安全活門卡滯分析

黃 超，郭 濤

(國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

飛機(jī)的燃油液壓冷氣系統(tǒng)組件中均存在活門組件，而活門組件的失效將嚴(yán)重影響飛行安全[1-3]。對于活門組件尤其是安全活門失效或卡滯的分析報道較少，其中關(guān)于微動磨損方面的失效均集中于緊固件[4-8]、軸承等零件失效[9-12]。

外場檢查系統(tǒng)油濾，發(fā)現(xiàn)高壓油濾內(nèi)部有金屬粉末，外循環(huán)散熱油濾內(nèi)部有金屬碎塊，初步分析為液壓泵內(nèi)部磨損。分解檢查發(fā)現(xiàn)液壓泵安全活門套筒卡滯，卡圈及調(diào)整墊圈脫落斷裂、磨損。彈簧卡圈材料為60Si2MnA合金鋼，調(diào)整墊圈材料為1Cr18Ni10Ti不銹鋼。本研究對安全活門進(jìn)行外觀觀察，對斷裂的卡圈以及調(diào)整墊圈碎片進(jìn)行外觀觀察、體式檢查、斷口微觀分析、金相組織分析、硬度檢測，確定失效原因，并給出預(yù)防建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

分解回油管接頭堵蓋,發(fā)現(xiàn)固定在殼體內(nèi)的安全活門位置異常，套筒卡滯。圖1a為卡滯活門套筒，正常狀態(tài)時活門套筒如圖1b所示。將非故障件的彈簧卡圈與調(diào)整墊圈進(jìn)行驗(yàn)裝，安裝的順序如圖1c所示，依次為彈簧卡圈、調(diào)整墊圈、活門套筒、活門、彈簧、底座。將各零件按次序安裝完后如圖1d所示?？ㄈ?、調(diào)整墊圈的碎片如圖1e所示，可見碎片受磨損與擠壓后，多數(shù)已經(jīng)發(fā)生變形，無法完整拼接出原始形狀。

圖1 安全活門外觀與碎片F(xiàn)ig.1 Appearance of safety valve and fragment

1.2 體式檢查

將收集到的碎片按形狀進(jìn)行分類，其中卡圈碎片有6件，將其編號為1#～6#，并按大致形狀進(jìn)行拼接，但由于碎片均有變形，其拼湊接狀并不是最初的正常結(jié)構(gòu)(圖2a)。調(diào)整墊圈的較大碎片共有12片，但變形非常嚴(yán)重，形狀無法拼湊(圖2b)。

圖2 彈簧卡圈與調(diào)整墊圈碎片觀察Fig.2 Fragment observation of spring collar and adjustment collar

為對比故障件與完好件的區(qū)別，收集同樣經(jīng)過一個大修周期的未斷裂卡圈，觀察卡圈與液壓泵殼體接觸區(qū)域，可見接觸表面內(nèi)側(cè)有明顯磨損痕跡(圖3a)；完好彈簧卡圈與調(diào)整墊圈接觸表面同樣也觀察到磨損痕跡，痕跡分布在卡圈的接觸面外側(cè)，且磨損痕跡呈非連續(xù)狀(圖3b)。同樣的，收集同樣經(jīng)過一個大修周期的完好調(diào)整墊圈，觀察其兩側(cè)，均發(fā)現(xiàn)外側(cè)有磨損痕跡，磨損方向大致沿徑向；圖3c中的表面磨損程度大于圖3d中的表面。

觀察活門套筒上密封圈的安裝槽，發(fā)現(xiàn)存在明顯的磨損痕跡，磨損方向?yàn)檩S向(圖4a、圖4b)?；铋T套筒與調(diào)整墊圈接觸表面存在明顯磨損痕跡，磨損處位于接觸面的外側(cè)呈環(huán)狀(圖4c)。從活門套筒上將密封橡膠圈取下后進(jìn)行觀察，總體上該橡膠密封圈仍完整，未發(fā)生完全斷裂、老化等現(xiàn)象，觀察密封圈內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)存在沿軸向的磨損痕跡(圖4d)。

圖3 完好彈簧卡圈與調(diào)整墊圈觀察Fig.3 Observation of intact spring collar and intact adjustment collar

圖4 活門套筒觀察Fig.4 Observation on valve sleeve

繼續(xù)觀察活門側(cè)面，發(fā)現(xiàn)與活門套筒的接觸部位有明顯擠壓形成的臺階(圖5a)，測量臺階寬度約為0.1 mm(圖5b)。

1.3 微觀觀察

從2#卡圈碎片斷口四周能觀察到擠壓翻邊再覆蓋的形貌，斷口較為平坦，但區(qū)別于一般磨損形成的光滑表面，斷口邊緣處發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域有輕微磨損，部分區(qū)域可見斷裂特征(圖6a)；雖然斷口處存在難以清洗的油液覆蓋物，但仍可觀察到疲勞條帶特征，無韌窩、沿晶與解理斷裂形貌(圖6b)。

圖5 活門觀察Fig.5 Observation of valve

圖6 2#彈簧卡圈斷口微觀形貌Fig.6 Micro morphology of facture of 2# spring collar

6#卡圈碎片斷口四周同樣能觀察到擠壓翻邊覆蓋的形貌，斷口為部分磨損、部分區(qū)域有斷裂特征，斷口整體較為平坦(圖7a)。繼續(xù)觀察有斷裂特征的區(qū)域，同2#卡圈碎片斷口相似，斷口形貌區(qū)別于韌窩、沿晶與解理斷裂形貌，由于油污覆蓋放大后觀察可見疲勞條帶特征(圖7b)。

