航空扩口管接头渗漏机理及应急修补工艺研究.pdf

:./.航空扩口管接头渗漏机理及应急修补工艺研究范翔宇王勇超杨武飞杨 杰(.西南交通大学 力学与航空航天学院四川 成都 .航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司四川 成都)摘 要:航空扩口导管主要应用于飞机液压系统、燃油系统、气压系统等是飞机上气体和液体运输的主要载体 导管会经历高温、高寒、高压以及压力变化频繁等情况且时常伴有振动、弯曲、冲击等外部环境因此经常会在管接头部位出现渗漏现象 该文针对航空扩口导管渗漏问题分析了扩口导管接头的渗漏机理提出了一种内部使用自融合硅橡胶胶带形成封闭层外部使用纤维增强复合材料补强的复合式应急修补方法并通过实验验证了方法的可靠性为解决航空业中高压导管的渗漏问题提供了一定的参考关键词:导管渗漏扩口导管应急修补中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.().):.:引 言航空扩口式导管主要应用于飞机燃油系统和液压系统中它是运输各种液体和气体的载体 航空扩口式导管在飞机上的服役过程中会受到温度变化、压力变化以及弯曲、振动等外部条件的影响外部因素可能导致扩口式管接头部位出现渗漏现象如果不及时解决将会影响整个系统的正常运行甚至导致严重的后果当出现渗漏情况时通常采用更换导管的处理方法该方法不仅成本高而且时间周期长尤其是在战时状态下更不适用若能采取一定的应急修补方法可以对出现渗漏的导管进行应急修补则能够延长渗漏导管的服役时间大大增强飞机的作战能力 同时一些导管的工作压力越来越大更高的工作压力在提升飞机性能的同时也对应急修补方法提出了新的要求 此外飞机上的导管排布紧密导管之间的空间狭小所以还需要考虑到修补方法的可操作性对此笔者针对航空扩口导管管接头的渗漏问题进行了机理分析提出了一种复合式应急修补工艺并通过相关的航空导管试验验证了该应急修补方法具有良好的应急修补效果 所提方法达到了技术要求具有一定技术优势:能在狭小空间进行修补修补周期短修补时不破坏管道系统原有结构 航空扩口管接头渗漏原因分析.航空扩口式导管结构航空导管的连接形式主要有扩口式连接、记忆合金连接和法兰连接等其中扩口式连接是目前飞机液压系统中应用最为广泛的连接方式 航空扩口式导管连接部件主要有扩口导管、扩口导管接头、外套螺母和平管嘴各个部件模型图如图 所示实物如图 所示 连接导管时在外套螺母上施加一定的拧紧力矩产生轴向预紧力外套螺母通过平管嘴把轴向机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:作者简介:范翔宇()男四川达州人硕士研究方向:力学与航空航天预紧力传递到导管扩口端进而使得管接头锥面与导管扩口端内表面紧密结合在导管与管接头之间形成面密封达到密封的效果图 航空扩口式导管连接模型图图 航空扩口式导管连接实物图.渗漏机理分析飞行器在实际飞行过程中的服役条件相当复杂液压系统中的导管同样也具有非常复杂的服役条件当飞机处于不同的飞行状态时(比如起飞、爬升、巡航、着陆等过程中)液压系统的供油压力、油温等环境因素也有很大差别这些因素也增加了导管发生渗漏的可能性 因此保证扩口式导管的密封性是非常重要的.由于导管的周期性振动导致的疲劳失效机械设备在其服役过程中会不断受到交变载荷的作用在交变应力的作用下产生的振动破坏被称为疲劳疲劳破坏是目前各种机械设备结构中最常见的结构失效原因之一 早在 世纪初就有相关学者对材料的疲劳强度进行了理论研究 首先使用旋转疲劳试验机对疲劳现象进行了理论研究提出了 疲劳寿命曲线和疲劳极限的概念总结了疲劳破坏的强度理论基础模型 等从微观结构的角度出发进行研究发现长期承受交变应力将会导致微观结构发生变化并且指出微观晶粒的不均匀性是疲劳裂纹的萌生机理造成航空导管振动主要有两种因素:导管产生受迫振动飞机其他部件(发动机液压泵等)发生振动以及飞行过程中受到外界环境因素(气流等)影响而发生振动从而使导管发生受迫振动液压系统中油泵向管道内部泵油时会产生脉动应力进而导致导管产生振动 唐有才等指出航空液压导管破坏实际上是一种疲劳破坏因为液压导管在实际工况下必然存在交变载荷的作用并通过理论分析指出导管连接接头的端部、弯曲部位等最容易发生破坏 张凌云等对航空导管接头进行了随机振动试验和弯曲疲劳试验发现疲劳裂纹由导管与管套连接处产生并延展 振动在导管工作过程中是不可避免的因此对应的应急修补方法必须要具有一定的抗震能力.