

觀察座艙蓋操縱作動筒本身結構和機上安裝狀態，可以發現，發生斷裂的接頭處于座艙內壁與座艙壁板平行的位置，機上正常維護和修理工作很容易發生鉤掛現象，存在很大的安全隱患。

針對該起故障，在保證接管嘴結構不變的情況下，將鋁制接管嘴更換為鋼制接管嘴，重新裝配后對其進行試驗驗證分析，結果如圖13所示，從圖中可以看出力矩達到53 N·m時接管嘴依然沒有斷裂，不僅滿足正常工作的要求，同時能夠減小人為差錯導致的機件損傷。

圖13 鋼制接管嘴扭切試驗

4 結語

本文從某機構作動筒接管嘴斷裂故障問題出發，分析其故障原因，制定相應改進措施并加以驗證。

首先從斷口表面形貌發現的拉伸量較大的剪切韌窩特征初步判定斷裂原因為剪切過載；然后分析產品原理及探傷檢查排除了產品接管嘴正常裝配及使用發生斷裂的可能，再結合實驗分析和有限元仿真相結合的方式驗證了該起事故故障原因為剪切過載；最后針對該故障，將其接管嘴材料由LY12-CZ改變為1Cr18Ni9Ti，分析驗證滿足使用要求，并提高了結構強度。針對該接管嘴產品的維護確定了材料為LY12-CZ一致更換的普查方案，滿足其使用壽命和安全要求。