附加鉛塊對(duì)航空導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)波峰峰值的影響

張凌云，羅祥瑞，何建冬，石紹秋

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110136;2.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241000)

0 前言

航空導(dǎo)管是飛機(jī)液壓系統(tǒng)介質(zhì)傳輸和能量傳送的重要通道，導(dǎo)管的斷裂和泄漏將直接影響作動(dòng)性能和飛機(jī)的安全性。近些年，航空業(yè)對(duì)于導(dǎo)管的疲勞性能提出了更高要求，不僅要求導(dǎo)管有極強(qiáng)的抗疲勞性能,而且還要有較長(zhǎng)的壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓導(dǎo)管的質(zhì)量占液壓系統(tǒng)總質(zhì)量的30%～35%，幾乎分布在飛機(jī)機(jī)體的各個(gè)部分，系統(tǒng)中任意一根導(dǎo)管的損壞都可能造成液壓系統(tǒng)的重大事故。因此，對(duì)各廠家生產(chǎn)的導(dǎo)管進(jìn)行精確的檢測(cè)則尤為重要。檢測(cè)的精確性直接關(guān)系到后續(xù)安裝在飛機(jī)上的使用情況，若檢測(cè)沒(méi)有達(dá)到合適的誤差范圍內(nèi)，疲勞檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，應(yīng)用到飛機(jī)上會(huì)產(chǎn)生極大的安全隱患。20世紀(jì)，工程師們就意識(shí)到了航空導(dǎo)管的疲勞問(wèn)題。1975年SUNAMOTO提出導(dǎo)管材料的熱疲勞概念，1988年ZELIZKO和SWAIN探討了復(fù)合材料對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)航空導(dǎo)管進(jìn)行了研究。1980年常龍生闡述了飛機(jī)液壓導(dǎo)管疲勞試驗(yàn)方法。2005年程純娟介紹了無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管裝配技術(shù)，對(duì)導(dǎo)管疲勞試驗(yàn)做出了補(bǔ)充。2020年姜子晗等研究了隨機(jī)振動(dòng)下裝配誤差對(duì)液壓導(dǎo)管疲勞壽命的影響。朱峰等人針對(duì)航空導(dǎo)管彎曲試驗(yàn)的疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行了探究，總結(jié)了多種疲勞裂紋形式。航空導(dǎo)管作為重要附件裝置，液壓管路系統(tǒng)如同“心血管”一樣為航空發(fā)動(dòng)機(jī)輸送介質(zhì)，同時(shí)又是一個(gè)典型的動(dòng)力支撐系統(tǒng)。因此，液壓管路系統(tǒng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行和飛機(jī)安全性、可靠性起到重大作用。由于航空液壓管路系統(tǒng)內(nèi)部具有高壓力和工作條件差(高溫、振動(dòng)環(huán)境)等特點(diǎn)，導(dǎo)致管路裂紋或破損成為發(fā)動(dòng)機(jī)故障最主要的原因之一。因此前期的航空導(dǎo)管檢測(cè)顯得尤為重要，只有檢測(cè)符合航空標(biāo)準(zhǔn)后才能進(jìn)行裝機(jī)。目前，我國(guó)積極開(kāi)展大型客機(jī)的自主研發(fā)，正向歐美發(fā)達(dá)國(guó)家追趕，攻克機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)中的核心技術(shù)已迫在眉睫。鈦合金管材是比較好的材料，飛機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為飛機(jī)的血管和肌肉，是飛機(jī)健壯體魄的標(biāo)志，其國(guó)產(chǎn)化程度直接影響著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目的推進(jìn)與發(fā)展。飛機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的附件設(shè)備都是通過(guò)液壓管路及管接頭連接，從而構(gòu)成一個(gè)封閉、完整的系統(tǒng)回路，系統(tǒng)中任何管路或管接頭的疲勞失效都可能對(duì)飛行安全及乘客生命造成威脅。因此，航空導(dǎo)管的疲勞試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)飛機(jī)的安全性能和使用性能具有重大意義。有研究人員對(duì)偏移控制盤(pán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在航空導(dǎo)管試驗(yàn)時(shí)提出適當(dāng)調(diào)節(jié)配重進(jìn)行質(zhì)量平衡，但未精細(xì)化計(jì)算所需要的配重質(zhì)量，這對(duì)航空導(dǎo)管彎曲疲勞試驗(yàn)的波峰峰值有一定影響。

