減擺器軸斷裂失效分析

減擺器軸斷裂失效分析

飛機(jī)減向器是防止車輪傾斜和扭轉(zhuǎn)載荷的重要部件。如果發(fā)生故障，將直接影響戰(zhàn)斗和訓(xùn)練任務(wù)的完成，并危及飛機(jī)安全。某型飛機(jī)的減擺器自使用以來,擺軸斷裂故障現(xiàn)象一直存在,并一直是影響訓(xùn)練任務(wù)完成的主要因素之一。從近幾年使用單位的調(diào)研和資料統(tǒng)計(jì)來看,該構(gòu)件使用時(shí)間都未超過200個(gè)飛行小時(shí),有的僅使用7~8個(gè)飛行小時(shí)就斷裂了,且擺軸斷裂故障仍呈上升趨勢(shì)。目前對(duì)此類問題的研究多數(shù)是從統(tǒng)計(jì)、斷口分析等方面進(jìn)行的定性分析,尚未有應(yīng)用疲勞斷裂理論進(jìn)行的定量分析。為保證使用單位的訓(xùn)練和飛行安全,有必要對(duì)某型教練機(jī)的減擺器軸進(jìn)行斷裂強(qiáng)度分析,以便找出該構(gòu)件斷裂故障的根本原因。并在此基礎(chǔ)上提出使用維護(hù)預(yù)防措施和防止該構(gòu)件斷裂的改進(jìn)研究設(shè)計(jì)建議。1減向器軸的斷裂強(qiáng)度分析1.1助推減擺器成為剛體的考慮飛機(jī)在地面滑行、轉(zhuǎn)彎、靜態(tài)操縱和前輪擺振時(shí)都要受到側(cè)向載荷的作用。該側(cè)向載荷對(duì)支柱軸線產(chǎn)生一個(gè)前輪偏轉(zhuǎn)力矩,此力矩將使飛機(jī)前輪繞支柱軸線加速偏轉(zhuǎn),其偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為:但由于減擺器活塞面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)流孔面積,在減擺器活塞有加速運(yùn)動(dòng)時(shí),油液流經(jīng)節(jié)流孔的加速度會(huì)更大,V油迅速增大,減擺器產(chǎn)生的阻尼力矩也迅速增大,直到活塞勻速運(yùn)動(dòng),V油保持不變(當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)范圍不大時(shí),常以減擺器軸旋轉(zhuǎn)角速度ω表示活塞運(yùn)動(dòng)速度,M阻=hω),則有:試驗(yàn)和分析計(jì)算結(jié)果表明,活塞式減擺器的特性系數(shù)h是一個(gè)變量,M阻與ω為非線性關(guān)系。當(dāng)飛機(jī)在滑跑過程中機(jī)輪擺振時(shí),ω增大,由減擺器特性可知,在ω不明顯增加時(shí),h值也會(huì)增加很大,使減擺器產(chǎn)生很大的M扭,從而使減擺器的性能變得很硬,接近于剛體。因此,在減擺器及固定裝置的受力分析時(shí),可將減擺器作為一個(gè)剛體來考慮。某型飛機(jī)減擺器與旋轉(zhuǎn)套和支柱的連接如圖1所示,當(dāng)旋轉(zhuǎn)套受到外扭矩M扭作用時(shí),它由旋轉(zhuǎn)套與支柱摩擦力矩M摩和連桿反力R對(duì)支柱軸線的力矩R·a來平衡(見圖1(a)),即此時(shí)旋轉(zhuǎn)套要處于平衡狀態(tài),還必然受到支柱反力R的作用。它與連桿反力大小相等,方向相反。若略去機(jī)械摩擦力,則作用于減擺器軸的力矩平衡方程為R·b=ΔP·c(見圖1(b)),將其代入式(3),得式中:b/a為減擺器的力矩傳動(dòng)比,在其他條件不變,b/a增大,ΔP增大,減擺器的擺振能量消耗越有效。