某型飞机蓄压器结构优化

周魏雄，吴德乐，焦奇峰，龙思海

(航空工业洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

蓄压器作为飞机液压系统的重要部件，具有多种功能及用途：1）可向自供增压油箱提供初始预增压压力 （包含气压增压方式和液压增压方式）；2）可向机轮刹车提供一定压力及容积的液压油，作为飞机停放刹车、应急刹车液压源；3）当液压系统短时能源供应不足时，向系统提供能源补给，同时可用于吸收系统动态液压冲击力；4）可向飞机其它执行部件提供应急能源。某型飞机蓄压器功能为吸收动态液压冲击力（包含脉动压力和阀切换等产生的冲击力）以及短时能源供给。该型蓄压器在试验过程中出现螺纹拉脱、端盖裂纹等两起故障现象，本文针对此两起故障进行了分析。力6MPa气体并保持，此时活塞运动至端盖极限位置气腔容积最大。系统启动，高压油液进入液腔，液腔压力逐渐升高至系统额定压力20.6MPa，此时系统停止向蓄压器充油，活塞运动至盖子极限位置时，气腔容积最小。在蓄压器工作过程中，活塞往复运动，液腔及气腔容积变化，达到补油及吸收动态液压冲击力的作用。蓄压器结构如图1所示，该蓄压器结构简单，寿命要求长。

图1 蓄压器结构图

1 蓄压器工作原理

某型飞机蓄压器为活塞式蓄压器，主要由端盖、筒体、活塞、盖子等组成。蓄压器内部包含有气腔和液腔，由活塞隔开。初始阶段，气腔在地面充额定工作压

2 故障现象

蓄压器在试验过程中发生两起故障：1）爆破压力试验，在蓄压器液压口加压至额定工作压力3.2倍（约66MPa）时，蓄压器盖子与筒体间螺纹拉脱，未满足4倍额定工作压力（82.4MPa）的设计指标要求；2）耐久循环试验，在高温条件下循环压力0～20.6～0MPa、循环次数至21897次 （此项试验循环次数为50000次）时，发现蓄压器液腔压力为零，气腔端盖出现裂纹，液腔的油液全部流出。

3 故障分析

3.1 螺纹强度分析

蓄压器盖子与筒体间螺纹承受外载作用，外载F为充气压力p与蓄压器内腔横截面积s的乘积，即：

螺纹承受外载作用时，螺纹部分将产生挤压、弯曲和剪切变形，因此对螺纹进行挤压、弯曲和剪切强度校核[1]。

螺纹弯曲：

螺纹挤压：

式中β为螺纹充满系数，公制螺纹β=0.875；d1为螺纹内径；d0为螺纹外径；t为螺距。代入数值计算，螺纹弯曲强度 σwq=1033.4MPa＜1175MPa材料破坏强度，螺纹挤压强度σjy=895MPa＜1175MPa材料破坏强度，则螺纹弯曲、挤压强度满足要求。

图2 螺纹示意图

图3 螺纹装配示意图

蓄压器筒体与盖子间的螺纹配合为M135×1.5-6H/6h，螺牙12扣，螺纹齿形如图2所示。考虑螺纹加工及装配误差，螺纹剪切面积将受影响。图3所示为螺纹装配示意图。蓄压器盖子内螺纹中径D2上偏差ES为0.224mm，下偏差为0，蓄压器筒体外螺纹中径d2上偏差为0，下偏差ei为-0.170mm[2]。以中径的极限配合公差代表蓄压器筒体与盖子的螺纹配合公差，即螺纹间隙：

代入数值计算螺纹间隙δ=0.394mm。按螺纹剪切计算公式[1]，考虑最不利的螺纹配合进行分析。当螺纹紧密配合时，则剪切力作用面为螺纹底部，但螺纹配合公差会使得剪切面脱离螺纹底部往上移动，即剪切面移动到距螺纹底部δ位置。螺纹剪切应力修正为：

3.2 端盖强度分析

蓄压器气腔在循环油压0～20.6MPa～0条件下进行充放压试验，端盖承受大幅值循环外载。按20.6MPa压力载荷对端盖进行有限元计算分析，端盖应力分布结果如图4所示。

根据计算分析结果，螺纹限位凸台倒圆角处（即气腔端盖断裂处）存在明显应力集中，为端盖最危险部位，在20.6MPa压力下，该部位应力达到891.4MPa。在该应力水平下，端盖不能满足疲劳寿命要求。

4 蓄压器结构优化

4.1 螺纹结构改进

根据螺纹强度分析可知，试验过程中蓄压器盖子与筒体间螺纹拉脱，说明连接螺纹为强度薄弱部位。为提高蓄压器盖子刚度，改善蓄压器盖子车削螺纹的加工性能，减小加工变形量，提高螺纹装配精度，保证螺纹段的圆度，将蓄压器盖子螺纹段壁厚增加，如图5所示。对改进后盖子进行强度校核分析，有限元计算应力分布云图如图6所示，图中最大应力为568.9MPa，满足疲劳寿命要求，但接管嘴位置处于高应力水平环带内，加剧了应力集中度。

图4 蓄压器端盖应力云图

图5 蓄压器盖子结构改进

图6 蓄压器盖子结构改进应力云图

4.2 端盖结构改进

根据端盖强度分析，试验过程中蓄压器端盖螺纹限位凸台倒圆角处（即气腔端盖断裂处）存在明显应力集中，为强度薄弱部位。为解决凸台应力集中，加强端盖结构强度，提高蓄压器疲劳寿命，将凸台进行圆度光滑处理，如图7所示。对改进后端盖进行强度校核分析，有限元计算应力分布如图8所示，图中最大应力降低至515.5MPa，在该应力水平下，端盖满足疲劳寿命要求。

图7 蓄压器端盖结构改进

图8 蓄压器端盖结构改进应力云图

4.3 蓄压器结构综合改进

上文针对出现的两起故障进行了蓄压器盖子和端盖结构优化，但蓄压器仍存在如下问题：

1）液腔盖子管嘴在侧边上，盖子加工难度大且应力集中；

2）活塞运动至盖子极限位置时，液腔管嘴会被部分封堵；

3）活塞与盖子限位接触面积较小；

4）端盖及盖子与筒体配合处过渡倒角小，装配时容易剪切筒体上密封圈及挡圈。因此，对蓄压器结构进行综合改进，包括密封结构、活塞结构形式、液腔端盖管嘴位置等，如图9所示。

图9 蓄压器结构综合改进图

5 结论

针对某型飞机蓄压器在寿命试验过程中出现盖子与筒体间螺纹拉脱故障以及端盖破裂故障，本文计算分析了蓄压器螺纹强度以及端盖强度，并在此基础上优化蓄压器结构。结构优化显著提高了蓄压器工作可靠性，改善了加工及装配工艺性，满足寿命试验考核要求。