飞机起落架喷丸强化设备

宋有军，魏丽华，吴寿喜，丛艳平

（1.青岛海纳重工集团公司，山东 青岛 266032；2.青岛开世密封工业有限公司，山东 青岛 266033；3.山东松下电子信息有限公司，山东 济南 250101）

起落架是飞机实现起飞着陆功能的主要装置，作为飞机安全飞行的关键部件，起落架受力严重、工作环境恶劣、故障率高。据统计，由于起落架结构和与起落架有关的部件导致的事故大约占飞机结构破坏事故2/3以上[1]。

由于起落架零件结构和形状复杂，造成许多应力集中点，加之起落架零件材料为30CrMnSiA钢和30CrMnSiN2A钢，对应力集中较为敏感，在应力集中部位容易产生微裂纹和应力腐蚀开裂。某种飞机的起落架断裂竟占60%～70%，经对断裂零件的断口进行金相分析，认为85%以上者属于疲劳断裂[2]。

喷丸强化是消除应力、提高表面强度、减少疲劳断裂的非常有效的工艺手段，在航空领域应用比较广泛。喷丸强化工艺用金属或玻璃丸以较高的速度撞击金属零件表面，使金属表面层在超过屈服强度的条件下延伸，从而使金属围绕每个弹丸产生塑性流动，形成了表面压缩压力，也使金属表面晶粒的形状和方向改变，提高表面强度[3]。

本文所述喷丸强化设备即为飞机起落架研发的喷丸强化专用设备。

1 飞机起落架零件特点和工艺要求

1.1 飞机起落架零件特点

起落架零件，结构比较复杂、内腔是深孔，另外还有一些小孔（最小直径为φ13mm）。如图1所示。

图1 飞机起落架

1.2 喷丸工艺要求

1）使用S110丸粒，弧高度值0.1 A～0.25 A；

2）使用S230丸粒，弧高度值0.1 A～0.45 A。

2 喷丸强化设备主要技术参数

1）喷丸器：有效容积0.06 m3；数量2台。

2）喷枪：小孔旋转喷枪、外壁喷枪、深内孔喷枪各1支，小孔旋转喷枪口径φ4mm、φ8 mm，转速15r/min～150r/min，外壁、深内孔喷嘴口径φ8 mm。

3）压缩空气：压力 0.4mPa～0.6 MPa，1 支喷枪最大空气消耗量4m3/min。

4）弹丸一次加入量：S110，1000kg；S230，1000kg。

5）提升量：6 t/h。

6）除尘风量：5000m3/h。

7）总功率（含除尘）：10.5 kW。

3 喷丸强化设备的主要结构及工作原理

3.1 主要结构及组成

图2 飞机起落架喷丸强化机布置图

本设备主要由喷丸与丸粒处理设备（包括三种不同功能的喷枪、每种喷枪有一套丸粒流量数字控制装置、两台自动充料喷丸器、一套丸粒回收与分选装置、一套滤筒式除尘系统）、喷枪多轴运动机构、回转台车、喷丸室、电气控制等组成。设备总布置图如图2所示。

3.2 工作原理

针对飞机起落架有深孔和小孔需要喷丸的特点，采用了不同的特殊喷枪、多轴运动机构、CNC控制等。喷丸室顶部设喷枪多轴运动机构，喷枪可作升降、水平、摆角运动，使其成为多功能喷枪，将起落架装夹在回转台车上，运送和使起落架旋转以接受喷丸，运用普通喷枪喷射外表，运用深内孔喷枪喷射深达1m以上的内孔，运用小孔旋转喷枪喷射≥φ13mm小孔。

3.3 技术关键与创新点

3.3.1 外壁喷枪、深内孔喷枪和小孔旋转喷枪

采用压入式喷丸——即喷丸器两台，其中一台喷丸器采用S230弹丸，设两支喷枪，一支喷起落架的外壁，另一支喷深内孔。另一台喷丸器采用S110弹丸，设一支喷枪，接小孔旋转喷枪喷小孔。三支喷枪均由机械手伺服电机控制。

1）外壁喷枪

喷射起落架零件外表面时，分解为圆柱面与非圆柱面。

对圆柱面，装夹时使其绕圆柱面轴线旋转，喷枪作升降运动；对非圆柱面，喷枪作水平或升降运动，通过摆角运动调整喷射方向。这样使其外表各个部位达到均匀的喷射。采用直喷嘴，喷嘴采用复合耐磨材料，以保证喷嘴的使用寿命。如图3所示。

