刘新灵,彭 凯,白明远,于 洋
(1北京航空材料研究院,北京100095;2航空材料检测与评价北京重点实验室,北京100095;3大连船用柴油机有限公司,辽宁 大连116021)
电液伺服阀弹簧管失效分析
刘新灵1,2,彭 凯3,白明远1,于 洋1
(1北京航空材料研究院,北京100095;2航空材料检测与评价北京重点实验室,北京100095;3大连船用柴油机有限公司,辽宁 大连116021)
统计分析了某电液伺服阀13个失效弹簧管的开裂情况(包括弹簧管的应用、开裂位置、裂纹扩展方向以及开裂方式的规律性)。采用外管分析、断口分析和金相组织分析等方法,研究了弹簧管断裂特征与机理。结果表明:弹簧管的开裂原因包括较大的疲劳应力、材质和加工因素。夹杂物在弹簧管冷拉成型过程中沿轴向分布,在周向打磨过程中沿夹杂物形成裂纹。
弹簧管;电液伺服阀;失效规律;失效原因
电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件,是一种接受模拟电信号后,相应输出调制流量和压力的液压控制阀。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高的优点,已被广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中[1-3]。关于伺服阀的失效分析,主要针对系统故障,而非伺服阀具体构件的失效分析,如老式轻型飞机大多采用气压刹车,随着刹车装置的不断发展,要求快速响应和实现准确的伺服控制,文献[4]分析了飞机电子防滑刹车系统电液伺服阀的工作特性,并针对电子防滑刹车系统电液伺服阀的故障提出了改进措施。而关于弹簧管的失效分析较少,多是针对弹簧管式压力表的误差测量、故障判断及调修的方法等[5-7]。
本工作中的电液伺服阀主要是由衔铁挡板组件以一定频率带动反馈杆工作的,弹簧管是伴随衔铁挡板组件摆动下承受来回的微量弯曲。其中弹簧管为薄壁结构,一般仅有60μm左右。电液伺服阀弹簧管一般采用3J1奥氏体沉淀强化型高弹性精密合金或C17200铍铜合金。高弹合金3J1具有较高的弹性模量和弹性极限,较低的弹性后效和线膨胀系数,同时具有较高的热稳定性和疲劳强度,无磁性、耐腐蚀,被广泛应用于航空、电子、机械、电真空、仪器仪表等[8]。
电液伺服阀在弹簧管处的开裂情况包括:未使用,在检查中发现裂纹;使用过程中开裂,导致漏油故障。弹簧管在工作过程中承受疲劳载荷,并且由于其为薄壁结构,加工质量要求严格,是最易发生开裂的部位。弹簧管失效的因素综合且复杂,需系统分析开裂的原因,以保障弹簧管的可靠应用。
针对13个失效的弹簧管进行了分析,发现裂纹多数是沿弹簧管的周向开裂(6个),且多发生在薄壁转角R处,如图1所示。周向裂纹形成均发生在实验或使用过程中。2个开裂发生在弹簧管的中部,如图2所示。13个失效弹簧管的基本情况如表1所示。
表1 失效弹簧管的基本情况Table 1 The basic conditions of failure bourdon springs
有2个弹簧管壁的裂纹是轴向的,如图3所示,可知在转角R附近,裂纹沿着管的轴线方向扩展。这2个弹簧管还未使用,是在检查过程中发现其沿着夹杂开裂的。另外,还有3个弹簧管在其内壁有鼓包现象,如图4所示。
凡在使用过程中形成的裂纹,其形貌特征都类似,即低倍下断面较粗糙,高倍下主要为滑移和类解理的断裂特征,也可见少量的疲劳条带特征(多数裂纹断口观察不到),人工打开区域为韧窝。以上断裂特征表明,裂纹断裂特征为典型的快速扩展断裂(图5)。
对13个弹簧管的开裂进行统计分析,认为开裂的主要原因有:使用工况(较大应力)、材质和加工。
通过对弹簧管断裂特征的综合分析可知,断裂特征主要为断口存在类解理和大量的滑移,而且其类解理不同于疲劳扩展第一阶段的类解理,而人为打断区为韧窝特征,从而可知,其断裂性质并不是过载断裂,而是较大应力作用下的疲劳断裂,在断口上不易观察到典型的疲劳条带特征,主要原因有:由于弹簧管管壁很薄(0.06mm),在裂纹扩展过程中应力状态为平面应力,所以断口疲劳条带特征不易形成;在经历振动实验后断口局部磨损,疲劳扩展区及疲劳条带已不易观察;应力较大,未以条带机制扩展。
