无扩口导管渗漏故障机理的研究

2017-07-02肖军雷石家庄海山实业发展总公司

航空维修与工程 2017年12期

■ 肖军雷/石家庄海山实业发展总公司

0 引言

某型飞机液压系统中大量使用了挤压式无扩口导管，在使用维护过程中经常出现低压静放时管套与管材间漏油、漏气现象，给地面保障增加了许多困难，同时也给飞行安全带来隐患。在对液压系统导管进行大修作业时发现渗漏油气故障的发生率平均在20%～40%之间，急需对其密封性能进行改进。

目前，国外挤压式无扩口导管主要以5052-O、Сr21Ni6Mn9等材料制造，已在波音737、波音747、洛克希德СSA、空客A320等飞机上大量使用。国内挤压式无扩口导管的管材主要为5A02-O和1Сr18Ni9Тi、Сr21Ni6Mn9等材质，规格涉及6～20mm，使用的机型并不多。该类型导管在前期制造过程中就已出现低压渗漏现象，由于预装工艺、材料加工等方面的缺陷导致该问题一直未能很好解决。

1 故障情况

无扩口导管按材料规格的划分见表1，渗漏主要集中出现在铝导管及12mm以下钢导管上。按渗漏类型划分，主要有低压渗漏、高压不渗漏和高压渗漏两种。按渗漏位置划分，主要有导管与管套间以及螺母与接头或螺母与管套间两类。

表1 某型机无扩口导管分布

根据大量修理实践，得出以下经验：

1）一般情况下漏油导管肯定漏气，但是漏气导管不一定漏油。

2）导管渗漏时，增大力矩不一定能排除故障。

2 无扩口导管密封原理分析

导管的密封性能取决于密封面的接触力，当其他因素不变时，接触力在密封面上力值最小的点或区域决定了导管的密封性能。该区域接触力越大导管的密封作用越好，在装配状态下，接触力出现减弱或消失的话，导管的密封作用相应减弱。

影响导管密封性能的可能因素如下。

1）原材料方面：管材尺寸精度及机械性能的差异。

2）零部件的加工工艺：管套、接头尺寸精度及其检验方式、方法。

3）零部件的预装工艺：挤压力和时间，胶套尺寸、管材尺寸精度与管套精度间的相互影响。

4）机上装配方面：装配应力、装配不当时部件的磨损、导管的拧紧力矩。

5）使用环境方面：导管工作的温度、压力及时间等。

3 无扩口导管渗漏原因分析

从外场选取了41根低压渗漏无扩口导管，分别对其外观尺寸、性能试验、密封性能等方面进行分析，寻找渗漏故障的发生规律。

3.1 外观尺寸

故障件的端头位置大部分尺寸没有发生明显变化，但管材伸出管套部分的外径较新品存在0.1～0.2mm的变形，且不同程度存在椭圆现象。这说明导管在安装使用过程中存在装配力矩过大和装配应力问题。装配力矩过大导致导管组件损伤，影响正常使用；装配应力导致导管在圆周方向上受力不均，易发生油气渗漏等故障。

3.2 气压泄漏及低压静放试验

按HB5966[1]使用最小拧紧力矩对导管进行最大安全使用压力下的气压泄漏试验，试验中有16根导管不渗漏，25根导管渗漏；渗漏导管中有11根管套松动，涉及材料为所有规格的铝导管及6～12mm钢导管。之后在导管内部充入15号航空液压油，保持内部压力0.1～0.3MPa，静放24小时，结果显示8根导管出现低压渗漏故障，其中5根导管的管套出现松动。

试验结果表明，外场发生渗漏的导管重新试验时，并不能做到故障的完全复现；相对于钢导管来说，铝导管更易发生管套松动问题；管套发生松动的导管试验时均复现渗漏故障。这些现象表明渗漏故障与使用环境有密切关系，在小（或无）应力和静载荷环境下更易保证密封。

3.3 密封性能

为定量研究导管的密封性能，引入最小拧紧力矩下的转动力矩T。管材与管套间的密封性能取决与两者间的接触状态，在同等接触面积上接触应力越大密封性能越好。从图1可以看出，在一定拧紧力的作用下，接触力N为接触应力P和接触面积S的积分：

图1 转动力矩测量方法

由摩擦力公式f=N·μ，可以得出管套相对管材转动时的力矩与管套、管材间的接触力N有如下关系：

式中，T为转动力矩；d为管材外径；μ为摩擦系数；P为接触应力；S为接触面积。

对导管的密封性能进行对比试验。将12mm铝导管故障件与新品按HB7000-2008[2]使用最小拧紧力矩12N•m拧紧，然后固定导管管材并在管套和管材间做出标记，使用力矩扳手缓慢转动接头，记录管套相对管材发生转动时的力矩大小。最后使用最大拧紧力矩24N•m再次拧紧导管，重复上述过程。测量数据见表2。

表2 导管的转动力矩

试验结果表明，故障件相对转动力矩平均仅为同类新品转动力矩的1/2～1/6，说明故障件的密封性能下降显著。试验结果还表明，简单地增大拧紧力矩不能显著提高故障件的密封能力。

对渗漏导管分析后发现，管口位置均不同程度地变形，且存在椭圆问题。转动力矩约为新品的1/2～1/4。进行气压泄漏试验及静放试验，渗漏情况与外场相似，但无管套松动故障。

可以看出，导管在装配过程和使用过程均有渗漏发生，渗漏现象基本一致。综合以上分析结果，确认无扩口导管渗漏的主要原因就是装配和使用过程中导管与管套间的接触力逐渐减小，当接触力过小时即出现可用手转动的现象。

由无扩口导管连接特性可知，导管预装成形后管套与管材间普遍存在不同程度的弹性变形与接触应力。从接触应力在使用过程中逐渐减小这一现象可知，产品尺寸设计、装配及使用维护等环节均存在不同程度的缺陷才导致这一问题反复、大面积发生。

4 验证

4.1 装配对导管渗漏的影响

为分析管套与管材间的接触力，使用abaqus6.11有限元软件分析装配对6mm钢导管接触应力的影响。管套弹性模量为186Gpa，泊松比0.3，管材弹性模量为206GPa，抗拉强度550MPa，泊松比0.3，拧紧力矩14.6 N•m。

图2中显示的是在21.3N•m拧紧力矩下导管与接头装配分解后管套与管材间的等效塑形应变。可以看出管套左端挤压管材使管材发生部分塑性变形，管套与管材间出现间隙，两者间的接触力从最高的711N降低为0N，说明装配对导管有损伤作用。

图2 分解后等效塑形应变分布

使用6mm钢导管新品进行两组试验。第一次，使用最小力矩拧紧，然后松开，靠近管套前端的导管外径比没有装配前大约小0.02mm；第二次，选用最大力矩拧紧导管，松开后导管外径比装配前大约小0.1mm。选取同规格故障件沿导管轴向进行剖切并抛光，可以看出管套与管材的相对位置关系发生偏离，中间出现缝隙，这些缝隙就是导管渗漏的通道。

装配过程中，如果管材的弹性不好且操作者有使管套与管材相对转动的习惯，管套会反复不均匀地挤压导管，使导管与管套局部相互位置发生变化，两者间的接触面积和接触力随之发生改变，也就改变了导管组件制造后的状态，容易发生渗漏。