飛機液壓導管裂紋故障分析與檢測對策

飛機液壓導管在工作過程中容易萌生疲勞裂紋，裂紋發(fā)展到一定程度時會影響飛行安全，故探明故障原因并研究相應的原位檢測技術是及時發(fā)現損傷、避免損傷的關鍵舉措，也是保障飛行安全的重要手段。在航空維修領域，無損檢測是預防結構失效、保障飛行安全的關鍵技術，失效分析是判斷故障件失效模式、分析查找失效原因并提出預防對策的重要手段。下面針對飛機液壓導管的裂紋故障，通過失效分析確定失效機理和失效原因，進而確定無損檢測的重點部位，根據失效特征分析檢測方法，進一步制定檢測工藝和檢測標準，以為設計和制造部門提供改進的基礎數據，從根源上系統(tǒng)性解決飛機液壓導管的在役使用可靠性問題。1導管裂紋故障現象飛機液壓導管裂紋產生時一般會伴隨液壓油滲出現象，裂紋擴展會導致導管斷裂，典型的導管斷裂外觀如圖1所示，導管在平管嘴位置處斷裂，斷口與平管嘴端面齊平，導管斷口位置未見明顯塑性變形。該導管平管嘴處直線段與導管外壁緊貼在一起，當導管承受應變時，該位置成為一個承力支點，容易形成應力集中，使得該位置萌生裂紋，裂紋再不斷擴展后導致導管斷裂。圖1導管斷裂處外觀經統(tǒng)計發(fā)現，導管裂紋主要出現在喇叭口根部和平管嘴根部的導管外壁位置，裂紋主體均處于導管管形的平面內，沿導管周向擴展。典型導管喇叭口裂紋外觀如圖2所示。圖2導管喇叭口根部裂紋外觀2導管裂紋故障失效分析No.1宏觀斷口檢查將導管斷口置于體視鏡下觀察發(fā)現，導管斷口磨損嚴重，斷面被擠壓碾平嚴重，斷口整體較粗糙；從不同的高度與平整度以及放射棱線的走向可將斷面分成4個區(qū)域，一區(qū)大約占斷口總面積的60%，二區(qū)約占10%，三區(qū)約占18%，四區(qū)約占12%；斷口上未見明顯冶金缺陷及腐蝕產物。斷口處宏觀形貌如圖3所示。圖3導管斷口處宏觀形貌No.2微觀分區(qū)斷口檢查1一區(qū)斷面檢查一區(qū)斷口整體擠壓磨平，大部分斷口形貌特征已被破壞；觀察少量未磨損的凹槽部位發(fā)現，裂紋起源于底端區(qū)域，從左右兩側沿導管周向擴展。在擴展至另一匹配斷面上的右側擴展末端處有韌窩形貌特征，為最后斷裂位置；左端最后斷裂部位形貌特征全部被磨損，一區(qū)斷口形貌特征如圖4所示。圖4導管一區(qū)斷口形貌特征2二區(qū)斷面檢查二區(qū)斷口較為平坦，磨損較輕，最上端為裂紋源區(qū)，源區(qū)附近可見扇形區(qū)域，并有少量放射棱線，擴展區(qū)可見明顯疲勞條帶。裂紋最終擴展至三區(qū)、四區(qū)，連接形成臺階斷裂，斷口形貌特征如圖5所示。圖5導管二區(qū)斷口形貌特征3三區(qū)斷面檢查三區(qū)斷面幾乎全被磨損，匹配斷口磨損較輕微，從匹配斷口觀察可見明顯的擴展棱線，裂紋從外表面處沿周向及向內擴展，最終瞬斷區(qū)呈韌窩狀斷裂，斷口形貌特征如圖6所示。圖6導管三區(qū)斷口形貌特征4四區(qū)斷面檢查四區(qū)斷面幾乎全被磨損，匹配斷口磨損較輕微，從匹配斷口觀察可見明顯的擴展棱線，裂紋從外表面處沿周向及向內擴展，最終瞬斷區(qū)位于一區(qū)交界處，形貌特征全部擠壓磨平，斷口形貌特征如圖7所示。