一起新材料應(yīng)用引起的航空機(jī)輪故障分析

中國人民解放軍駐陜西飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 胡愈剛 王曉平 周 亮

1 故障基本情況

2012年6月25日，某型飛機(jī)01架機(jī)在進(jìn)行高原試飛時，左后外主機(jī)輪出現(xiàn)異常。經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)剎車殼體卡臺全部斷裂（圖1），半卡環(huán)彎曲變形且有明顯壓痕，壓痕偏離半卡環(huán)寬度中心，保護(hù)蓋明顯翹曲變形、斷裂（圖2）。

該型飛機(jī)主機(jī)輪剎車殼體及缸座的連接結(jié)構(gòu)采用止動環(huán)式連接設(shè)計(jì)，通過半卡環(huán)、保護(hù)蓋及鎖緊螺釘連接缸座及殼體，能防止缸座軸向移動和周向轉(zhuǎn)動，是目前國內(nèi)產(chǎn)品普遍使用的結(jié)構(gòu)型式。

2 初步原因分析

2.1 故障樹分析

根據(jù)主機(jī)輪故障情況，經(jīng)初步分析，得出剎車殼體卡臺斷裂的故障樹如圖3所示。

2.2 故障件外觀檢查

對故障剎車殼體、半卡環(huán)和保護(hù)蓋的接觸和運(yùn)動痕跡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

（1）故障剎車殼體卡臺下端面靠外圓一側(cè)均存在明顯的接觸痕跡，徑向深度約1.5～2.8mm，且沿圓周方向呈一定的弧形，靠兩側(cè)部位較深；靠根部一側(cè)約1.5～2.5mm區(qū)域內(nèi)未見明顯的接觸痕跡。

圖2 主機(jī)輪半卡環(huán)和保護(hù)蓋損壞情況Fig.2 Damage of half snap ring and protection cover of host wheel

圖3 主機(jī)輪剎車殼體卡臺斷裂故障樹Fig.3 Fault tree of fracture of host wheel brake shell

（2）半卡環(huán)內(nèi)孔處尖角鋒利，上卡臺壓痕明顯，壓痕偏離寬度中心，且寬度不一致。

（3）保護(hù)蓋嚴(yán)重翹曲變形、斷裂，邊沿有與半卡環(huán)的摩擦痕跡，摩擦痕跡寬度不均勻。

圖4 機(jī)輪剎車殼體局部裝配示意圖Fig.4 Local assembly diagram of wheel brake shell

結(jié)合剎車殼體、半卡環(huán)、保護(hù)蓋間的裝配關(guān)系（圖4），可初步分析出：由于半卡環(huán)與卡環(huán)槽及保護(hù)蓋之間的間隙過大，使得飛機(jī)在起飛著陸和地面剎車過程中，半卡環(huán)在起落架的沖擊振動下存在徑向和周向移動，致使與卡臺的接觸面不均勻，使得卡臺受力不均。

2.3 故障件尺寸復(fù)查

對剎車殼體、半卡環(huán)和保護(hù)蓋的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）剎車殼體首次采用TC11鍛件機(jī)加而成，其卡臺根部圓角過小，僅為R0.2mm，而TC11對應(yīng)力集中非常敏感。

（2）半卡環(huán)材料為3Cr13板材，內(nèi)徑處無圓角。當(dāng)機(jī)輪在振動環(huán)境下工作時，半卡環(huán)可能損傷殼體卡環(huán)槽底部圓角過渡，加劇該部位的應(yīng)力集中。

（3）保護(hù)蓋采用厚1mm的LY11板材沖壓而成，外圓尺寸為φ280.5mm，在切除安裝傳感器支座缺口位置時，導(dǎo)致外端變形為橢圓，最大外徑約為φ282mm，沖壓后保護(hù)蓋翻邊與直邊之間的角度大于90°，最大達(dá)94°，這樣加大了半卡環(huán)與保護(hù)蓋之間的間隙（圖5）。經(jīng)測量，保護(hù)蓋變形后，與半卡環(huán)間隙可超過2mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)間隙0.25mm。

圖5 保護(hù)蓋變形示意圖Fig.5 Deformation diagram of protection cover

圖6 機(jī)輪剎車殼體卡臺斷口失效分析Fig.6 Fracture failure analysis of wheel brake shell

2.4 其他復(fù)查情況

對故障剎車殼體進(jìn)行金相、化學(xué)成分和力學(xué)性能分析，均未發(fā)現(xiàn)材料缺陷。對剎車殼體的加工工藝、加工過程的質(zhì)量記錄文件等進(jìn)行復(fù)查，均未發(fā)現(xiàn)異常。對剎車殼體卡臺斷口進(jìn)行失效分析（圖6），判定卡臺斷裂為疲勞斷裂。

3 主機(jī)輪剎車殼體卡臺斷裂機(jī)理分析

當(dāng)機(jī)輪剎車時，缸座組件中的活塞將剎車壓力轉(zhuǎn)化為作用在殼體的軸向載荷S（圖4），殼體卡臺同時受到大小相等的反作用力，在小半卡環(huán)和保護(hù)蓋安裝到位的情況下，卡臺根部受到彎曲與剪切復(fù)合應(yīng)力作用。

由于半卡環(huán)與剎車殼體卡環(huán)槽、保護(hù)蓋間的間隙過大，加上保護(hù)蓋剛性差、變形大的綜合影響，使半卡環(huán)在起落架振動及重力等因素影響下，在卡環(huán)槽中產(chǎn)生位移，其軸線偏離殼體軸線位置（圖7）。