本文作者針對(duì)某一型號(hào)航空導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)合公式計(jì)算結(jié)果，精確安裝導(dǎo)管，綜合對(duì)比添加鉛塊與未添加鉛塊后所獲得數(shù)據(jù)，并與理論值相比較，得出明確的結(jié)論，為類(lèi)似試驗(yàn)提供參考。

1 航空導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)原理

試驗(yàn)機(jī)的3個(gè)主軸通過(guò)同步帶輪與電機(jī)輸出軸相連，實(shí)現(xiàn)一變?nèi)囊患?jí)動(dòng)力分配，每根主軸的兩端又與撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相連，從而實(shí)現(xiàn)三變六的二級(jí)動(dòng)力分配。試驗(yàn)時(shí)，將導(dǎo)管組件連接在尾座與固支機(jī)構(gòu)上。利用該機(jī)構(gòu)的、、方向及周向自由度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)管件與頭座端的初始同軸狀態(tài)。在試驗(yàn)件規(guī)定的地方貼上應(yīng)變片，將杜邦線連接在數(shù)據(jù)采集卡上，使用LabVIEW測(cè)試軟件獲得應(yīng)變值。通過(guò)撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)管組件自由端施加一定的撓度，使得管組件固定端產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力通過(guò)應(yīng)變力綜合測(cè)試儀精確測(cè)定。偏心載荷施加完畢后，利用氣驅(qū)液體增壓裝置對(duì)試驗(yàn)管件內(nèi)部施加工作壓力后即可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)疲勞次數(shù)由主軸驅(qū)動(dòng)的同步帶傳動(dòng)裝置及減速裝置帶動(dòng)機(jī)械式計(jì)數(shù)器記錄。

2 航空導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 應(yīng)變值與撓度計(jì)算

根據(jù)HB 6442—1990《飛機(jī)液壓導(dǎo)管及連接件彎曲疲勞試驗(yàn)》，組合應(yīng)力由和組成：

=+

(1)

式中：為組合應(yīng)力；為內(nèi)壓力引起的應(yīng)力；為彎曲應(yīng)力。其中，、、公式如下：

(2)

(3)

式中：為材料強(qiáng)度極限；為管內(nèi)壓力；為導(dǎo)管外徑；為導(dǎo)管內(nèi)徑。所以在調(diào)節(jié)偏心時(shí)，彎曲應(yīng)變調(diào)節(jié)計(jì)算公式如下：

(4)

式中：為彈性模量。

計(jì)算自由端在調(diào)節(jié)偏心時(shí)的撓度，公式如下：

(5)

式中：為試件長(zhǎng)度；為慣性矩；為自由端外力，表達(dá)式為

(6)

式中：為導(dǎo)管外徑半徑，代入撓度公式得：

(7)

對(duì)于DN12鈦合金管，彈性模量、抗拉強(qiáng)度可由航標(biāo)查出;外徑12.0 mm；內(nèi)徑10.2 mm；試驗(yàn)件有效長(zhǎng)度(兩個(gè)套管內(nèi)側(cè)端面之間的距離)≈231 mm。

通過(guò)公式(4)得理論應(yīng)變值為1 350個(gè)微應(yīng)變，參考撓度為4.011 9 mm。根據(jù)理論撓度值，利用曲邊三角形的邊長(zhǎng)原理推導(dǎo)出偏移盤(pán)的偏移量。

偏移量也可以查詢表格，利用公式法求得。旋轉(zhuǎn)彎曲試件長(zhǎng)度可按表1選取。

表1 外徑與試件長(zhǎng)度關(guān)系

旋轉(zhuǎn)彎曲試件長(zhǎng)度可按下公式計(jì)算：

(8)

式中：為旋轉(zhuǎn)彎曲試件長(zhǎng)度，mm;為導(dǎo)管外徑，mm;為導(dǎo)管彎曲應(yīng)力，Pa;為導(dǎo)管材料彈性模量，Pa;為試驗(yàn)件偏移量，mm。