ΔP為油液作用于減擺器活塞并通過其傳給減擺器軸的力,根據(jù)力的平衡原理,在該軸的軸線處還作用有與R,ΔP大小相等、方向相反的作用力(見圖1(b)),這些力將使減擺器殼體繞支柱軸線扭轉(zhuǎn)(見圖1(c)、(d)),此時(shí)支柱的力矩平衡方程為:將式(3)、(4)、(5)聯(lián)立得由以上分析知,側(cè)向載荷所引起的外扭矩,是由機(jī)械摩擦和減擺器油液的阻尼作用共同傳給支柱的,由此決定了減擺器的承力特點(diǎn),即M扭越大或M摩越小,減擺器產(chǎn)生的阻尼力矩就會(huì)越大,減擺器軸及其裝置的受力也就越大,這正是長(zhǎng)期造成嚴(yán)重的減擺器軸斷裂故障的主要因素。1.2減擺器軸載荷減擺器軸的材料為30CrMnSiNi2A,σb=1500MPa,減擺器軸表面鍍鉻,危險(xiǎn)部位附近表面光潔度為▽7,β=0.8。減擺器軸的形狀及幾何尺寸如圖2所示,其危險(xiǎn)部位處的應(yīng)力集中系數(shù)可近似取階梯軸圓角處的應(yīng)力集中系數(shù),由圖2知,D/d=1.38,r/d=0.3,查得Kσ=1.29,Kτ=1.20;εσ=0.83,ετ=0.89。從該飛機(jī)在地面滑行、轉(zhuǎn)彎、前輪擺振等受載情況和減擺器裝置的傳力知,減擺器軸所受的外載為對(duì)稱載荷,故其危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力循環(huán)為彎扭組合作用下的對(duì)稱循環(huán)。由文獻(xiàn)知,σ-1=620MPa,τ-1=0.7σ-1=434MPa。飛機(jī)重心距前主輪距離分別為b=1923mm,a=361mm。該機(jī)起落架可能出現(xiàn)的側(cè)向過載nz范圍為0.3~1,本文取可能出現(xiàn)最大側(cè)向載荷nz=0.8,飛行質(zhì)量G=1400kg。計(jì)算得前起落架所受側(cè)向載荷為Pz前=nzP0前=0.8aG/(a+b)=0.8×221.28=177.02kg=1734.8N。在不考慮其他阻轉(zhuǎn)力矩時(shí),經(jīng)計(jì)算,減擺器軸所受扭矩和彎矩則分別為M扭=250.3Nm,M彎=ΔP·h=M扭·h/L=139Nm;其危險(xiǎn)截面剖面特性為WW=401mm3,Wn=802mm3;所承受的內(nèi)力為σmax=347MPa,τmax=312MPa。彎扭組合作用下的對(duì)稱循環(huán)工作安全系數(shù)選用以下公式計(jì)算:將以上數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式得:nστ=0.61。規(guī)定的安全系數(shù)n取1.4,可見,nστ<<…n,所以該機(jī)減擺器軸危險(xiǎn)部位處疲勞強(qiáng)度不夠。從該構(gòu)件實(shí)際斷口形貌看,斷口多呈貝殼狀或海灘波紋狀,脆斷區(qū)比較粗糙而不規(guī)則,其總體特點(diǎn)是有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū),屬典型的疲勞裂紋斷口宏觀形貌。因此,本文分析計(jì)算的結(jié)論與該構(gòu)件的斷口分析結(jié)論是相符的。2減少噴射軸誤差失敗的原因分析減擺器軸斷裂的根本原因是疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重不足所致,屬于疲勞斷裂,這是它的內(nèi)部原因。但就其斷裂失效的外部原因也是不容忽視的,主要表現(xiàn)為:2.1間隙超差的影響該機(jī)前起落架各構(gòu)件的活動(dòng)關(guān)節(jié)都有一定的間隙(如旋轉(zhuǎn)套徑向間隙為0.25mm、軸向間隙為0.3mm;連桿與旋轉(zhuǎn)套連接間隙為0.03mm等)。在使用中,這些間隙由于磨損等原因?qū)?huì)出現(xiàn)超差現(xiàn)象。當(dāng)超差出現(xiàn)后,前輪左右自由偏轉(zhuǎn)的行程與偏轉(zhuǎn)的自由度增大,各連接件間由于機(jī)械摩擦而消耗的能量減少,前輪擺動(dòng)加劇,致使擺錘上的側(cè)力P和擺軸承受的交變載荷增大。