附加铅块对航空导管旋转弯曲疲劳试验波峰峰值的影响

张凌云，罗祥瑞，何建冬，石绍秋

(1.沈阳航空航天大学，航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，辽宁沈阳 110136;2.国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241000)

0 前言

航空导管是飞机液压系统介质传输和能量传送的重要通道，导管的断裂和泄漏将直接影响作动性能和飞机的安全性。近些年，航空业对于导管的疲劳性能提出了更高要求，不仅要求导管有极强的抗疲劳性能,而且还要有较长的寿命。据统计，液压导管的质量占液压系统总质量的30%～35%，几乎分布在飞机机体的各个部分，系统中任意一根导管的损坏都可能造成液压系统的重大事故。因此，对各厂家生产的导管进行精确的检测则尤为重要。检测的精确性直接关系到后续安装在飞机上的使用情况，若检测没有达到合适的误差范围内，疲劳检测不达标，应用到飞机上会产生极大的安全隐患。20世纪，工程师们就意识到了航空导管的疲劳问题。1975年SUNAMOTO提出导管材料的热疲劳概念，1988年ZELIZKO和SWAIN探讨了复合材料对旋转弯曲疲劳的影响。国内学者也对航空导管进行了研究。1980年常龙生阐述了飞机液压导管疲劳试验方法。2005年程纯娟介绍了无扩口导管装配技术，对导管疲劳试验做出了补充。2020年姜子晗等研究了随机振动下装配误差对液压导管疲劳寿命的影响。朱峰等人针对航空导管弯曲试验的疲劳裂纹萌生寿命进行了探究，总结了多种疲劳裂纹形式。航空导管作为重要附件装置，液压管路系统如同“心血管”一样为航空发动机输送介质，同时又是一个典型的动力支撑系统。因此，液压管路系统对整个结构系统运行和飞机安全性、可靠性起到重大作用。由于航空液压管路系统内部具有高压力和工作条件差(高温、振动环境)等特点，导致管路裂纹或破损成为发动机故障最主要的原因之一。因此前期的航空导管检测显得尤为重要，只有检测符合航空标准后才能进行装机。目前，我国积极开展大型客机的自主研发，正向欧美发达国家追赶，攻克机载设备及系统中的核心技术已迫在眉睫。钛合金管材是比较好的材料，飞机液压传动系统作为飞机的血管和肌肉，是飞机健壮体魄的标志，其国产化程度直接影响着我国大飞机项目的推进与发展。飞机液压传动系统中的附件设备都是通过液压管路及管接头连接，从而构成一个封闭、完整的系统回路，系统中任何管路或管接头的疲劳失效都可能对飞行安全及乘客生命造成威胁。因此，航空导管的疲劳试验检测对飞机的安全性能和使用性能具有重大意义。有研究人员对偏移控制盘进行了设计，在航空导管试验时提出适当调节配重进行质量平衡，但未精细化计算所需要的配重质量，这对航空导管弯曲疲劳试验的波峰峰值有一定影响。

本文作者针对某一型号航空导管的旋转弯曲疲劳试验，结合公式计算结果，精确安装导管，综合对比添加铅块与未添加铅块后所获得数据，并与理论值相比较，得出明确的结论，为类似试验提供参考。

1 航空导管旋转弯曲疲劳试验原理

试验机的3个主轴通过同步带轮与电机输出轴相连，实现一变三的一级动力分配，每根主轴的两端又与挠度调节机构相连，从而实现三变六的二级动力分配。试验时，将导管组件连接在尾座与固支机构上。利用该机构的、、方向及周向自由度的调节，实现试验管件与头座端的初始同轴状态。在试验件规定的地方贴上应变片，将杜邦线连接在数据采集卡上，使用LabVIEW测试软件获得应变值。通过挠度调节机构对试验导管组件自由端施加一定的挠度，使得管组件固定端产生弯曲应力，该应力通过应变力综合测试仪精确测定。偏心载荷施加完毕后，利用气驱液体增压装置对试验管件内部施加工作压力后即可进行旋转弯曲疲劳试验。旋转疲劳次数由主轴驱动的同步带传动装置及减速装置带动机械式计数器记录。

2 航空导管旋转弯曲疲劳数据计算

2.1 应变值与挠度计算

根据HB 6442—1990《飞机液压导管及连接件弯曲疲劳试验》，组合应力由和组成：

=+

(1)

式中：为组合应力；为内压力引起的应力；为弯曲应力。其中，、、公式如下：

(2)

(3)

