輸油軟管開裂原因

代曉瑛,盧玉蛟

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,西安 710089)

某飛機(jī)輸油軟管出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，將輸油軟管從飛機(jī)上拆卸后對軟管進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)輸油軟管漏油一端最外層的棉線編織層已經(jīng)斷裂，內(nèi)層橡膠管有兩處較短的裂縫，有一處裂縫已將膠管內(nèi)、外壁接通。輸油軟管的內(nèi)膠層為5870丁腈橡膠，軟管與金屬管子連接，連接過程中，金屬管子螺紋在軟管的橡膠內(nèi)壁形成螺紋凹槽。輸油軟管安裝在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙，所承受的環(huán)境應(yīng)力主要包含振動(dòng)、溫度和內(nèi)部燃油壓力等，振動(dòng)量值為0.012 5 g2·Hz-1，環(huán)境溫度為0～90 ℃，內(nèi)部燃油溫度為0～20 ℃，內(nèi)部燃油壓力為0～150 kPa。

筆者對輸油軟管的裂縫斷口和側(cè)表面進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，綜合分析了軟管開裂的性質(zhì)和原因，并給出了改進(jìn)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

輸油軟管的整體形貌如圖1a)所示，在橡膠管的內(nèi)壁可見2條裂縫，且有一條裂縫完全穿透橡膠管內(nèi)、外管壁，形成穿透性裂紋，如圖1b)所示。

圖1 輸油軟管宏觀形貌

1.2 斷口分析

對輸油軟管內(nèi)、外壁貫穿的裂紋進(jìn)行斷口分析。軟管的裂紋起源于螺紋凹槽根部，為線源，由內(nèi)向外擴(kuò)展，斷口上可見明顯的疲勞弧線，如圖2所示。軟管穿透性裂紋所在的整圈凹槽內(nèi)壁均出現(xiàn)開裂，但未形成貫穿性開裂，裂紋斷口上同樣可見明顯的疲勞弧線，如圖3所示。

圖2 軟管裂紋斷口微觀形貌

圖3 軟管凹槽內(nèi)壁開裂形貌

軟管裂紋斷口側(cè)表面的凹槽位置可見大量方向一致的應(yīng)力老化裂紋，如圖4和圖5所示?？拷疾鄣墓饣瑑?nèi)壁表面同樣可見大量方向一致的應(yīng)力老化裂紋，如圖6所示。軟管遠(yuǎn)離裂紋的另一端頭內(nèi)壁同樣可見老化開裂現(xiàn)象，如圖7所示。

圖4 軟管凹槽裂紋根部微觀形貌

圖5 軟管未開裂區(qū)域凹槽位置的應(yīng)力老化裂紋微觀形貌

圖6 軟管靠近凹槽的光滑內(nèi)壁的應(yīng)力老化裂紋微觀形貌

圖7 軟管遠(yuǎn)離開裂的另一端頭內(nèi)壁的老化裂紋微觀形貌

綜上所述，軟管的開裂起源于螺紋凹槽根部，在受到振動(dòng)和內(nèi)部燃油壓力等交變應(yīng)力的作用下，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展。端口上可見明顯的疲勞弧線，因受力疲勞而逐步脫離，并向四周擴(kuò)散，在應(yīng)力方向產(chǎn)生橡膠撕裂現(xiàn)象，形成疲勞擴(kuò)展區(qū)，直至裂紋完全穿透橡膠管內(nèi)、外管壁，形成穿透性裂紋。

1.3 紅外光譜

分別對軟管故障件和未使用件進(jìn)行紅外光譜檢測，結(jié)果如圖8所示。5870丁腈橡膠結(jié)構(gòu)中典型的亞甲基-CH2(2 920 cm-1)，雙鍵(1 660～1 630 cm-1)等典型特征吸收峰，由圖中的特征峰對照文獻(xiàn)[1-2]可見。軟管浸油后，二者的吸收峰位置和強(qiáng)度基本一致，但是耐油后的軟管在1 716 cm-1處添加劑的吸收峰明顯減弱，主要是由于橡膠內(nèi)層膠料配方中含有一定量的防老劑、增塑劑等添加劑，但膠管如果長期處于高溫油液或處于高溫環(huán)境中，添加劑在一定溫度下會(huì)溢出，遷移到油液中，同時(shí)液壓系統(tǒng)中的油缸、閥、泵或其他元件，由于壓降的原因會(huì)使油液逐漸發(fā)生化學(xué)分解，也會(huì)使膠管內(nèi)層發(fā)生氧化、變質(zhì)、硬化，膠管在運(yùn)動(dòng)或彎曲時(shí)，內(nèi)層就會(huì)出現(xiàn)開裂，產(chǎn)生明顯的裂紋，從而出現(xiàn)滲油[3]。

圖8 開裂軟管和未使用軟管的紅外光譜

1.4 熱失重試驗(yàn)