圖7 半卡環(huán)偏離示意圖Fig.7 Deviation diagram of half snap ring

小半卡環(huán)脫離卡環(huán)槽底部后，小半卡環(huán)與各個卡臺接觸面積的不一致將造成殼體各個卡臺受力不均。偏移越多、接觸面積越小的卡臺所受載荷越大。在小半卡環(huán)發(fā)生最大偏移情況下，參照HB/Z126《航空機(jī)輪設(shè)計(jì)指南》推薦的計(jì)算方法，卡臺根部1-1截面（圖4）的應(yīng)力計(jì)算如下：

軸向載荷：

S=nPShs=6 × (15?1.05)× π ×202=105181N ，

彎矩：

彎曲應(yīng)力：

剪切應(yīng)力：

總應(yīng)力：

式中，n為剎車作動缸數(shù)，P為剎車裝置最大工作壓力，Shs為活塞有效面積，F(xiàn)為受剪面積。

若半卡環(huán)不發(fā)生偏移，按上述方法重新計(jì)算卡臺根部1-1截面的總應(yīng)力為505.3MPa。由此可見，半卡環(huán)偏移后，會造成剎車殼體卡臺受力不均，其根部應(yīng)力大致在505.3～844MPa之間。

主機(jī)輪剎車殼體材料為TC11，與鋼比較，鈦合金對表面缺陷和應(yīng)力集中有較大的敏感性，強(qiáng)度較高的鈦合金尤甚[1]。表1為TC11餅坯的應(yīng)力控制疲勞性能[1]。從表中可以看出：當(dāng)理論應(yīng)力集中系數(shù)為Kt為2.4，卡臺最大應(yīng)力σmax為716MPa時，循環(huán)次數(shù)N為5046周；當(dāng)最大應(yīng)力為1002MPa時，循環(huán)次數(shù)僅為1395周，均為低周疲勞。由此可見，主機(jī)輪剎車殼體卡臺根部圓角過小導(dǎo)致的應(yīng)力集中，以及卡臺根部較高的應(yīng)力水平，極易影響卡臺的疲勞性能，使殼體卡臺發(fā)生低周疲勞斷裂。若增大圓角，減小應(yīng)力集中，并將卡臺的應(yīng)力水平減小到460MPa以下時，卡臺的疲勞壽命可達(dá)107周，得到了顯著提高。

表1 TC11材料疲勞性能[1]

4 改進(jìn)措施

（1）剎車殼體。增大卡臺根部圓角，由原來的R0.2mm增大到R2mm，并增加粗糙度要求，降低卡臺根部的應(yīng)力集中。將殼體端部卡臺厚度由4mm增加到6mm，將其強(qiáng)度增加到原來的2.25倍（圖8），使得在最大剎車壓力15MPa作用下卡臺根部應(yīng)力水平為167.4MPa，即使考慮到裝配間隙和保護(hù)蓋的變形，卡臺根部應(yīng)力水平最大為253.1 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于460MPa，滿足低周疲勞設(shè)計(jì)要求，大大提高了剎車殼體的疲勞壽命。

（2）半卡環(huán)?？s小內(nèi)徑以減小半卡環(huán)與殼體之間的設(shè)計(jì)間隙，將設(shè)計(jì)值由原來的1mm減小為0.25mm，可防止半卡環(huán)在殼體卡環(huán)槽中有過大的徑向偏移（圖9）。同時將半卡環(huán)內(nèi)徑尖角圓滑過渡，防止半卡環(huán)在工作中損傷剎車殼體卡臺根部圓角部位表面質(zhì)量。

（3）保護(hù)蓋。將厚度增加到2mm，使保護(hù)蓋的剛度增加到原來的8倍，并減小保護(hù)蓋與小半卡環(huán)之間的設(shè)計(jì)間隙（圖10）。

圖8 剎車殼體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比Fig.8 Comparison of brake shell structure before and after improvement

圖9 半卡環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比Fig.9 Comparison of half snap ring structure before and after improvement

圖10 保護(hù)蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比Fig.10 Comparison of protection cover structure before and after improvement

5 改進(jìn)措施驗(yàn)證

5.1 地面驗(yàn)證

按改進(jìn)后的剎車殼體、保護(hù)蓋及小半卡環(huán)重新生產(chǎn)一套機(jī)輪，經(jīng)靜10000次剎車試驗(yàn)后殼體卡臺完好無損，試驗(yàn)中缸座底部活塞中心變形為0.58mm，殼體卡臺處變形為0.02mm，支承杯處變形為0.84mm，滿足使用要求。用改進(jìn)后的機(jī)輪繼續(xù)進(jìn)行45MPa的靜壓力試驗(yàn)，殼體無損傷。

5.2 試飛驗(yàn)證

按改進(jìn)方案重新生產(chǎn)1架機(jī)8套機(jī)輪，經(jīng)某型飛機(jī)01架裝機(jī)試飛驗(yàn)證130起落，剎車殼體卡臺不再斷裂，保護(hù)蓋也未發(fā)生變形。

6 結(jié)論

TC11鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片及鼓筒等零件，也可用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。目前，國外已將其成熟應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)輪，而國內(nèi)機(jī)輪上卻很少應(yīng)用。由于TC11鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕好等特點(diǎn)，被首次應(yīng)用于機(jī)輪剎車殼體，屬于新材料的初次應(yīng)用。在設(shè)計(jì)時由于對鈦合金的特性考慮不充分，機(jī)輪結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不完善，綜合作用下導(dǎo)致剎車殼體卡臺根部應(yīng)力水平過高，最終造成了殼體卡臺低周疲勞斷裂。

[1] 《中國航空材料手冊》編輯委員會. 鈦合金、銅合金·中國航空材料手冊（第2版）.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：160-164.