圖 1開裂導管的宏觀形貌
飛機液壓系統是以液壓油為工作介質，通過油壓驅動執行機構，進而完成飛機所需特定操作的。液壓系統中的導管可以保證液壓油在液壓系統內部有序流動、實現特定的操縱功能。液壓導管的距離長、接頭多、形狀復雜，內部液壓油壓力高、外部振動環境復雜，導致導管在使用中易發生開裂、斷裂事故，并導致液壓油泄漏，嚴重影響飛行安全[1-5]。
某型飛機在飛行過程中，其液壓系統告警。飛機著陸后對其進行地面檢查，發現液壓系統安全活門供壓導管接頭處開裂，液壓油泄漏。供壓導管材料為1Cr18Ni10Ti不銹鋼，規格為8 mm×0.8 mm（外徑×壁厚），抗拉強度要求不小于550 MPa，總使用時長約23 h。筆者采用一系列理化檢驗方法查明了安全活門供壓導管的開裂原因，以防止類似故障再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂導管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：安全活門供壓導管一端與四通接頭連接，另一端與安全活門連接，裂紋位于導管四通接頭端的喇叭口根部，沿周向發展，長度約為12 mm；順航向看，裂紋基本位于導管截面的1~7點鐘，導管開裂部位附近的管體有一定程度的彎曲，大致從12點鐘向6點鐘位置彎曲（即順航向從上往下彎曲變形），平管嘴尾端對應的導管表面在彎曲方向內緣外存在較深的磨痕，磨痕位于導管截面的3~9點鐘。
平管嘴外導管直線段的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：導管平管嘴外直線段距離基本為0，導管其余部位未見明顯機械損傷。通過現場復裝檢查，發現故障導管兩端接頭的外套螺母能夠單手順利擰進、擰出，未見明顯的裝配偏差。實測導管外徑為8 mm，壁厚為0.82 mm，符合導管的規格要求。
圖 2平管嘴外導管直線段的宏觀形貌
人為打開導管裂紋，斷口處的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷口斷面整體平坦細密、顏色灰亮，斷口中部區域沿管壁內緣可見放射棱線，斷口兩側有沿周向發展的弧線。
圖 3斷口宏觀形貌
1.2 掃描電鏡（SEM）分析
利用掃描電鏡對斷口的微觀形貌進行觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：斷口處可見由管壁外表面向內表面發散的放射棱線；疲勞源區的裂紋呈單源（小線源）起始于管壁外表面，源區附近未見明顯缺陷或機械損傷；斷面中間部位具有典型的高周疲勞特征，兩側斷面可見明顯的疲勞條帶和塑性變形孔洞，為疲勞快速擴展區。
圖 4導管斷口處SEM形貌
1.3 金相檢驗
在導管裂紋附近取金相試樣，利用光學顯微鏡觀察試樣，結果如圖5所示。由圖5可知：試樣的顯微組織為均勻單一的奧氏體，組織未見異常。
圖 5導管的顯微組織形貌
1.4 力學性能測試
在導管裂紋附近取樣，對試樣進行顯微硬度測試，共測試5次，試樣的平均硬度為230 HV，根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》的要求，換算成抗拉強度為758 MPa（參考低碳鋼硬度與強度換算值）[6]，可知抗拉強度滿足導管的強度設計要求（不小于550 MPa）。
1.5 動應力測試
對該型飛機供壓導管的動應力水平進行實測，分析人員抽取了4架新機，對機上供壓導管進行動應力測試，結果顯示：2架新機供壓導管的動應力水平為30~40 MPa；另外2架新機供壓導管的動應力水平超標（要求裝配后各狀態下開車最大動應力不超過40 MPa），其中一架新機的供壓導管在四通接頭端的最大應力為83.7 MPa，在安全活門端的最大應力為79.1 MPa，另一架新機的供壓導管在四通接頭端的最大應力為60.4 MPa，在安全活門端的最大應力為44.3 MPa。
2. 綜合分析
送檢開裂供壓導管斷口宏觀上平坦細密、顏色灰亮，有疲勞弧線和放射棱線特征，微觀上可見清晰疲勞條帶，疲勞裂紋單源起始于導管表面，上述特征表明供壓導管的開裂性質為高周疲勞開裂[7]。
開裂供壓導管在機上管路布局如圖6所示。由圖6可知：導管下端連接安全活門進口，上端連接四通接頭，四通接頭和供壓導管均未設附加固定，管路支承剛度相對偏低。四通連接的4根導管中，除了供壓導管規格為8 mm×0.8 mm（外徑×壁厚）外，其余3根導管規格均為12 mm×1.2 mm（外徑×壁厚），供壓導管為整個四通管系中的薄弱環節。四通接頭向前（順航向）連接供壓導管，向后連接液壓泵出口后的高壓油濾，導致供壓導管持續承受液壓泵出口的脈沖壓力[8]。另一方面，四通管系安裝在飛機左尾梁37~38框之間，安裝框下方是發動機的左主支承點，承受發動機傳遞來的振動作用[9]。從管路布局來看，供壓導管所處的振動環境相對嚴苛。
圖 6開裂供壓導管在機上管路布局示意
根據4架新機供壓導管動應力測試結果可知，兩架新機動應力水平為30~40 MPa，另兩架新機在四通接頭端的最大應力分別達到83.7 MPa和79.1 MPa（要求動應力水平不超過40 MPa），說明該型飛機的供壓導管動應力水平相對偏高。雖然并非每一架飛機的供壓導管動應力測試結果都超過標準，但是反映出在當前固有的振動環境下，管路剛度的儲備裕度不足。導管的動應力產生是一個綜合因素影響結果，除了導管的支承，每架飛機的導管長度、形狀，以及管系中各導管裝配偏差程度不同，這些都會影響管路的剛度，進而對動應力產生影響[10-11]，再加上每架飛機振動環境有所差異，如果每個影響因素都向負面發展，且管路剛度的裕度不足，就會導致導管的動應力超標。
導管在順航向方向上存在由上到下的彎曲變形，導致平管嘴尾端對應的導管表面在彎曲內緣位置產生磨痕。由于導管裂紋主體和裂紋源區均位于導管側面，并未出現在彎曲變形的外緣表面，且斷口呈高周疲勞特征，表明導管彎曲變形不是疲勞裂紋萌生的主要原因。但考慮到導管使用不到23 h就發生疲勞開裂，分析認為導管彎曲變形對疲勞裂紋的產生有一定促進作用。
綜上所述，飛機液壓系統安全活門供壓導管發生了高周疲勞開裂，導管剛度的儲備裕度不足，使動應力偏大，最終導致導管發生疲勞開裂。建議設計部門結合導管所處的振動環境，研究制定降低管路動應力水平的措施。導管接頭附近管體存在彎曲、平管嘴外直線段不足等問題，反映出制造廠在導管制造方面還存在一些不足。
3. 結論及建議
（1）飛機液壓系統安全活門供壓導管開裂性質為高周疲勞開裂，管路剛度的儲備裕度不足，使動應力偏大，最終導致供壓導管發生疲勞開裂。
（2）建議設計部門結合故障導管所處的振動環境，研究制定降低管路動應力水平的措施；建議制造廠加強對導管制造過程中各工序的質量控制。
文章來源——材料與測試網