图3 外壁喷枪工作示意图

2）深内孔喷枪

喷射深内孔时，装夹时使其绕深内孔轴线旋转，喷头作升降运动、侧向喷射，使深内孔达到均匀的喷射。

为了满足1100mm的内孔喷丸，其一要保证1100mm深度，其二要保证起落架喷丸效果的均匀性，并且不能碰撞起落架内腔。设置一合金钢材料的加长枪杆，保证刚度；采用复合耐磨材料双面反射喷嘴，即保证喷枪喷嘴的使用寿命，又尽可能的降低了枪杆的振动。深内孔喷枪如图4所示。

图4 深内孔喷枪

3）小孔旋转喷枪装置及结构

对于小孔喷丸，通常多采用喷枪不转，工件旋转的工作方式。但对于工件不易或无法绕小孔中心旋转的时候，就要考虑喷枪旋转。本设备采用了旋转喷枪。小孔旋转喷枪主要由喷枪杆，传动装置，减速伺服装置，传动箱体，喷管与支承座，拆卸卡具等部分组成。小孔旋转喷枪外形与内部结构如图5所示。其特点为：

图5 小孔旋转喷枪外形与结构图

①因喷枪中空，且细长，为保证传动精度采用同步带、同步带轮传动；

②采用骨架式橡胶油封和密封圈等多道迷宫式密封，同事同时喷枪的传动箱体采用正压密封形式来解决它的密封问题。

③因小孔旋转喷枪要整体拆卸，设计时还要考虑其整体重量，设置喷枪拆卸专用卡具，有效的解决了喷枪拆卸难的问题。

通过反复试验，小孔旋转喷枪性能优良。

3.3.2 阀闸组合流量控制装置

为保证每支喷枪喷射量稳定，采用美国EI公司生产的电磁流量阀，用数字控制丸粒流量，在电磁流量阀上方设有密封丸粒闸门。

这种阀闸组合流量控制装置有效遏制了喷丸器与喷枪之间的压差对电磁流量阀流量的影响，加强了流量的稳定性，保证精度≤±5%。且控制方便、便于维修。进一步保证了起落架喷丸工艺的稳定性。阀闸组合流量控制装置如图6所示。

图6 阀闸组合流量控制装置

4 试验与测试

4.1 小孔旋转喷枪圆跳动精度试验

分别作通电试验，通电和通气试验，通电、通气和负荷试验。

1）使用 φ4×φ8×φ150（mm）喷枪试验，结果均能保证喷枪圆跳动精度满足φ13mm小孔的要求。

①工作条件：φ4×φ8×φ150（mm）喷枪，喷枪转速50r/min，使用S110弹丸。

②试验结果（如表1）：

表1 试验结果

2）使用 φ8×φ15×φ300（mm）喷枪试验，结果均能保证喷枪圆跳动精度满足φ22mm小孔的要求。

①工作条件：φ8×φ15×φ300（mm）喷枪，喷枪转速50r/min，使用S110弹丸。

②试验结果（如表2）。

表2 试验结果

4.2 喷丸孤高度值试验

1）外壁喷枪试验

①工作条件：转台转速8 r/min，喷嘴到试片距离250mm，喷枪不动，使用S230弹丸。

②试验结果（如表3）。

表3 试验结果

2）深内孔喷枪试验

①工作条件

转台转速10r/min，喷枪中心到试片距离40mm，喷枪升降120mm，使用S230弹丸。

②试验结果（如表4）。

表4 试验结果

3）小孔旋转喷枪试验

①工作条件

φ8×φ15×φ300（mm）喷枪，喷枪转速 50r/min，喷枪中心到试片距离20mm，喷枪升降120mm，使用S110弹丸。

②试验结果（如表5）。

表5 试验结果

5 小 结

此次研制飞机起落架喷丸强化设备，无论是从设计开发还是生产制造，都经过了严格而细致的策划和验证，取得了良好效果。交付用户试用后，我公司对其使用情况进行了跟踪考核：弹丸分选系统、喷丸器、外壁喷枪、深内孔喷枪、小孔旋转喷枪运行稳定可靠，各项指标均达到技术协议和设计要求。

［1］马建.起落架结构疲劳寿命预测技术研究［J］.机械科学与技术，2010（01）：1.

［2］刘长生.喷丸强化延长起落架寿命［J］.航空制造技术，1981（04）：20.

［3］杨昭明.先进工艺在飞机起落架制造中的应用航空制造技术［J］.航空制造技术，2005（06）：102.