某型飞机用缓冲蓄压器橡胶膜片开裂问题研究

2020-02-11党井卫汪赵宏傅宇铭

机械工程师 2020年1期

党井卫, 汪赵宏, 傅宇铭

（中航飞机起落架有限责任公司，长沙410200）

0 引言

某型飞机用缓冲蓄压器研仿苏联某型飞机产品，研仿时，由于缺乏技术数据并受试验条件限制，未进行充分的鉴定试验。该产品安装在发动机架撑杆内，其所处的环境较为复杂，受振动、高（低）温、压力脉冲的综合作用，而现有技术条件规定的试验项目，并不能综合考核产品的环境适应性。实测数据显示，蓄压器安装剖面最高温度可达107.7 ℃，即使产品在符合图样、技术状态及各项试验合格的条件下，装机后却频现橡胶膜片开裂的问题。

针对缓冲蓄压器膜片开裂问题，笔者对产品材料，以及加工、装配和试验等工艺环节进行了多次复查，均未发现质量不稳定问题，产品设计的技术状态也未发生变化。经研究和讨论，确定通过设计新型试验台控制系统模拟该产品的真实使用环境，对其进行了故障复现，通过综合分析产品结构、使用环境条件和失效模式，认定该橡胶膜片存在固有的设计缺陷，无法满足使用条件要求，故需重新研制新型膜片，通过对橡胶膜片进行仿真分析，选取3组不同加工工艺的橡胶膜片进行试验验证，有效解决了该故障，并在其它类似故障中成功应用。

1 技术分析

1.1 结构

缓冲蓄压器结构如图1所示，该产品主要由液压管路接头、上端盖、橡胶膜片、螺栓、下端盖、充气活门等组成，橡胶膜片通过上端盖及下端盖压紧，可将油液与气体隔离，并通过27个圆周均布的螺栓固定，形成两个容积各约为180 mL的容腔，其上端盖通过液压管路接头连接液压泵，下端盖连接充气活门，用于充入所需的氮气。

图1 缓冲蓄压器结构

1.2 工作原理

如图1所示，该缓冲蓄压器在使用过程中，气压腔通过氮气瓶充入6 MPa的气压，用于缓冲压力脉动，液压腔通过管路接头连接液压泵机构，当飞机液压泵工作时，会产生15.2 MPa左右的压力脉动，油液通过管路接头进入上腔，由于橡胶膜片和下腔氮气的缓冲作用，可以快速吸收该压力脉动，从而起到稳定系统压力的作用。

1.3 故障分析

该产品的橡胶膜片开裂常见情况如图2所示，可以很明显看到在膜片周边有裂口出现，并且膜片老化现象较为严重。通过对多个不同批次出现开裂故障的膜片胶料进行复查，复验结果均为合格，膜片成型工艺控制和质量检验结果符合技术规范要求，蓄压器装配工艺和出厂试验要求也未发生变化。通过失效分析，得知橡胶膜片使用后硬度增加，膜片开裂起源于气腔一侧表面，由于胶料老化、疲劳造成开裂。

图2 橡胶膜片开裂常见情况

经实测，发动机舱内蓄压器所处剖面实测最高温度可达107.7 ℃，使用前后的缓冲蓄压器如图3、图4所示，对比可明显看出使用后的蓄压器标牌脱落，色泽变化明显，该现象是由于经受高温原因所致。而缓冲蓄压器技术条件中规定的工作温度范围为-45～+60 ℃，厂内验收试验及每年的例行试验均按此温度范围进行。因此，缓冲蓄压器原设计输入条件无法满足使用环境要求。

该缓冲蓄压器橡胶膜片的材料为丁腈橡胶，按材料规范，虽然可在高于100 ℃条件下间断工作，但由于橡胶膜片属于受力复杂的特殊密封件，受热后容易老化失效，由此分析可得出膜片受热老化是造成开裂的主要原因。

图3 新安装的蓄压器

图4 使用后的蓄压器

1.4 方案确定

通过故障分析得知膜片开裂问题的原因所在，因此需根据该产品工作原理，设计一套试验台控制系统，通过模拟其真实使用环境，进行故障复现，并通过仿真分析选取不同工艺的膜片进行试验验证，进行膜片优化选型。

通过该产品首翻期的起落次数，折算首翻期工作循环总次数为21 164次，如表1所示，试验分4个阶段进行，各阶段试验分别在高温、常温和低温条件下进行，高温循环次数占总循环次数比例50%，常温占比40%，低温占比10%。试验中橡胶膜片是否开裂需可通过气腔、液腔压力变化情况进行判断。

表1 试验循环表

2 试验台控制系统设计

该试验台控制系统需真实模拟所需环境温度，并且能够真实模拟压力脉动情况，基于此，该试验台液压系统原理如图5所示，试验中所需系统压力、流量由厂内高温清洗车（方框A）提供，可提供0～22 MPa的压力，流量4 ～32 L/min连续可调，试验件所需环境温度由厂内三综合环境试验箱提供，可提供-70 ～+150 ℃的温度范围。方框B中通过电磁换向阀、两个作动缸等提供升压、泄压的循环，试验中可同时对两件产品进行试验，交替供/泄压；压力、温度传感器分别通过四通接头置于被试件两腔，实时监控被试件状态；压力、温度传感器数值通过Dewesoft的8通道采集器进行采集，并实时显示压力、温度参数及曲线等。

图5 液压系统原理图

3 膜片选型

根据上述真实的试验条件进行有限元分析，如图6所示，将产品简化模拟为通过上表面及下表面形成的空腔模型，导入abaqus软件中，将下表面约束固定，于上表面施加15.2 MPa的压力，如图7所示，其仿真结果如图8所示，可知其薄弱位置在边缘处，中间位置有轻微变形。

据此仿真结果，制定了3种方案的膜片：方案1为丁腈橡胶(NBR)配方加单向尼龙骨架布置模型；方案2为丁腈橡胶(NBR)配方加双向尼龙骨架布置模型，其中各向骨架间角度为90°；方案3为丁腈橡胶(NBR)配方加四向尼龙骨架布置模型，其中各向间角度为45°，如图9所示，其中每组方案各选取两个膜片。

图6 模型简化示意图

图7 约束及施加方式示意图

图8 仿真结果

图9 尼龙骨架布置模型示意图

4 试验验证

试验中每次选取两个试验件交替进行工作循环试验，以防止偶然误差，试验件安装方式如图10所示，按表1内容进行试验，将两件蓄压器充压至6 MPa压力，每次工作循环通过加压作动筒给试验件液腔加压至15.2 MPa，待试验件油、气腔压力平衡并保持一定时间后泄压至0（此过程总时间为（15±5）s）。然后在卸压状态保持（15±5）s，再进行下一次工作循环。试验过程中随时记录试验箱内温度、试验件液腔和气腔的温度、压力。

首先选取原胶料膜片（丁晴橡胶）进行试验，在第一阶段高温充泄压工作试验进行了1032次后，采集仪显示试验件在卸压状态下液压腔和气压腔压力相等 (4.7 MPa)，分解发现两件橡胶膜片周边损伤穿透，故障复现。