同時(shí),間隙超差后,在前輪開始左右偏轉(zhuǎn)時(shí),必須克服較大的空行程后,才能帶動(dòng)減擺器活塞移動(dòng)產(chǎn)生阻尼力矩,減擺效能明顯降低。此外,在空行程結(jié)束瞬間,減擺器軸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還要受到撞擊載荷作用,將進(jìn)一步增大擺錘和擺軸的受力。因此,將使減擺器軸使用壽命顯著縮短,并可能在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)疲勞破壞。2.2平衡重控制動(dòng)力學(xué)方程正常情況下,當(dāng)前輪左右偏轉(zhuǎn)至最大角度(52°±3°),即旋轉(zhuǎn)套上凸塊與支柱上的限動(dòng)點(diǎn)相接觸時(shí),擺錘與減擺器殼體應(yīng)有一定的間隙(即剩余行程,在傳動(dòng)搖臂與連桿連接點(diǎn)處測(cè)量,其值為1.5mm左右)。在拆裝或更換減擺器時(shí),如果拉桿長(zhǎng)度調(diào)整不當(dāng)(根據(jù)經(jīng)驗(yàn),該拉桿的長(zhǎng)度調(diào)整為(112±3)mm時(shí),其剩余行程符合標(biāo)準(zhǔn)),前輪中立位置與減擺器活塞中立位置不匹配,即可造成前輪向某一側(cè)偏轉(zhuǎn)尚未達(dá)到最大角度時(shí),擺錘與殼體相碰,一方面影響飛機(jī)地面轉(zhuǎn)彎的靈活性;另一方面在飛機(jī)作急轉(zhuǎn)彎時(shí),擺錘與殼體將發(fā)生剛性撞擊,從而將導(dǎo)致減擺器軸因受到過大的撞擊載荷而斷裂。2.3擺動(dòng)行程導(dǎo)致減擺器軸斷裂該機(jī)減擺器在正常情況下,左右工作油室應(yīng)充滿油液(YH-10約100ml)。如果油量不足,在最初的一段擺動(dòng)行程中,活塞上沒有油液阻力作用,即出現(xiàn)空行程,減擺器消耗的能量減少;當(dāng)空隙消失,活塞開始擠壓油液時(shí),則會(huì)產(chǎn)生撞擊,使擺錘及其擺軸所受的重復(fù)載荷增大而導(dǎo)致減擺器軸斷裂。如果油液不清潔,可能將活塞上的節(jié)流孔堵塞,同樣會(huì)造成減擺器軸斷裂故障。3減擺器軸系統(tǒng)故障分析由本文分析計(jì)算知,造成某型飛機(jī)減擺器軸斷裂失效的關(guān)鍵,就在于其構(gòu)件疲勞強(qiáng)度不足和使用維護(hù)不當(dāng)?shù)仍虻木C合作用所致。為更好地預(yù)防和避免該型機(jī)減擺器軸斷裂失效故障的發(fā)生,本文就此提出如下預(yù)防措施和改進(jìn)研究建議:(1)該構(gòu)件的設(shè)計(jì)方面,針對(duì)其疲勞強(qiáng)度薄弱的部位,應(yīng)加大圓角尺寸,提高加工精度以降低應(yīng)力集中,并應(yīng)采取有效的強(qiáng)化措施提高疲勞強(qiáng)度。(2)在該型機(jī)《飛機(jī)維護(hù)規(guī)程》的起落架定檢工作條目中,應(yīng)增加對(duì)減擺器軸的探傷檢查一項(xiàng)內(nèi)容,并加強(qiáng)對(duì)該構(gòu)件的檢查,一旦發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)更換。(3)使用維護(hù)中,應(yīng)經(jīng)常檢查前起落架各部件的間隙,發(fā)現(xiàn)間隙超差應(yīng)及時(shí)排除,特別是傳動(dòng)搖臂套齒處不應(yīng)有間隙存在。更換或拆裝減擺器后,應(yīng)確保減擺器有一定的剩余行程。同時(shí)應(yīng)注意提醒飛行人員,應(yīng)盡量避免單輪接地