油滤固定支座裂纹故障分析及预防措施

时间：2024-07-28

刘学文张峰

（国营芜湖机械厂，芜湖 241007）

1 故障概况

某型飞机高压油滤支座发生多架次裂纹故障，部分油滤支座甚至发生穿透性裂纹，且裂纹均位于支座相同位置。故障件材料为ZL116，主要用于大负荷工程结构件，具有良好的铸造性能和较高的力学性能，抗腐蚀性好，在飞机上应用广泛，外形如图1所示[1]。

图1 支座部位示意图

2 故障分析

2.1 工作环境

故障油滤支座用于固定液压系统高压油滤，油滤内承受28 MPa的工作压强。支座通过4件螺栓固定在壁板上。高压油滤通过3件直径为D8螺栓固定在支座上，进出口连接2根导管，导管直径为D18，壁厚为1.8 mm，通过锁紧螺母连接在油滤管接头上，如图2所示。

图2 油滤及支座安装示意图

2.2 故障件安装环境检查

通过对断口分析可知，故障件失效原因为疲劳断裂。为进一步分析支座裂纹产生的原因，检查高压油滤和固定支座安装环境[2]。如图3所示，将油滤固定支座离位检查，裂纹部位的支座厚度、加强筋等尺寸与4号、5号、6号固定点处尺寸相同；检查4号～7号固定点凸台高度情况，其中7号固定点凸台比4号、5号、6号凸台高1 mm左右；液压导管1与油滤间存在较大的安装应力，导管和管接头不同心度有2 mm左右。

图3 支座固定点示意图

为确定导致支座裂纹的主要原因，采用有限元分析软件，从支座凸台高度和导管安装应力两个方面分析裂纹的产生原因。

2.3 有限元分析

支座材料为ZL116，力学性能见表1[3]。支座三维模型，如图4所示。根据可能原因分析，在4～7号孔增加螺钉进行限位和约束，支座选择ZL116材料，螺钉使用结构钢材料。采用体网格划分，网格大小为1.0 mm，结果如图4和图5所示。

图4 支座建模

图5 网格划分

表1 力学参数

2.3.1 不考虑导管安装偏心的前提下的分析

将底板进行固定约束，对6号、7号孔螺栓施加预紧力，对4号、5号螺栓施加1 mm位移。关于6号、7号孔的预紧力，根据《螺栓螺纹拧紧力矩》（HB 6586—1992），抗拉强度为1 080 MPa的M8×1螺栓的推荐拧紧力矩为（16.4±1.6）N·m（抗拉）、（10±1）N·m（抗剪）。拧紧力矩与螺栓轴应力之间的关系为[4]

式中：F为轴向力；d2为螺纹中径，7.35 mm；φ为螺纹升角，0.043 3 rad；ρ为当量摩擦角，0.227 0 rad；μ为摩擦系数，0.2；D为螺栓端面摩擦接触外直径，17 mm；d为螺栓端面摩擦接触内直径，9 mm。经计算。轴向力为4 313.7 N。

施加如图6所示的约束进行计算，计算完成后隐藏背板和螺栓，得到支座的形变云图如图7所示，应变云图如图8和图9所示。

图6 约束情况

图7 整体形变情况

图8 6号孔支座表面应力分布

图9 7号孔支座表面应力分布

根据静强度应力云图可以看出，支座最大应力点在7号孔支座处，局部最大应力为442.67 MPa，超过ZL116的极限载荷350 MPa。7号孔处应力分布整体比6号处大，7号孔支座应力多处超过材料拉伸和剪切应力，即7号孔支座处在消除底座高度差后有局部细小裂纹断裂，在工作过程承受振动等影响直接扩展断裂。7号孔制作应力分布条线与断裂断口一致。

2.3.2 连接导管安装应力的影响

模拟导管应力安装影响，根据导管与管接头2 mm不同心度测量偏心力约300 N，施加载荷后约束如图10所示，仿真结果如图11所示。

图10 增加偏心力约束情况

图11 整体应变情况

增加导管偏心造成的载荷后，支座孔7断裂处最大应力位置不变，但最大值应力值增大约6%，即导管的偏心造成的偏心载荷或偏心力矩会加大局部最大应力值。