止动钉断裂失效分析

2019-06-03陈文举

装备制造技术 2019年2期

陈文举，李博

（中航飞机起落架有限责任公司，陕西汉中723200）

0 引言

螺栓在飞机上的使用量很大，主要用于紧固和连接。1个螺栓断裂，严重时将危及飞机的安全，可见螺栓的作用不仅重要，而且非常关键[1]。某型号飞机前起落架上固定凸轮与活塞杆的3个止动钉发生断裂。该止动钉（见图1）材料为30CrMnSiA，主要制造工艺流程：领料→钳工→分光→热处理→车工→铣工→钳工→磁粉探伤→总检→称重→化学氧化→成检→防护入库。本文通过对止动钉断口进行外观检查，断口宏观、微观分析，显微组织检查、硬度检测，在此基础上确定了止动钉断裂的性质和原因。

图1 止动钉数模

1 试验过程及结果

1.1 宏观检查

外观检查，固定上凸轮与活塞杆的3处止动钉全部断裂，上凸轮螺纹孔被破坏，螺纹孔两侧（上凸轮周向）存在突起，见图2。拆卸下来的断裂止动钉见图3，止动钉被切断成两截，断面磨损严重发亮，未见明显断裂特征（全被磨损），止动钉螺纹部分切断尾端可见有另一切口。止动钉头部分弯曲变形严重。

图2 止动钉断裂与上凸轮破坏形貌

图3 断裂止动钉形貌

1.2 微观观察

电镜下观察，断面绝大部分为磨损破坏，在断口的近边缘部分为可见条带形貌特征，条带宽度约0.1 mm，大部分磨损区域中可见剪切韧窝，见图4。

图4 断口形貌特征

1.3 化学分析

在已断裂的止动钉内部取样进行化学分析，结果（质量分数）见表1。止动钉化学成分符合GB/T3077-2015的要求。基本判断止动钉材料为30 CrMnSiA。

表1 已断裂的止动钉化学成分（质量分数，%）

1.4 显微组织检查

将显微硬度测试后的试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后观察，止动钉显微组织为回火索氏体加少量残余奥氏体，无冶金缺陷（见图5）。

图5 止动钉显微组织形貌

1.5 硬度测试

取1个断裂止动钉，镶嵌后磨制显微试样，进行显微硬度测定，转换成洛氏硬度，为HRC36.6、HRC37.1、HRC35.6，平均值 HRC36.4，符合 HRC35～41的技术要求。

2 受力分析

如图6所示，当缓冲器内部的凸轮机构在未完全脱开的情况下，起落架操纵前轮转弯，活塞杆组件沿顺时针或逆时针方向转动时，在上凸轮与下凸轮接触区域存在垂直于凸轮型面的力F。

图6 止动钉等装配示意图

如图7所示，止动钉受力与凸轮型面的力相同，均力F，通过对力F进行分解，产生两个方向的分力：F1为沿活塞杆外圆切线力，F2为沿活塞杆轴线力。当强行转弯外载较大的情况下，F1产生的剪切力会将止动钉剪断。

图7 止动钉受力分析

3 分析与讨论

止动钉用合金分析仪进行成分鉴定，基本断定为30CrMnSiA，制作显微试样，进行显微硬度测定并换算成洛氏硬度为HRC36.4合格，显微组织为回火索氏体加残余奥氏体，无冶金缺陷，止动钉材质合格。

30CrMnSiA具有较高的强韧性，良好的抗疲劳性能和断裂韧度和低的疲劳裂纹扩展速率，正常情况下不容易断裂[2]。3个止动钉连接处的上凸轮螺纹孔被破坏，螺纹孔两侧（上凸轮周向）存在突起，同时止动钉螺纹部分切断尾端可见有另一切口，表明止动钉与上凸轮周向两个方向受力，受力过大并导致上凸轮孔壁附近变形凸起。止动钉断面磨损严重发亮，断裂形貌特征不明显，止动钉头部分弯曲变形严重，表明止动钉断裂过程受力很大。

电镜观察，断面绝大部分为磨损破坏，在断口的近边缘部分可见条带形貌特征，大部分磨损区域中可见剪切韧窝，未磨损区域基本为剪切韧窝。

综合分析，止动钉材质正常，止动钉与上凸轮变形较大，断口以剪切韧窝为主，近边缘部分可见少量条带形貌，止动钉断裂原因初步判断为缓冲器内部的凸轮机构在未完全脱开的情况下，受左、右两个方向较大强行转动外力，经历多次作用使上、下凸轮相互挤压，导致止动钉受剪切力而断裂。也就是说，这是一种操作失误引发的人为偶发事故，最终导致了止动钉的断裂。在采取防错设计及对操作人员培训后，截止目前为止共交付部队该型机13架，未发生类似故障。