某直升机主起刹车装置固定螺栓断裂分析

郭跃东，李建伟，朱小平，贾梦梦

(陆装驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333002)

0 引言

机轮刹车是飞机刹车系统核心构件，是最主要、应用最广泛的刹车装置之一。驾驶员通过刹车系统控制刹车装置，进行飞机的减速、着陆、转弯等标准动作。

某型机牵引时，机轮刹车装置的固定螺栓断裂，导致主起落架机轮刹车装置脱落。该固定螺栓用于固定刹车静盘和刹车动盘。从现场反馈照片来看，螺栓从螺纹根部断裂(如图1所示)。

图1 断裂螺栓

下部两个螺栓明显弯曲，与之对应的螺栓安装孔内衬套及轴座上有明显刮痕；上部两个螺栓未变形，附近结构无异常；刹车装置下端有冲击坑，深度大约2 mm，直径约6 mm。故障发生时，驾驶舱人员在位，机轮刹车为松刹状态，牵引程序正常，未有其他异常情况。

1 故障分析

分析认为，造成刹车装置固定螺栓断裂的原因可能有传力不合理、选材不合理、强度不足、材料有缺陷等8种情况，具体分析如下：

1)“传力不合理”排查情况

查阅图纸分析，刹车装置正常使用时，机轮通过摩擦力将载荷传递至刹车缸体，刹车缸体通过四根连接螺栓将载荷传至主起缓冲支柱，此时螺栓主要受剪切作用，传力路径清晰，载荷分配合理；同时查阅了类似刹车结构的机型的外场使用状况，未出现螺栓断裂情况，故排除了传力不合理的可能。

2)“强度不足”排查情况

直升机刹车时，刹车力矩通过摩擦力传递至刹车安装装置上，再通过4个M8螺栓传递至轮轴上，其受力示意图见图2。

图2 刹车装置安装受力示意图

刹车力矩(≤4400 Nm)通过刹车片上的摩擦力平衡。假设其等效作用线在刹车片中线处，等效载荷为，由于刹车片中线位置距离刹车安装面尚有距离，还将产生附加弯矩。该载荷将通过刹车装置与轴座连接的4个M8螺栓平衡。

(1)

该载荷在上下两排螺栓上均分，则单个螺栓剪切载荷：

(2)

该剪切载荷产生的附加弯矩：

(3)

上述附加弯矩通过上下两排螺栓拉-压平衡，单个螺栓受拉载荷：

在螺栓收口区，主要承受拉载荷，其应力为：

(4)

在安装面，主要承受拉-剪复合载荷。受剪载荷产生的剪切应力：

(5)

受拉载荷产生的拉应力：

(6)

考虑拉-剪复合：

(7)

裕度：

(8)

螺栓承受拉剪组合，连接螺栓的最小安全裕度为0.18。正常使用下，螺栓强度足够，故排除了强度不足的可能。

3)“材料有缺陷”排查情况

原材料经入厂检验程序，检验结果合格。对故障螺栓进行理化分析结果见表1，检测结果符合原材料1Cr17Ni3A的技术要求，故排除了材料有缺陷的可能。

表1 化学分析结果wt(%)

4)“制造有缺陷”排查情况

对螺栓生产产家的追溯核查结果，该断裂螺栓各个生产工序与蓝图上要求完全一致，故排除了制造有缺陷的可能。

5)“外力冲击”排查情况

经调查，当天直升机使用过程中起落30余架次，未出现撞击等异常现象，任务结束后刹车处于松开状态正常牵引，在牵引和刹车掉落期间也未出现撞击等异常情况。对起落架双刹车装置进行拆解，在起落底部螺母上有磕痕如图3。经测量，刹车缸体上凹坑尺寸与螺母磕痕一致。通过现场比对分析认为，凹坑是螺栓断裂后，直升机进行平台着陆时，机轮带动刹车缸体整体绕轮轴转动，转动时刹车缸体与起落架底部的固定螺母发生磕碰产生的，如图4所示。故排除了外力冲击的可能。