式中：为材料强度极限；为管内压力；为导管外径；为导管内径。所以在调节偏心时，弯曲应变调节计算公式如下：

(4)

式中：为弹性模量。

计算自由端在调节偏心时的挠度，公式如下：

(5)

式中：为试件长度；为惯性矩；为自由端外力，表达式为

(6)

式中：为导管外径半径，代入挠度公式得：

(7)

对于DN12钛合金管，弹性模量、抗拉强度可由航标查出;外径12.0 mm；内径10.2 mm；试验件有效长度(两个套管内侧端面之间的距离)≈231 mm。

通过公式(4)得理论应变值为1 350个微应变，参考挠度为4.011 9 mm。根据理论挠度值，利用曲边三角形的边长原理推导出偏移盘的偏移量。

偏移量也可以查询表格，利用公式法求得。旋转弯曲试件长度可按表1选取。

表1 外径与试件长度关系

旋转弯曲试件长度可按下公式计算：

(8)

式中：为旋转弯曲试件长度，mm;为导管外径，mm;为导管弯曲应力，Pa;为导管材料弹性模量，Pa;为试验件偏移量，mm。

2.2 补偿质量计算

由于偏移盘的下移运动，导致偏移控制盘转动时质量分布不均，因此需要计算在偏移盘反方向添加的铅块质量，以平衡向心力。

得出偏移量后，需要计算偏移后的体积。文中采用建模计算的方法计算偏移后的体积。针对DN12钛合金管，由前文给出的计算公式得出偏移量为6.30 mm，进而得偏移体积=9.7 cm挠度调节机构模型如图1所示。

图1 挠度调节机构

质量计算公式：

=

(9)

式中：为物体密度；为物体体积。

偏移盘为45钢，密度为 7.85 g/cm，则可得出需要添加的铅块质量为76.2 g。

3 添加铅块对波峰峰值的试验探究

根据前文计算所得数据，文中针对DN12进行试验，并对应变片及设备进行升级，确保试验的准确性。

3.1 材料的准备

选取DN12钛合金导管，材料为Ti-3Al-2.5V进口料。导管内部试验介质为航标规定的航空液压油，规定试验工作压力可由航标查出，工作温度为室温。在高性能矢量型变频器上调5 Hz，应力循环次数为1 000次，试验应力水平为/4。

此次试验中主要设备为航空导管组件旋转弯曲疲劳试验机，需要气驱液体增压泵提供工作压力。9237数据采集卡、LabVIEW软件和NI Compact DAQ机箱，可实现高精度数据测试;调试设备为高性能矢量变频器。其中，高性能矢量型变频器控制旋转弯曲疲劳试验机的电机，可实现电机的无级变速;收集卡接收来自导管上的应变片的变化数据。

3.2 试验

在试验开始前，对试验导管进行预装，将数据线连接在收集卡上，给定规定的液压压力，使得导管可以保持保压状态。卸压后对导管进行调零，将导管与尾座、偏移盘调在同一圆心处,目的是使它在零初始状态，施加前文计算得到的偏移量(偏移盘向下运动)，调节截止频率，在高性能矢量变频器上调节频率为5 Hz，将波形曲线的坐标轴调节到位，保证从测试软件中获得与理论值相等的应变值(1 350个微应变)。待旋转弯曲疲劳试验机工作稳定后得到应变值随时间的变化如图2所示。

图2 应变随运行时间的变化曲线

由图2可以得到：添加铅块前，由于偏载的施加，挠度调节机构的质量分布不均，旋转产生偏心振动，应变增幅比添加铅块后大，出现波峰峰值为1 370个微应变，明显大于理论值，试验精度较低；添加铅块后，挠度调节机构的质量分布均匀，波峰峰值数据与理论值相同。因此，该措施对于提高航空导管精确检测具有积极作用。

4 结论

(1)本文作者针对DN12航空导管旋转弯曲疲劳试验中附加铅块对导管波峰峰值的影响进行了研究。采用理论分析计算出所需的数据，结合试验的方法进行探究，试验过程中所添加的量严格按照计算结果施加，能较准确地进行导管安装；

(2)根据施加偏载后测得的应变以及施加偏载后添加铅块测得的应变值与理论值相比较，未施加铅块所得的波峰峰值比理论值大，在添加铅块后波峰峰值与理论值相等，但添加铅块前后的应变均在误差范围内。若后续试验要求精度高，则视情况添加铅块；若要求精度在误差允许范围内，则不需要添加铅块。研究结果为航空导管旋转弯曲疲劳试验的精确检测提供参考。