某直升机回中机构凸轮锈蚀解决方案

陈翔

摘  要：针对某直升机回中机构凸轮在盐雾试验中出现锈蚀问题，采用了故障树对潜在的故障原因进行逐条排查，完成了故障原因定位。依据金属腐蚀机理，对已定位的故障原因完成了凸轮锈蚀机理分析，进一步确认了导致凸轮锈蚀的本质原因。根据故障机理分析结果和其他型号研制经验，选用含铬量更高、防腐性能更好的沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb进行了凸轮改进设计。改进后的凸轮通过了盐雾试验验证。

关键词：直升机;盐雾试验;锈蚀;故障分析

中图分类号：TH112.2                文献标志码：A

0 前言

直升机具有不依赖机场跑道垂直起降、空中悬停、前后左右飞行、超低空飞行等特点，能完成其他航空器、武器和交通工具难以完成的任务，具有不可替代的重要作用。在军事应用上，直升机可用于战场低空快速打击、后勤保障以及战场救援;在民用方面，直升机可用于近海石油平台作业、医疗救护、森林防火、地质勘探等20多个领域。直升机大范围使用，要求直升机具备高低温、高湿、盐雾等环境适应能力。在进行某直升机回中机构盐雾试验时，凸轮出现锈蚀问题。凸轮锈蚀会导致直升机回中机构功能失效，影响直升机出勤效率。为了解决凸轮锈蚀问题，特对该问题进行故障分析，并通过试验验证改进措施的有效性。

1 回中机构的概述

某型直升机采用后三点布局，起落架由2个主起落架和一个尾起落架构成。尾起落架由摇臂、缓冲器、轮叉、回中机构、机轮、轮胎和尾轮锁等组成。为保证直升机在空中或者着陆时尾机轮始终处于中立位置，需要通过尾轮锁将尾轮锁定在中立位置。由于尾起落架不具有转向控制功能，直升机在起飞前，尾轮可能不在中立位置，导致无法锁定尾轮，使直升机不能按时起飞。

为提高出勤效率，某型直升机尾起落架设计有回中机构。回中机构用于直升机离地后转尾轮自动回中，以实现尾轮锁定。回中机构主要由驱动组件、和凸轮组成，其中凸轮通过插销安装于轮叉上，驱动组件安装于摇臂上，如图1所示。在尾轮偏转情况下，驱动组件通过凸轮给尾轮一个回中力矩，将尾轮驱动到中立位置。当尾轮处于中立位置时，尾轮锁上、下锁孔对齐，尾轮锁可以通过插销将尾轮锁定在中立位置。

2 凸轮锈蚀故障分析

回中机构在进行盐雾试验时，凸轮出现比较严重的锈蚀问题，如图2所示。金属零件的腐蚀是指零件和周围介质接触时发生化学或电化学作用引起的一种破坏现象。按腐蚀机理分类，金属腐蚀一般分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。从图1可知，凸轮安装于为尾起落架外部，与大气环境直接接触。凸轮在安装时，采用密封胶与轮叉进行了接触隔离。凸轮选用4Cr13不锈钢制造，表面经钝化处理。根据凸轮设计情况和金属腐蚀机理，通过故障树的形式列出可能导致凸轮锈蚀的原因，如图3所示。

2.1 选材不合理

凸轮采用选用含铬量为12%～14%、高硬度、耐磨不锈钢4Cr13。飞机设计手册第10册推荐：不锈钢零件需要较高的耐腐蚀性能时，一般应该选择含铬13%以上的材料。存在凸轮选用的材料防腐能力不足导致凸轮在盐雾环境锈蚀的可能性。

2.2 结构设计不合理

凸轮结构敞开，并设计有排水孔，不会大量积留腐蚀介质，且凸轮设计有尖边倒圆，凸轮表面质量要求合理。结合凸轮锈蚀状况看，凸轮光滑平面和曲面也锈蚀，排除结构设计不合理导致凸轮锈蚀。