文献[9,10]研究了FGH96粉末高温合金的断裂特征,疲劳稳定扩展第一阶段为类解理形貌,疲劳稳定扩展第二阶段为疲劳条带,快速扩展阶段为快速滑移形成的台阶面等形貌特征,FGH96为面心立方结构,本工作中弹簧管所用材料为奥氏体沉淀强化型高弹性合金,奥氏体为面心立方结构,铍铜合金也是面心立方晶体结构[11],其断裂特征与FGH96快速滑移特征接近,从而说明,弹簧管的断裂为较大应力作用下的快速疲劳扩展。
弹簧管随系统进行悬臂振动实验时失效,并且在悬臂状态下弹簧管所受应力较大。因此,在某一阶段较大应力作用下,就可能导致弹簧管产生疲劳开裂。弹簧管裂纹均大多数产生在转接圆角处,该处为应力集中部位,所以裂纹优先在该位置产生,弹簧管工作中承受交变的弯曲应力,且转角处的加工痕迹较粗糙,如图6所示,也是形成裂纹的促进因素。
图5 弹簧管裂纹断裂特征 (a)类解理;(b)滑移台阶;(c)疲劳条带;(d)韧窝Fig.5 Fracture characteristics of bourdon spring (a)cleavage-like;(b)slip steps;(c)fatigue striation;(d)dimples
对所有失效弹簧管的硬度和组织进行分析,可知,一般为奥氏体基体和γ′强化相,如图7所示,发现其组织未见异常,没有过热、过烧现象,硬度符合工艺要求。但夹杂物以及一些相也可能是裂纹形成的促进因素。
(1)夹杂物导致的开裂
有2个弹簧管还未使用,在检查过程中发现轴向的裂纹,裂纹长度几乎为管身长度,且均沿夹杂物开裂,能谱分析结果表明,该夹杂物为氧化钙。由于弹簧管经冷拉成型,夹杂物沿轴向分布(图8),因而在对弹簧管外表面进行周向打磨时,很容易发生沿夹杂物开裂的现象。
另外,在冷拉成型时,拉模表面粗糙度污染可能导致弹簧管出现鼓包,鼓包的出现不利于弹簧管的表面完整性。
图8 弹簧管表面夹杂形貌 (a)二次电子;(b)背散射Fig.8 Inclusion morphologies on surface of bourdon spring(a)secondary electron;(b)backscattered electron
(2)材料中的相以及晶粒均匀性
在地面半物理实验中开裂的2个弹簧管裂纹断口上未见明显的夹杂等冶金缺陷,金相检查也表明,在未检查到明显夹杂的情况下,弹簧管的夹杂物含量较少;但弹簧管存在较多的碳化钛和Fe2Mo相。一般来说,使用状态的3J1高弹性合金基体组织为奥氏体组织和γ′[(Ni,Fe)3(Al,Ti)]型强化相,并含有少量的碳化物和Fe2Mo相。分析失效件的相发现,其碳化物和Fe2Mo相含量较多,当碳化物和Fe2Mo相含量较多时,对应的硬度处于技术要求(HRC38~42)的上限或硬度略高于技术要求。通常,随着材料的硬度和强度提高,则塑性和韧性会降低。因此,弹簧管的硬度处于技术要求上限会在一定程度上促进疲劳裂纹的萌生和扩展。
还有的弹簧管材料组织中未见连续链状β相,组织中晶粒尺寸存在一定差异,经测量,晶粒最小尺寸为9μm,最大尺寸为44μm。晶粒尺寸大小差别较大对疲劳性能也是不利因素。
综上所述,弹簧管的开裂主要分为两大类:未使用弹簧管的开裂一般是加工制造导致的,这种开裂所占的比例较小;在使用过程中导致弹簧管开裂的因素较综合,主要因素有材质、加工因素、应力因素,而且这些因素常常耦合作用。为保证弹簧管的可靠应用,除需从受力上进行仔细分析计算外,还需关注材料组织的均匀性、相组成等因素。
(1)导致弹簧管开裂的因素:较大的疲劳应力、材质和加工,且这些因素往往耦合作用。
(2)如果存在夹杂物,在冷拉过程中夹杂物沿轴向分布,在之后的周向打磨时,容易沿夹杂物开裂。
(3)为保证电液伺服阀弹簧管的可靠应用,除需从受力上进行详细分析计算外,还应注意及时检查拉模的粗糙度,提高材料的组织均匀性,改善相的组成,去除杂质,改善弹簧管的表面加工质量。
[1] 李其明,丁凡.电液伺服阀技术研究现状及发展趋势[J].工程机械,2003,(6):28-33.