分別對軟管故障件和未使用件進(jìn)行熱失重試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。未使用件存在2個(gè)熱分解區(qū)間，第1熱分解區(qū)間溫度為200～340 ℃，失重率為8.92%，此時(shí)材料中的添加劑成分揮發(fā)；第2熱分解區(qū)間溫度為340～500 ℃，失重率為39.10%，其總失重率為48.02%，此時(shí)材料發(fā)生無規(guī)則降解，大分子主鏈發(fā)生斷裂[4]。軟管僅存在1個(gè)熱分解區(qū)間，其熱分解溫度區(qū)間為200～500 ℃，失重率為46.06%；軟管的第1熱分解區(qū)間消失，且總的失重率小于未使用的新件，表明其發(fā)生老化，部分小分子助劑在老化過程中已經(jīng)揮發(fā)或分解。

圖9 開裂軟管和未使用軟管的的熱失重曲線

2 分析與討論

輸油軟管的裂紋斷口上可見疲勞弧線，其開裂性質(zhì)為疲勞開裂。輸油軟管與金屬管子軟硬結(jié)合后，金屬管子的螺紋在橡膠軟管的內(nèi)壁形成凹槽且對軟管內(nèi)壁產(chǎn)生一定的損傷。輸油軟管的凹槽根部及其附近的光滑內(nèi)壁表面均可見大量方向一致的微裂紋，裂紋方向一致，說明其為應(yīng)力老化裂紋，這是由于金屬管子與橡膠軟管形成過盈配合，橡膠軟管在二者結(jié)合位置始終受到徑向的張力而導(dǎo)致的。紅外和熱失重試驗(yàn)結(jié)果也均顯示使用后的輸油軟管發(fā)生老化。老化裂紋的產(chǎn)生會(huì)降低橡膠軟管的承載能力，同時(shí)凹槽根部在金屬管子螺紋與軟管內(nèi)壁結(jié)合的過程中產(chǎn)生一定的損傷[5]，使得該位置成為應(yīng)力集中部位，為軟管內(nèi)壁最薄弱的位置。因此，輸油軟管裂紋在振動(dòng)和內(nèi)部燃油壓力等交變載荷的作用下從凹槽根部損傷位置起源并最終產(chǎn)生疲勞開裂[6-8]。

針對輸油軟管產(chǎn)生失效原因，提出以下預(yù)防措施：

(1)確保膠管膠層的加工質(zhì)量。軟管的內(nèi)膠層厚度要保持均勻，如果厚度不均勻，壓縮后容易在內(nèi)膠層表面造成一面斷裂或堆膠，從而造成滲漏現(xiàn)象[9]。

(2)優(yōu)化金屬管子螺紋連接凹槽處的尖角形狀，應(yīng)圓滑過渡，避免出現(xiàn)毛刺、飛邊、切邊等缺陷。金屬管子加工表面如有毛刺、飛邊、裂紋等缺陷或幾何尺寸及精度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求、表面粗糙度過低、加工紋理不合理等問題[10]，在與軟管裝配過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的損傷，使得該位置成為應(yīng)力集中部位，產(chǎn)生疲勞開裂，造成軟管漏油。安裝前，金屬螺紋管子的凹槽必須清洗干凈，不能附有毛絲、灰塵，無尖端、刃口，以免損傷軟管。必要時(shí)，可對軟管裝配中的接觸表面涂敷潤滑脂。

(3)設(shè)定合理的裝配方式。在安裝過程中不應(yīng)有扭曲和壓扁現(xiàn)象，接頭軸線應(yīng)盡量布置在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)，軟管受到輕微扭轉(zhuǎn)就有可能使其強(qiáng)度降低，裝配時(shí)應(yīng)將金屬管子擰緊在軟管上，而不是將軟管擰緊在金屬管子上。同時(shí)，軟管安裝時(shí)應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)，即使軟管兩端沒有相對運(yùn)動(dòng)的地方，也要保持軟管松弛，張緊的軟管在壓力作用下會(huì)膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力老化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[11]。此外，軟管用于固定件的直線安裝時(shí)，要留有2%～4%的長度余量，以防止由于溫度變化、振動(dòng)等引起的受拉現(xiàn)象[12]。

3 結(jié)論及建議

輸油軟管的開裂性質(zhì)為疲勞開裂，裂紋起源于螺紋凹槽的根部。輸油軟管裝配后產(chǎn)生應(yīng)力老化，導(dǎo)致其疲勞性能下降，裂紋在振動(dòng)和內(nèi)部燃油壓力等交變應(yīng)力的作用下從凹槽根部的損傷位置起源并最終發(fā)生疲勞開裂。

建議優(yōu)化金屬管子螺紋連接凹槽處的尖角形狀以及設(shè)定合理的裝配方式，確保軟管膠層的加工質(zhì)量，以降低輸油軟管的失效概率。