圖7 6#彈簧卡圈斷口微觀形貌Fig.7 Micro morphology of facture of 6# spring collar

如圖8所示，1#彈簧卡圈碎片斷口已完全磨損，斷口側(cè)面有受擠壓后翻邊再覆蓋在斷口上的形貌。3#～5#彈簧卡圈斷口除磨損處外，斷口其余部分基本為韌窩形貌。

由于調(diào)整墊圈大都變形嚴(yán)重，斷口無法觀察，僅挑選到一件觀察斷口形貌，斷口部分區(qū)域存在磨損，觀察未磨損區(qū)域?yàn)榧羟许g窩形貌(圖9)。

1.4 彈簧卡圈金相組織

選取卡圈1#碎片，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后采用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，并在金相顯微鏡下對該卡圈碎片的組織進(jìn)行觀察。圈心部組織為回火索氏體(圖10)。

1.5 彈簧卡圈硬度檢測

對卡圈金相試樣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1?？梢娍ㄈπ牟坑捕葹镠RC 47.1，符合技術(shù)要求HRC 45.5～49.5的規(guī)定。

圖8 其余彈簧卡圈斷口微觀形貌Fig.8 Micro morphology of facture of the rest spring collars

圖9 調(diào)整墊圈斷口微觀形貌Fig.9 Micro morphology of facture of adjustment collar表1 硬度檢測結(jié)果Table 1 Result of hardness testing

ItemHardnesstesting(HV)123AveragevalueConversionvalueofHRCTechnicalrequirements(HRC)Centre468.8474.1468.8470.647.145.5～49.5

圖10 S自鎖螺母金相組織Fig.10 Metallographic structure of spring collar

2 分析與討論

通過對彈簧卡圈、調(diào)整墊圈進(jìn)行體式檢查、斷口分析，根據(jù)彈簧卡圈斷口特征可以判定卡圈為疲勞斷裂，但調(diào)整墊圈由于斷口缺失較多難以判斷最初失效模式。

為分析彈簧卡圈與調(diào)整墊圈的失效模式，可以從痕跡方面進(jìn)行判斷。首先，油液中可能存在細(xì)微的金屬顆粒，這可以從活門套筒密封圈安裝槽的磨損看出，只有細(xì)微的金屬顆粒物進(jìn)入密封圈安裝槽中，在密封圈與槽體中間受系統(tǒng)振動的作用，在長時間作用下產(chǎn)生沿軸向的磨損痕跡。其次，完好的彈簧卡圈與調(diào)整墊圈所觀察到的周向磨損痕跡，說明在使用過程中二者均會在系統(tǒng)振動的作用下產(chǎn)生微動磨損。而這些細(xì)小的金屬顆粒物一旦進(jìn)入泵殼體與彈簧卡圈接觸面、調(diào)整墊圈與彈簧卡圈接觸面即會形成三體磨損的狀況，這樣的磨損情況會進(jìn)一步加劇微動磨損的影響，進(jìn)一步形成微動疲勞，產(chǎn)生疲勞裂紋。

從卡圈2#、6#碎片斷口的形貌看到的疲勞條帶，說明此處斷口具備疲勞斷裂特性。如圖11所示，從斷口的匹配情況看，2#碎片與6#碎片的斷口最有可能是匹配斷口，而該匹配位置正好是耳片與卡圈環(huán)的過渡位置，并且從完好彈簧卡圈磨損情況看，該位置也是磨損的嚴(yán)重區(qū)域，疲勞裂紋易從此位置起源。結(jié)合金相組織與硬度檢查的結(jié)果可以判定材料本身符合技術(shù)要求。綜合以上分析，彈簧卡圈應(yīng)為疲勞斷裂。而調(diào)整墊圈由于斷口信息缺失較多則無法對其最初的失效模式進(jìn)行判定。但從一般情況來看，緊密接觸的零件，塑性較差的一方易萌生疲勞裂紋。據(jù)此判斷安全活門的卡滯是由于彈簧卡圈疲勞斷裂后脫出，調(diào)整墊圈也因?yàn)閺椈煽ㄈΦ拿摮鰺o法固定于卡槽中，也隨之脫出，二者在泵體內(nèi)受擠壓碎裂，碎片在活門工作縫隙中堆積，最終導(dǎo)致安全活門卡滯失效。

圖11 2#碎片與6#碎片斷口對比Fig.11 Fracture comparison of 2# fragment and 6# fragment

分析活門與活門套筒內(nèi)部的擠壓臺階痕跡認(rèn)為，一般接觸表面很難產(chǎn)生約0.1 mm的臺階痕跡，通常都會形成類似于淺劃痕的痕跡。臺階的形成很有可能是由于安全活門的頻繁開啟所導(dǎo)致的。而頻繁開啟的安全活門所產(chǎn)生的沖擊可能會加速卡圈的疲勞斷裂過程，使其疲勞壽命進(jìn)一步降低。建議對該飛機(jī)的油路壓力異常升高進(jìn)行檢查，重點(diǎn)關(guān)注油濾的過濾性能。

3 結(jié)論

1)液壓柱塞泵磨損是由卡圈與調(diào)整墊圈斷裂后脫出導(dǎo)致。

2)卡圈為疲勞斷裂。

3)卡圈的疲勞斷裂與微動磨損有關(guān)。

4)安全活門如果頻繁開啟會加速疲勞斷裂的過程。

5)建議對該飛機(jī)的液壓油路壓力異常升高進(jìn)行檢查，重點(diǎn)關(guān)注油濾的過濾性能。

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