导管的初始装配应力过大导致材料损坏飞机中液压导管的布局错综复杂在导管的装配过程中总会出现一定的安装参数误差而这些误差就会造成装配预应力影响导管的正常工作最后导致导管发生渗漏 傅国如等通过观察损伤导管疲劳区域的宏微观特征发现导管装配应力大是导致导管疲劳裂纹早期萌生的主要原因 随后在高压油的冲击以及飞机振动产生的脉动应力作用下裂纹加剧进而导致飞机液压导管的破坏 程小勇等对较大安装应力、无安装应力、较小安装应力进行了仿真分析以及实验验证结果表明安装应力对管道的模态频率有较大的影响 郑世伟等利用 软件研究了拧紧力矩对无扩口导管接头处的密封性能影响并且以密封面宽度作为评价指标得到最佳安装力矩於为刚通过三维模型研究了装配应力对管道密封特性的影响规律认为扩口管路密封性能的影响因素包括表面质量、密封面宽和密封比压 陈芝来建立二维模型对扩口式管接头结构进行仿真分析以接触应力分布为评价指标研究了拧紧力矩对密封性能影响 因此导管的初始装配应力应该处于一个合理的范围才能保证导管具有一定的密封性 应急修补工艺研究.修补工艺原理此研究针对航空扩口管接头处渗漏问题提出了内部使用自融合硅橡胶胶带形成封闭层外部使用碳纤维增强复合材料补强的复合式应急修补方法 并针对不同工作环境下的导管提出了如图 所示的修补工艺方法图 修补方法示意图 图 中贴壁层是为了创造一个封闭空间以延缓导管内油液的持续渗漏为外层封堵工艺的实施创造固化条件增强层是为了给内部加压补强以提供强度和刚度增强层材料采用的是碳纤维复合材料能够很好地承受内压从而达到对贴壁层补强的目研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用的保护层的目的是防止环氧树脂脆性脱落保证管路系统的正常工作贴壁层材料采用的是自融合硅橡胶基于其胶粘剂的压敏特性在缠绕时可以将其相互搭接并在接触时施加一定压力就可以完成粘接另外硅橡胶胶带具有很好的延展性这两种性质相互配合便可以解决航空管接头处导管到外套螺母再到管接头处的具有非常不规则的表面问题和变径问题从而使得贴壁层与管接头表面紧密贴合 此研究所使用的硅橡胶的拉伸强度为.断裂伸长率为 具有良好的耐候性(耐高、低温)不与导管内的液压油发生反应.修补工艺应用实例针对导管尺寸为.扩口式不锈钢导管接头处渗漏的导管进行应急封堵步骤如下()硅橡胶胶带内层密封 将硅橡胶胶带拉伸并搭接缠绕在管接头表面尽量使得其与管接头表面贴合并包裹至距管接头两侧 处从而完成贴壁层缠绕密封如图 所示()碳纤维丝缠绕加强 将碳纤维丝缠绕于贴壁层表面如图 所示 图 贴壁层实物图 图 碳纤维缠绕实物图 ()夹具注环氧固化 将环氧树脂、固化剂、碳纤维粉按照 的质量比混合后注入模具中常温 即可固化完成 图 为模具夹持示意图图 为模具夹持实物图图 为修补完成实物图图 模具夹持示意图图 模具夹持实物图 图 修补完成实物图 修补性能评价航标中对航空液压导管和管接头的相关性能试验方法有相应的规定将 根修补完成后.不锈钢扩口式导管试验件进行编号如图 所示然后设置不同的工作压力按照航标相关试验要求进行修补性能评价试验验证修补方法的可行性和可靠性图 修补试验件实物图.耐压试验航空管接头的耐压试验是管接头组件做其他试验前或生产导管及管接头组件时的一种基本试验按照航标规定将试验件连接到液压泵上使试验件另一端自由活动 按 倍工作压力进行耐压试验保压时间 不允许有渗漏现象 试验数据如表 所列修补后的试验件未出现渗漏或破坏情况验证了应急修补工艺方法满足耐压试验要求表 试验件耐压试验数据表试验件编号修补前渗漏量/(/)试验压力/试验结果.