某型飞机座舱盖操纵作动筒损伤分析及应对

皮月亮， 祖挥程， 李永彬， 孙同明

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241007）

0 引言

作动筒是飞机上常用的功能附件。根据工作需要内部可带机械锁或无机械锁。机械锁可在某些位置使作动筒可靠固定，以保障飞机飞行、地面停放与地面维护人员的安全。例如：起落架放下时，作动筒需要锁定支撑起落架。部分产品需要在正常工作时依靠机械锁进行锁定，应急工作时需要解锁。常见的作动筒机械锁为钢珠锁、卡簧锁[1]。卡簧锁由卡簧、弹簧、锥体、衬套等组成。卡簧是弹性的，在上锁状态下，由锥体将弹性卡簧限制在衬套内，实现锁定连接。当锥体在气压或液压作动筒下移动后，卡簧在外力的作用下从衬套内脱出，完成开锁。

某型飞机座舱盖操纵作动筒用于飞机座舱盖的开启和关闭，应急时对座舱盖进行抛放。该作动筒为两腔结构，分为气压腔和液压腔，两腔之间通过卡簧锁进行锁定[2]。正常工作时气压腔活塞杆与液压腔活塞杆在卡簧的连接下实现同步运动，应急工作时需要将气压腔活塞杆与液压腔活塞杆分离，满足气压腔活塞杆的单独工作。

某座舱盖操纵作动筒进行试验过程中出现异常撞击声，造成产品拉伤，轴承安装孔出现变形。分析发现：产品试验过程中，在检查作动筒开锁力试验时，将作动筒在试验台架上安装后，直接向气压腔加压；在弹性锁钩开锁前，作动筒的气压腔活塞杆与气压腔保持锁定状态，由于气压腔活塞杆的行程大于液压腔的行程，在卡簧锁开锁后气压腔活塞杆还有可运动行程，在开锁后气压的作用下，活塞杆的运动对盖造成了撞击[3]。为分析该作动筒的受力及损伤情况，本文采用实物对比分析法与Abaqus有限元仿真法进行了系统的研究。

1 结构与工作原理

该座舱盖操纵作动筒由液压腔、气压腔及弹性卡锁等组成。用来操纵座舱盖的开启、关闭或到达任一行程，正常情况下靠压缩氮气驱动，在气动系统无压力时，也可用手动（液压）来操纵。在应急情况下，可抛掉座舱盖（如图1）。

图1 产品工作原理

座舱盖操纵作动筒用来移动座舱盖，作动筒的一端固定在座舱盖后隔板的支架上，另一端连接在舱盖连接装置上，作动筒为双腔式，中间端盖将筒体分为液压腔和气压腔两部分，液压腔的工作介质为液压油，气压腔的工作介质为压缩氮气，可通过压缩氮气打开座舱盖或应急抛放座舱盖。

图2 产品结构图

作动筒的活塞杆也由两部分组成，由夹簧连接。液压腔工作杆是空心结构，其中一端为活塞，另一端固定着夹簧，由螺帽保险，气压腔工作杆上装有活塞。为使活塞密封，在活塞上装有密封碗。活塞杆内装有衬套，止动器用螺帽固定在衬套内，限制闭锁锥体的运动。锥体由弹簧压紧，活塞杆通过接耳连到连接装置上。

2 故障分析

2.1 试验过程

在进行夹簧锁的调整试验时，试验要求为：连接试验台，拉出活塞杆至伸出位置，用液压油充满作动筒液压腔，向接管嘴缓慢输入气压，调整弹簧初始张力，检查弹簧卡头锁在此压力范围内应打开，可根据响声和压力表的抖动及插销的顶出来确定。

在进行产品试验时，将作动筒安装到试验安装架上，将盖通过销子固定在试验安装架上。向作动筒液压腔加液压油放出活塞杆，液压腔活塞杆放出到极限位置后，向作动筒的气压腔接管嘴加气压来检测夹簧锁的开锁力[4]。在向管嘴加的压力达到2.7 MPa时，夹簧锁出现开锁。

在夹簧锁开锁后，气压腔活塞杆与液压腔活塞杆分离，由于作动筒气压腔的行程大于液压腔的行程[5]。在液压腔活塞杆放出到极限位置的情况下，气压腔活塞杆没有放出到极限位置，距离放出到极限位置有65 mm的运动行程，在气压的作用下，气压腔活塞杆运动撞击到盖上。由于作动筒盖仅通过销子与试验安装架相连，活塞杆撞击产生的力全部传递到盖上，造成盖拉伤，轴承安装孔出现变形损伤（如图3）。

2.2 故障力学计算

2.2.1 作动筒受力计算条件

1）忽略作动筒移动直至撞击过程中所受的摩擦力；2）忽略作动筒移动直至撞击过程中试验台对作动筒持续补充的气压；3）将作动筒非密闭腔体部分默认为始终与大气压保持一致，约为P0=0.1 MPa（101 kPa）；4）作动筒移动过程中的动态过程以全过程中首末位置的平均值计算。