[2] 田源道.电液伺服阀技术[M].北京:航空工业出版社,2008.
[3] 增良才.板带轧机液压AGC综合测试系统及故障诊断研究[D].武汉:武汉理工大学,2005.
[4] 祁功道,金平,孙强,等.飞机电子防滑刹车系统电液伺服阀失效分析[J].机床与液压,2007,35(3):113-115.
[5] 杨滨彬.1.5级弹簧管式压力表示值误差测量结果的不确定度评定[J].计量与测试技术,2010,37(1):67-68.
[6] 幸彦飞.弹簧管式一般压力表故障判断及调修方法[J].计量与测试技术,2008,35(9):61-62.
[7] 徐建民,黄伟,熊雯.内插螺旋弹簧换热管传热特性试验研究[J].化工装备技术,2010,31(2):15-20.
[8] 刘杰,李顺武,黄骅.高弹合金3J1带材真空时效热校平工艺[J].国外金属热处理,2005,26(3):37-39.
[9] 刘新灵,白明远,陶春虎.FGH96粉末高温合金疲劳扩展阶段特性[J].宇航材料工艺,2009,39(增刊):48-49.
[10] 刘新灵,陶春虎.FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测[J].失效分析与预防,2011,6(2):124-129.
[11] 余永宁.金属学原理[M].北京:冶金工业出版社,2000.
Failure Analysis About Bourdon Spring of Electrohydraulic Servo Valve
LIU Xin-ling1,2,PENG Kai3,BAI Ming-yuan1,YU Yang1
(1Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2Beijing Key Laboratory of Aeronautical Material Testing and Evaluation,Beijing 100095,China;3Dalian Marine
Diesel Co.,Ltd.,Dalian 116021,Liaoning,China)
The crack conditions of 13bourdon springs of electrohydraulic servo valve were analyzed,including crack position,crack orientation and the crack regularity.Using the methods of macrography observation,fracture surface analysis and metallic phase analysis,the fracture characteristics and mechanism of bourdon springs were studied.The results showed that,main failure reasons included:larger stress,material quality and process.The inclusion distribute was axial because of hard-drawing,crack was formed following the inclusion during the process of circumferential dressing.
bourdon spring;electrohydraulic servo valve;failure regularity;failure cause
TG115
A
1001-4381(2012)08-0010-04
2011-07-21;
2012-05-18
刘新灵(1973-),女,博士,从事失效分析与预防研究,联系地址:北京市81信箱4分箱(100095),E-mail:liuxinling119@sohu.com