2.3 制造材料不合格

用于生产凸轮的材料4Cr13来自于合格材料供应商，且材料需进行了入厂复验，材料合格后才用于零件生产。可以排除制造材料不合格导致凸轮锈蚀的原因。

2.4 加工工艺不合理

经核查凸轮加工工艺路线，凸轮表面处理安排在所有机加工序后，不存在表面钝化层不被机加工破坏的可能，保证了凸轮的环境防护能力。凸轮热处理按航空用不锈钢热处理标准进行，钝化处理质量控制执行不锈钢酸洗钝化质量检验标准。核查凸轮整个加工工艺路线和每道加工工序的结果表明，凸轮加工工艺路线安排合理，可以排除加工工艺不合理导致凸轮锈蚀的原因。

2.5 发生接触腐蚀

凸轮在进行盐雾试验时未和其他零件进行接触，可以排除接触腐蚀导致凸轮锈蚀的原因。

2.6 试验条件不合理

盐雾试验的条件按GJB150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》中的有关规定执行，鹽雾试验机处于校准期内，可以排除试验条件不合理导致凸轮锈蚀的原因。

3 凸轮锈蚀机理分析

凸轮采用材料4Cr13不锈钢，钝化处理。在盐雾环境下，氯离子本身不能直接渗透不锈钢钝化膜，但是由于水蒸气和氯离子吸附在不锈钢表面，从微观角度来看，微观区域间成分的不均匀性，容易形成多个微电极，当区域电极存在一定电位差以及凹凸不平的表面形成电解液时，则在不锈钢表面容易形成许多微小的原电池。原电池中作为负极的金属或金属氧化物失去电子被氧化，形成阳离子进入溶液。随着钝化层逐渐溶解，电阻变小（钝化层有一定的电阻），电流变大，腐蚀加速，空气中的氧气和水蒸气中的氯离子同时进入不锈钢裸露面。当铁原子的溶解速度不足完全消耗电解液中渗透的氧气时，则在不锈钢表面仍能形成防护层，表现出一定的防锈能力。当铁原子的溶解速度完全消耗电解液中渗透的氧气生成氧化亚铁时，不锈钢由于没有氧化层阻挡，微电池腐蚀直接与裸露金属接触，腐蚀金属基体。

不锈钢的主要化学成分是Fe、Ni、Cr、C。其中Cr电位值较低，容易与氧结合形成氧化层，氧化层势能较高，电阻也较大。因此含Cr成分较高的不锈钢表面的氧化层的耐腐蚀性能较好。因此Cr含量不高的不锈钢可能在盐雾环境下发生锈蚀。

综上所述，回中机构盐雾试验发生凸轮锈蚀的原因为：凸轮选用的不锈钢材料4Cr13耐盐雾腐蚀能力不足，在盐雾环境下会发生锈蚀。

4 改进措施及试验验证

依据上述故障原因定位和机理分析，凸轮需要选用含铬量更高的不锈钢制造。根据其他型号研制经验，高强度沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb含铬为15%～17%，已应用于制造飞机零件，防护能力较强，并通过了盐雾试验验证。采用不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb来制造凸轮，可满足凸轮高硬度、耐磨和耐腐蚀性要求。改进后的凸轮重新进行了盐雾试验，如图4所示，试验结果满足试验合格判据要求。

5 结论

通过对凸轮锈蚀问题故障分析，完成了凸轮锈蚀故障定位和相关机理分析，确定了4Cr13含铬量不高导致凸轮锈蚀。通过采用含铬量更高的沉淀硬化不锈钢可满足凸轮高硬度、耐磨和耐腐蚀性要求。改进后的凸轮通过了盐雾试验，能满足产品环境适应性要求。综上所述，在进行直升机外露、无喷漆要求不锈钢零件设计时，应选用含铬量较高的不锈钢材料，以避免出现零件锈蚀问题。

参考文献

[1]飞机设计手册总编委会.飞机设计手册14分册——起飞着陆系统设计[M].北京：航空工业出版社，2002.

[2]李慕勤，李俊刚，吕迎，等.材料表面工程技术[M].北京：化学工业出版，2010.

[3]飞机设计手册总编委会.飞机设计手册10分册——结构设计[M].北京：航空工业出版社，2002.

[4]GJB150.11A—2009.军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验[S].北京：总装备部军标出版社发行部，2009.

[5]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社，2004.