圖7導管四區(qū)斷口形貌特征3裂紋產生原因分析從失效分析中可以看出，導管裂紋斷口帶有明顯的疲勞裂紋特征，結合導管結構與受力特點，總結其產生原因如下：1制造與裝配原因平管嘴內孔徑偏大，裝配時平管嘴與管材之間的間隙變大，如圖8所示。圖8平管嘴和導管間間隙示意觀察斷裂的導管時也發(fā)現了此類現象：有的導管一側與平管嘴間距較小，另一側間距較大。在振動應力作用下，喇叭口根部導管外表面易萌生出裂紋缺陷進而導致疲勞斷裂。另外液壓導管外壁若存在較明顯的加工溝痕，則易造成應力集中，破壞表面的完整性，在振動應力的作用下，疲勞裂紋便在此處萌生并迅速擴展。2疲勞應力原因由于導管外表面與平管嘴端面相互接觸，當導管發(fā)生嚴重振動時，在導管外表面與平管嘴端面之間會發(fā)生微動磨損，從而損傷導管外壁。外壁的磨損會在導管外表面形成應力集中而產生裂紋源，如上述分析的一區(qū)底端和二區(qū)最上端均為裂紋源區(qū)，根據一區(qū)和二區(qū)的面積占比，可推知一區(qū)是主裂紋源。在反復應力交變作用下裂紋源區(qū)便會萌生出裂紋，裂紋逐漸向縱深發(fā)展，最終導致導管完全斷裂。4原位檢測對策1檢測原理表面波是僅在固體介質的表面或其他介質的界面及其附近傳播而不深入到固體內部傳播的波。表面波在傳播過程中遇到裂紋，一部分聲波在裂紋開口處仍以表面波形式被反射，并沿物體表面返回；一部分聲波仍以表面波形式沿裂紋表面向前傳播，到達裂紋頂端時部分聲波被反射而返回，部分聲波繼續(xù)以表面波形式沿裂紋表面向前傳播?？梢?，若使用表面波檢測液壓導管，通過裂紋回波信號的幅值和刻度可判定缺陷的大小與位置。2檢測對策分析與驗證為了實現導管管壁周向裂紋的檢測，導管裝配結構、裂紋形貌以及螺栓遮擋等因素是必須考慮的，在不拆除導管和連接螺栓的情況下，采用兩探頭組合在一起通過夾持的方式實現導管在圓周方向上的一次性檢測。在飛機上實施原位檢測時，因表面波具有一定的檢測深度，當表面波在充滿液壓油的導管內傳播時，部分聲能量通過導管-油液界面?zhèn)魅胍簤河椭?，會使喇叭口根部缺陷和端頭回波信號衰減。為減小該因素的影響，對于充滿液壓油的薄壁導管，應選擇相對較高的檢測頻率。當檢測頻率為5MHz時，通過計算得到表面波波長約為0.6mm，可檢測深度為1.2mm（大于導管壁厚），超聲波會部分傳入液壓油；當檢測頻率為7.5MHz時，表面波波長約為0.45mm，超聲波主要能量集中于管壁，即使在充滿液壓油的導管上檢測，進入液壓油的能量仍很少，缺陷回波信號衰減較小。液壓導管端頭通過外部螺栓與其他接頭相連，螺栓擰緊后超聲波也有可能通過異質界面進入其他材料，導致裂紋等缺陷處回波幅值降低，高祥熙等驗證了螺栓擰緊后對喇叭口根部缺陷檢測結果的影響，結果表明，螺栓的擰緊程度只會降低端頭回波信號幅度，并不會對缺陷信號產生影響。采用上述方案，分別對圖2所示導管和在役的ф6mm導管進行檢測，選用4通道表面波探頭，在導管樣管的喇叭口處加工長為3mm，深為0.15mm的人工缺陷，逐一將4個通道探頭對準人工缺陷，將其反射信號回波高度調至滿屏幕的80%。經檢測，圖2所示導管裂紋處回波明顯，遠超出滿屏幕的80%。在原位檢測試驗中，探頭能夠貼緊導管平管嘴根部并鎖住工裝夾緊導管，平管嘴端部回波顯示清晰，平管嘴根部干擾雜波較少且低于滿屏幕的10%，由此可見，平管嘴根部若存在缺陷將會有較高的回波出現。結語針對