未渗漏.未渗漏.未渗漏.液压脉冲试验液压脉冲试验用于检验航空管接头组件在液压压力循环或压力冲击作用下的使用寿命 将修补试验件按照航标规定的最小拧紧力矩连接液压站之后按其规定的顺序进行试验最终得到表 相关数据 试验数据表明所提出的应急修补方法具有一定的承受液压脉冲的能力能够满足渗漏导管的应急修补要求表 液压脉冲试验数据表试验件编号工作压力/渗漏时间点/脉冲次数 .连接强度试验连接强度试验用于检验航空管接头组件是否可以承受使用中的轴向负荷作用 将修补试验件连接到液压站上然后装到拉伸试验机上在修补试验件机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验保持工作压力的同时使试件进行拉伸试验观察达到最小轴向拉力时修补件是否发生渗漏 试验结果如表 所列验证了修补试验件满足连接强度试验的要求表 连接强度试验数据表试验件编号工作压力/最小轴向拉力时是否渗漏否否否.热冲击试验热冲击试验用于检验管接头或接头组件中的流动流体温度在极限范围变化时是否发生渗漏 将修补试验件安装至冷实验箱中将冷试验箱的温度降至 并保持 然后在此低温下排放掉冷试验液 在另 内向导管内充入 热试验液 然后加压至导管规定的耐压压力保压 观察修补试验件是否发生渗漏 最终试验结果如表 所列证明修补试验件满足热冲击试验的要求表 修补试验件热冲击试验数据表试验件编号工作压力/是否渗漏否否否.弯曲疲劳试验弯曲疲劳试验用于检验管接头组件在系统压力作用下处于循环弯曲应力状态时的使用寿命 将修补试验件连接液压站并充油固定在弯曲疲劳试验台上保持导管恒压为工作压力然后粘贴应变片调整试验参数进行试验 试验结果如表 所列结果表明修补试验件具有一定的抗循环弯曲应力的能力但是工作压力越高修补试验件的承载能力越差表 弯曲疲劳试验数据表试验件编号工作压力/转 速/(/)渗漏时间点/结 语文中针对航空扩口式导管接头处出现渗漏的情况进行研究通过对扩口导管管接头的渗漏机理的分析提出了一种内部使用自融合硅橡胶胶带形成封闭层外部使用碳纤维增强复合材料补强的复合式应急修补方法 使用该方法对发生渗漏的.的不锈钢扩口式导管进行了修补工艺的实施并对修补试验件进行了耐压试验、液压脉冲试验、连接强度试验、热冲击试验以及弯曲疲劳试验试验结果证明了这种应急修补方法起到了良好的应急修补效果 所提应急修补方法具有可操作性强、修补周期短、修补时不破坏管道系统原有结构、修补效果较好的技术优势 但是根据目前的试验结果来看这种修补方法对于超过 的高压情况下的渗漏修补还需要进一步优化参考文献:衡波志.飞机液压系统连接件及管路的有限元仿真分析.南京:南京航空航天大学.():.高镇同熊峻江.疲劳/断裂可靠性研究现状与展望.机械强度():.():.唐有才马乃苍房学祥 等.飞机液压导管破裂故障分析及措施.航空工程与维修():.张凌云周 帅孟伟琪等.记忆合金接头航空导管随机振动实验研究.中国工程机械学报():.张凌云周 帅赵天章等.钛合金无扩口导管接头旋转弯曲疲劳试验与断口分析.中国工程机械学报():.傅国如陈 荣吕凤军等.发动机燃油供油导管断裂失效分析.失效分析与预防():.程小勇陈 果刘明华等.初始安装应力对管道固有频率的影响分析及试验验证.中国机械工程():.郑世伟丁晓梁红琴等.无扩口导管拧紧力矩对其密封性能的影响.润滑与密封():.於为刚.装配应力对飞机管路密封性能的影响分析及其检测方法研究.南京:南京航空航天大学.陈芝来.航空发动机管路连接件典型结构密封性能研究.上海:上海交通大学.航空液压导管和接头试验方法.航空液压软管、导管和接头组件脉冲试验方法.扩口管路连接件通用规范.飞机液压导管及连接件弯曲疲劳试验.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用