图3 刹车缸体凹坑

图4 刹车缸体与螺母碰撞示意图

6)“未按要求使用刹车”排查情况

经调查，当天直升机只进行了平台着陆飞行训练的任务，着陆之前将主机轮刹住，符合飞行手册平台着陆操作要求。故排除了未按要求使用刹车的可能。

7)“选材不合理”排查情况

固定螺栓材料为1Cr17Ni3A。查询《中国航空材料手册·第一卷》，材料1Cr17Ni3A的可使用的强度区间：880～1080 MPa，980～1180 MPa，≥1350 MPa，在1180～1350 MPa之间存在空档。对于图纸要求的1275±100 MPa，有部分落在1180～1350 MPa之间，因此在1275±100 MPa区间使用1Cr17Ni3A可能不合理。故选材不合理可能是造成事故的因素之一。

8) “热处理工艺不合理”排查情况

经复查螺栓热处理工艺文件，螺栓热处理工艺要求的1125～1375MPa在《中国航空材料手册·第一卷》中未列出，故热处理工艺不合理可能是造成事故的因素之一。

2 机理分析

2.1 微观分析

通过上述故障分析，初步认定“螺栓选材不合理”及“热处理工艺的回火温度区间选择不合理”是造成故障的原因。将两件断裂螺栓进行微观检测，其端口微观形貌结果如图5所示。

图5 人工打开断口微观形貌

1)断口微观形貌均为沿晶形貌特征，与断裂部位的断口微观形貌一致，可进一步确定失效件断裂性质为沿晶脆性断裂。

2)失效螺栓热处理回火温度落在了1Cr17Ni3A不锈钢的回火脆性区间，建议避开该区间的回火温度，选择该温度区间外能满足设计要求的回火温度。

2.2 螺栓载荷分析

该机型直升机着陆工况分为悬停着陆、滑跑着陆、平台着陆和着舰，其中滑跑着陆及平台着陆需要操纵刹车。滑跑着陆前刹车处于松开状态，着陆后在地面滑行时，适时使用刹车减速。此时，刹车装置固定螺栓载荷随刹车力矩增大而增加，如遇紧急刹车制动，刹车力矩变化剧烈，螺栓可能会受到冲击载荷。直升机平台着陆前需将主机轮停机刹车刹住，下滑进场，再慢慢垂直下降，主机轮、前机轮依次接地。此时主机轮为抱死状态，机身为抬头姿态，落地瞬间，机身有向前滑行趋势，导致刹车装置固定螺栓受到来自地面的冲击载荷。冲击载荷大小与触地前的速度和抬头角有关。

2.3 热处理工艺分析

针对断口分析结论，对刹车装置安装螺栓的热处理工艺进行分析，螺栓选用材料为1Cr17Ni3A-退火-L12.0 辽新2-5008，抗拉强度为1275±100 MPa，生产过程的热处理条件为淬火1020 ℃/50 min/油冷+回火525 ℃/90 min/空冷。

查阅《中国航空材料手册·第一卷》可知，1Cr17Ni3A材料在400～600 ℃之间回火时，其低温冲击韧性会急剧下降，说明此温度下材料的抗冲击能力偏低。采用460～530 ℃这一档温度回火对应的冲击韧性较低，而通过对比不同冷却介质的影响，采用空冷方式回火，材料的冲击韧性最差。此时该材料的冲击韧性偏低，容易脆断。

该型机机轮双刹车装置固定螺栓断裂原因是螺栓强度值要求为=1275±100 MPa时选择1Cr17Ni3A不合理，同时加工制造时热处理工艺选择不合理，选取了回火温度490～530 ℃，并选用了空气作为冷却介质，材料的抗冲击能力偏低，受冲击载荷作用发生脆断。

3 改进方案

针对螺栓断裂问题，确定改进措施如下：

1)对出现断裂的螺栓进行更换，外场加强主起刹车装置固定螺栓的检查。

2)为有效避开热处理脆性区，提出更换材料的方案。直升机起落架上中已经成熟应用的超高强度钢30CrMnSiNi2A，拥有好的塑性和韧性，良好的抗疲劳性能和断裂韧度、低的疲劳裂纹扩展速率，不存在回火脆性的缺陷，且已用于制造机翼主梁、机翼中央翼的带板和缘条、对合接头螺栓等。为满足使用要求，螺栓可选用与起落架外筒相同的超高强度钢30CrMnSiNi2A。此材料的疲劳性能及冲击韧性相比1Cr17Ni3A显著提升，且加工工艺简单。通过更改材料提高性能，避免某型直升机主起刹车装置固定螺栓断裂的风险。