2.2.2 受力计算

移动的作动筒组合件质量m=2.12 kg，作动筒压力腔原始压力P1=2.7 MPa。

作动筒压力腔原始体积V1=S1·L1=π（R2-r2）·L1=1616453 mm3。式中：S1为活塞杆受气压面积，S1=π（R2-r2）；R为外筒半径；r为活塞杆半径；L1为气压腔长度。

作动筒移动后腔体压力增大的体积V2= S2·L2=πR2·L2=302527 mm3。式中：S2为活塞杆开锁后气压面积，S2=πR2；R为外筒半径；L2为开锁后气压腔移动长度。

图3 轴承安装孔处拉伤变形情况

气体状态方程为

式中：P为压强；V为气体体积；T为绝对温度；C为常数。

所以作动筒移动撞击到壳体时，腔内的气压P2为

1）静态作用力计算。

作动筒移动前，作用在活塞杆上的压力F1=(P1-P0)·S1=12101 N。式中，S1为活塞杆受气压的面积。作动筒移动后，壳体受到的静态压力F2=(P2-P0)·S1=10100 N。不考虑气体泄漏的情况下，F2即为冲击后作动筒受到的静态压力。

2）动态作用力计算。

盖的材料为2D70铝合金锻件，在瞬间的冲击力作用下产生变形。

3 仿真分析

为验证理论分析结果，同时分析活塞杆撞击对作动筒上其他零件的损伤，拟对盖、外筒、外壳组成的装配体进行受力仿真分析。通过上述计算可知作用在盖上的力F=15612 N,盖的材料为2D70，其材料属性如表1所示。

表1 2D70材料属性

因为本模型结构体其空间结构不规则，因此在有限元模型网格划分时相关部件的单元类型使用实体单元Solid45。

本文分析的是作动筒这样一个复杂的装配体，因此首选自由网格划分方式。对于尖角、孔等一些划分不理想的部位，则采用映射网格划分。根据上述方法生成的外筒有限元模型的单元总数为467 664，节点总数为678 180，图4是作动筒网格划分完的有限元模型。

根据产品试验过程中的安装连接方式，约束施加在作动筒耳环孔与试验台架的安装连接处，外载荷主要来源于作动筒和活塞杆的撞击力，利用惯性载荷的方式施加重力场，施加一个和重力指向方向相反、大小一致的加速度。具体载荷施加方向和施加点如图4所示。

图4 网格划分

通过有限元分析法得到作动筒的应力云图。由应力云图可知，其应力最大部位出现在作动筒约束部位，在约束部位受到持续外载荷时，约束部位为结构薄弱点，最易受到破坏（如图5）。

图5 应力分布云图

4 产品故障检查及修复论证

通过对产品的分解检查及与产品的有限元仿真数据[7]，该作动筒在开锁试验应力最大部位为作动筒与试验台连接盖部位（约束部位），需重点检查盖的损伤情况。

为检查产品具体损伤情况，对产品进行分解，重点检查受活塞杆气压冲击影响的盖、圆筒、外筒及壳体的损伤及变形情况。采用放大镜目视检查、尺寸测量的方法，检查零件的外表面有无损伤、圆筒及外筒有无变形、螺纹连接部位有无损伤；检查后发现，圆筒、外筒及壳体均无明显的表面损伤，盖的轴承安装孔部位出现3 mm的变形（与试验仿真结果一致），采用荧光探伤的方法检查未变形零件有无裂纹情况发生，未发现零件裂纹。

对损伤变形的盖进行更换，在不安装内部密封件的情况下重新恢复作动筒的装配，检查作动筒在运动过程中的灵活性[8]，目视检查零件是否出现变形。恢复产品装配。为避免气压腔开锁后的气压撞击情况，设计制作了在液压腔活塞杆完全放出情况时的安装固定架车（如图6）。检查在液压腔运动到极限位置后，活塞杆的运动采用架车进行固定，限制气压腔在开锁后出现撞击情况。

图6 试验架车

5 结论

1）通过产品受力计算、实物状态检查，座舱盖操纵作动筒试验损伤主要原因为：在进行卡簧锁开锁力试时，由于液压腔与气压腔活塞杆的行程差，导致在开锁后气压腔活塞杆在气压的作用下对筒体造成撞击，从而导致损伤。2）采用有限元仿真模块，仿真分析了气压腔开锁后活塞杆的冲击造成的产品应力情况。由仿真结果可知，试验过程中对活塞杆不固定，仅对盖进行固定时，盖部位最易受到破坏。3）为保证夹簧锁试验过程的安全，避免对产品的破坏，采用专用架车对气压腔活塞杆的运动固定限位。4）在涉及气动及气动开锁类产品试验验证时，一定要预判产品试验过程可能存在的风险，避免造成零件损伤。