某型IDG缸筒更换衬套的安全性验证

段斐翡

摘要：对波音737飞机IDG缸筒在更换衬套修理后的安全性进行了分析研究。根据材料力学原理，对缸筒内部柱塞孔进行力学分析，计算出缸筒修理前后的安全系数，再计算出衬套安装后的保持力安全系数，通过对凹槽加固作用后的安全性系数的分析对比，验证了缸筒更换衬套修理方案的合理性，最后经过装机测试验证了缸筒修理后的安全性。

关键词：缸筒；衬套更换；应力分析；安全系数

Keywords：cylinder；bushing replacement；stress analysis；safety factor

1 研究背景

本文主要研究件号为PN764635缸筒。该缸筒用于空客A318 /319/320/321系列、A340-200/300/500/600系列、波音737系列飞机的IDG上。缸筒是IDG的子部件泵和马达组件（见图1）上的一个部件[1]。

泵和马达组件为差动组件提供调速，它们一起将IDG输入的转速转换为恒定的输出速度。泵和马达组件采用滑靴-柱塞结构，由固定的液力组件（包含一个固定斜盘和一个拥有九个柱塞孔的缸筒）、一个分油盘、可变的液力组件（包含一个可变斜盘和一个拥有九个柱塞孔的缸筒）和齿轮轴组成[2]。

缸筒是一种斜盘式轴向柱塞泵，靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔内的容积，实现吸油和排油。一方面柱塞与缸体一起旋转，沿缸体平面做圆周运动，另一方面柱塞又相对缸体做往复直线运动[3]。图2所示缸筒都有9个柱塞孔，衬套位于孔的内壁。

在使用过程中，衬套可能会发生磨损。根据手册要求，小的磨损（约0.5mm）经过珩磨后可以继续使用。但是当IDG的TSR（修理后使用时间）超过10000小时以上时，拆下的缸筒衬套基本已经不能再继续使用。某公司2019年完成IDG修理157件，其中50件涉及缸筒磨损超标，报废后更换新缸筒62件（每台IDG装两个缸筒），申购新缸筒共花费477万元。为了节约成本，需要对衬套进行更换修理研究。

2 缸筒更換衬套的修理方案

3 缸筒更换衬套后的安全性计算

由于该缸筒修理手册中并未给出针对衬套更换的修理方案，而此类损坏是很常见的损伤，因此，参考CCAR-43附录E，对比一般修理及重要修理判定要求（见表1），确定缸筒更换衬套修理为一般修理。此类修理要求，修复后的缸筒由于修理前后重量相同，因此在重量和平衡方面的影响可以忽略；修复后的零件尺寸与原件一致，因此在上一级组件上的操作或性能影响可以忽略；修复后的零件在冶金、尺寸上也与原件相同，修理对与其他修理、部件配合和材料的相容性影响可以忽略。修理前后唯一变化的是衬套进行了拆下和安装的机加工工序，因此只需要验证修理前后缸筒本体及衬套在相同作用力下的运行是否安全即可[5]。

由于是超规范修理，且CCAR-25R4中关于验证计算没有规定固定的验证方法，因此，根据机械加工特点，本文使用材料力学计算分析安全系数的方法，以应力判断为依据，对修理前后的安全系数进行对比，来验证修理方案的可行性。

安全系数是进行机械等工程设计加工时，为了防止因材料的缺点、工作的偏差、外力的突增等因素所引起的后果，理论上设定的工程受力部分能够承担的力必须大于实际承担的力，即极限应力与许用应力之比为安全系数[8]。安全系数考虑了计算载荷及应力准确性、机件工作重要性以及材料的可靠性等因素影响机件强度的裕度，其值应大于等于1。下面分别就缸筒本体以及衬套修理的安全系数进行计算分析。

3.1 缸筒及衬套的材料

依据CCAR-25R4第25.603有关材料的相关规定，对安全性有不利影响的零件所用材料的适用性和耐久性必须符合经批准的标准（如工业或军用标准，或技术标准规定），保证这些材料具有设计资料中采用的强度和其他性能。该缸筒本体材料为ASTM A681 A6工具钢[6]，屈服强度为264ksi，参数如图4所示。缸筒衬套的材料为C93700铅锡青铜[7]，屈服强度为20ksi，参数如图5所示。

3.2 缸筒本体安全系数计算

首先通过三坐标测绘，以及厂家的相关资料，确定缸筒的详细尺寸及修理限制尺寸。

3.4 缸筒安全性计算小结

通过以上工程应力计算，确定缸筒的设计安全系数FS为17.40，修复过程的安全系数FS为15.92。在安装套筒之前，修复FS在设计FS的8%以内。

根据缸筒内壁凹槽直径，计算出修复安全系数是14.22，在安装衬套之前，该系数在设计安全系数FS的18%以内。考虑到安装衬套后的滚压因素，此安全系数是可以接受的。

以上衬套保持分析的计算表明，设计安全系数FS为31.08，修复过程的FS范围为20.09（有凹槽）和24.78（无凹槽）。无凹槽修补FS在设计FS的20%以内。对于开槽壁，该比率较小。以上过程，验证了该修理的合理性。另外，衬套经过滚压处理，耐磨性得到提高的同时疲劳强度也会增加，从而更加耐疲劳，更加耐表面压力。

4 测试验证

该缸筒的修理属于简单修理，前面已经对修理后缸筒的安全性进行了计算验证。为了更进一步验证其安全性，将修理后缸筒装上其上级组件IDG后，对IDG进行反复台架测试，得到的测试数据均在手册要求范围内。其中，IDG的PMG频率约1199.2HZ，线电压约92.66V，线电流约3.91A；开路状态检测电压实测值约115.13V，励磁电流达到5A时，电压约158.4V；电流互感器检查，调速器调节和冲压检查，频率调节测试，发电机负载检查等数据参数均满足手册要求。验证了该修理方案的安全性。

参考文献

[1] Hamilton-Sundstrand CMM 24- 14-17 [Z]. Latest Revision.

[2] Hamilton-Sundstrand CMM 24-14-21 [Z]. Latest Revision.

[3] 袁合.斜盘式轴向柱塞泵关键零部件结构优化设计[D].合肥：合肥工业大学，2014.

[4] B&E Aircraft Component Repair Drawings and Documents as indicated [Z].

[5] Engineering Resource [OL]，www.engineeredge.com.

[6] Standard specification for tool steels alloy ASTM-A681 [S].

[7] Standard specification for C93700[S].

[8] 翟培祥.斜盘式轴向柱塞泵设计[M]. 北京：煤炭工业出版社，1978.