2.2 補(bǔ)償質(zhì)量計(jì)算

由于偏移盤(pán)的下移運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致偏移控制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量分布不均，因此需要計(jì)算在偏移盤(pán)反方向添加的鉛塊質(zhì)量，以平衡向心力。

得出偏移量后，需要計(jì)算偏移后的體積。文中采用建模計(jì)算的方法計(jì)算偏移后的體積。針對(duì)DN12鈦合金管，由前文給出的計(jì)算公式得出偏移量為6.30 mm，進(jìn)而得偏移體積=9.7 cm撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

質(zhì)量計(jì)算公式：

=

(9)

式中：為物體密度；為物體體積。

偏移盤(pán)為45鋼，密度為 7.85 g/cm，則可得出需要添加的鉛塊質(zhì)量為76.2 g。

3 添加鉛塊對(duì)波峰峰值的試驗(yàn)探究

根據(jù)前文計(jì)算所得數(shù)據(jù)，文中針對(duì)DN12進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)變片及設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.1 材料的準(zhǔn)備

選取DN12鈦合金導(dǎo)管，材料為T(mén)i-3Al-2.5V進(jìn)口料。導(dǎo)管內(nèi)部試驗(yàn)介質(zhì)為航標(biāo)規(guī)定的航空液壓油，規(guī)定試驗(yàn)工作壓力可由航標(biāo)查出，工作溫度為室溫。在高性能矢量型變頻器上調(diào)5 Hz，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1 000次，試驗(yàn)應(yīng)力水平為/4。

此次試驗(yàn)中主要設(shè)備為航空導(dǎo)管組件旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，需要?dú)怛?qū)液體增壓泵提供工作壓力。9237數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW軟件和NI Compact DAQ機(jī)箱，可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)測(cè)試;調(diào)試設(shè)備為高性能矢量變頻器。其中，高性能矢量型變頻器控制旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)變速;收集卡接收來(lái)自導(dǎo)管上的應(yīng)變片的變化數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)

在試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)裝，將數(shù)據(jù)線連接在收集卡上，給定規(guī)定的液壓壓力，使得導(dǎo)管可以保持保壓狀態(tài)。卸壓后對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行調(diào)零，將導(dǎo)管與尾座、偏移盤(pán)調(diào)在同一圓心處,目的是使它在零初始狀態(tài)，施加前文計(jì)算得到的偏移量(偏移盤(pán)向下運(yùn)動(dòng))，調(diào)節(jié)截止頻率，在高性能矢量變頻器上調(diào)節(jié)頻率為5 Hz，將波形曲線的坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)到位，保證從測(cè)試軟件中獲得與理論值相等的應(yīng)變值(1 350個(gè)微應(yīng)變)。待旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)工作穩(wěn)定后得到應(yīng)變值隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 應(yīng)變隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線

由圖2可以得到：添加鉛塊前，由于偏載的施加，撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布不均，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心振動(dòng)，應(yīng)變?cè)龇忍砑鱼U塊后大，出現(xiàn)波峰峰值為1 370個(gè)微應(yīng)變，明顯大于理論值，試驗(yàn)精度較低；添加鉛塊后，撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布均勻，波峰峰值數(shù)據(jù)與理論值相同。因此，該措施對(duì)于提高航空導(dǎo)管精確檢測(cè)具有積極作用。

4 結(jié)論

(1)本文作者針對(duì)DN12航空導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中附加鉛塊對(duì)導(dǎo)管波峰峰值的影響進(jìn)行了研究。采用理論分析計(jì)算出所需的數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)的方法進(jìn)行探究，試驗(yàn)過(guò)程中所添加的量嚴(yán)格按照計(jì)算結(jié)果施加，能較準(zhǔn)確地進(jìn)行導(dǎo)管安裝；

(2)根據(jù)施加偏載后測(cè)得的應(yīng)變以及施加偏載后添加鉛塊測(cè)得的應(yīng)變值與理論值相比較，未施加鉛塊所得的波峰峰值比理論值大，在添加鉛塊后波峰峰值與理論值相等，但添加鉛塊前后的應(yīng)變均在誤差范圍內(nèi)。若后續(xù)試驗(yàn)要求精度高，則視情況添加鉛塊；若要求精度在誤差允許范圍內(nèi)，則不需要添加鉛塊。研究結(jié)果為航空導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的精確檢測(cè)提供參考。