A319 A320飞机主轮毂联接螺栓疲劳断裂力学分析
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作者:杨先学 姚一楠
摘 要：国内A319/A320飞机用户或维修单位，不时发现有主轮毂联接螺栓在使用中发生断裂。针对A319/A320飞机主轮毂联接螺栓疲劳断裂，根据载荷、应力在构件疲劳裂纹萌生和扩展阶段的影响机制，对联接螺栓进行载荷分析，提出A319/A320飞机主轮毂联接螺栓设计改进和使用维护建议，减少主轮毂联接螺栓在使用中断裂。
关键词：轮毂 螺栓 疲劳断裂 裂纹
中图分类号：V226 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0097-02
国内A319/A320飞机用户或维修单位，不时发现有主轮毂联接螺栓在使用中发生断裂。联接螺栓断裂可能损伤机轮本体、与机轮配套的刹车零部件，可能导致损伤的机轮和刹车报废。断裂的螺栓及损伤脱落的零件可能会损伤飞机其它零部件。主轮毂联接螺栓断裂可能影响航班正常和飞行安全。根据空客公司和赛峰起落架系统公司（SAFRAN LANDING SYSTEMS）资料，全球A319/A320飞机用户也时有报告主轮毂联接螺栓断裂。
联接螺栓断裂位置均位于螺纹区域的螺纹底部或螺栓头下倒圆区域，为螺栓受力最大或应力集中区域。对断裂螺栓进行失效分析，表明大多数A319/A320主轮毂联接螺栓断裂为疲劳断裂。
1 疲劳断裂
机械构件或材料由于循环载荷或交变载荷作用所引起的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是受循环应力、拉应力和塑性应变的共同作用而发生的。疲劳断裂过程可分为三个阶段：（1）裂纹萌生;（2）裂纹扩展;（3）失稳断裂。
疲劳裂纹萌生有三种方式：滑移带开裂、晶界或孪晶界开裂、夹杂物或第二相与基体的界面开裂。在循环载荷的作用下，在构件或材料的局部应力集中或强度薄弱区域，分切应力达到材料晶体的临界切应力时，晶体开始滑移，应力去除后也不能恢复原位。在材料表面产生滑移线。滑移线随循环次数增加形成滑移带，发展成为持续滑移带。持续滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，引起应力集中，产生疲劳裂纹。晶界结合力比晶体内部弱，在低于晶体内部滑移应力下，在晶界上产生裂纹。夹杂物或第二相与基体的结合力较弱，其界面分离会产生裂纹。
疲劳裂纹形成后能否扩展以及扩展的速度，可用裂纹尖端应力强度因子K判断。应力强度因子K与几何形状因子、工作应力、裂纹长度有关。裂纹不发生扩展的条件为：
th
式中：为应力强度因子幅度，为最大应力与最小应力对应应力强度因子的差值。th为疲劳裂纹扩展门槛值。应力强度因子幅度超过疲劳裂纹扩展门槛值 ，裂纹则会扩展。应力强度因子幅度th越大，疲劳裂纹扩展速率越快，即裂纹处最大应力与最小应力差值越大，疲劳裂纹扩展越快。
2 A319/A320飞机主轮毂联接螺栓疲劳断裂的载荷因素
A319/A320飞机有2个前轮和4个主轮（左右各有同轴的2个主轮）。机轮由轮胎和轮毂组成。轮胎装在内、外二个半轮毂之间，由联接螺栓固定在一起。A319/A320飞机主轮毂共有18个联接螺栓。
飞机主轮毂联接螺栓在使用中会承受三种拉伸载荷：（1）联接螺栓和螺帽的拧紧力矩对螺栓产生的预拉伸载荷。（2）轮胎充气压力对联接螺栓产生的拉伸载荷。（3）轮胎在飞机载荷作用下压缩变形对联接螺栓产生的拉伸载荷。轮胎的压缩变形在圆周上的分布是不均匀的，轮胎与地面接触点处压缩变形最大，对邻近的联接螺栓产生的拉伸载荷最大。
飞机主轮毂联接螺栓在飞机滑行、起飞、空中、着陆、滑行、停止整个循环的不同阶段承受的拉伸载荷是不同的。在飞机起飞前滑行阶段，飞机载荷最大，主轮毂联接螺栓承受预拉伸载荷和飞机载荷及充气压力产生的拉伸载荷，此阶段主轮毂联接螺栓承受的拉伸载荷最大。在飞机空中阶段，主轮毂联接螺栓只承受预拉伸载荷和充气压力产生的拉伸载荷，并且机轮不承受飞机载荷会使充气压力降低约4%[1]，此阶段其拉伸载荷最小。在飞机着陆瞬间，飞机机轮会承受冲击载荷，此时主轮毂联接螺栓承受预拉伸载荷和冲击载荷及充气压力产生的拉伸载荷。
飞机主轮毂联接螺栓在最大载荷的作用下在应力集中区域或薄弱区域会萌生裂纹和加速裂纹的扩展。飞机主轮毂联接螺栓的最大载荷为预拉伸载荷和飞机载荷及充气压力产生的拉伸载荷之和的最大值。联接螺栓的预拉伸载荷与拧紧力矩、联接结构的摩擦系数和螺栓直径有关。拧紧力矩越大，预拉伸载荷越大。拧紧力矩一定时，摩擦系数越小，预拉伸载荷越大。摩擦系数与材料、配合面、润滑等有关。机轮充气压力产生的拉伸载荷由圆周分布的联接螺栓共同承受。对于A319/A320飞机主轮，由18个联接螺栓承受充气压力产生的拉伸载荷。飞机载荷增加，机轮充气压力会增加，相应的拉伸载荷也会增加。当联接螺栓拉紧程度不一致时，会使得较紧的联接螺栓承受更多的拉伸载荷。联接螺栓承受的轮胎压缩变形产生的拉伸载荷与飞机载荷、充气压力和螺栓相对地面位置有关。飞机载荷越大，联接螺栓承受的拉伸载荷越大。同轴机轮轮胎压力不一致时，轮胎压力较高的机轮会承受更多的飞机载荷。相同的轮胎压缩量，轮胎压力高25%的机轮会多承受20%的飞机载荷[2]。滑行道、跑道和飞机姿态等也会影响各个机轮承受的飞机载荷。在飞机重着陆时，飞机机轮会承受很大的冲击载荷。
A319/A320飞机有多个重量构型，有不同的载荷和轮胎充气压力要求。同一主轮按随机次序装在不同构型的飞机上，主轮毂联接螺栓会承受随机变幅载荷，可能加速或迟缓裂纹的萌生和扩展。
3 A319/A320飞机主轮毂联接螺栓设计和维护建议
在A319/A320飞机主轮毂联接螺栓设计方面，联接螺栓尺寸受制于轮毂结构尺寸，可考虑联接螺栓材料性能。采用具有更高屈服强度的材料，减少或延缓疲劳裂纹的萌生。采用具有更高疲劳裂纹扩展门槛值th的材料，延长疲劳裂纹扩展时间，使疲劳裂纹扩展时间大于每次机轮使用时间，在机轮修理时，只要检测出裂纹予以更换，就不会发生联接螺栓在使用中断裂。
在A319/A320飛机主轮毂车间维护方面，主要在于联接螺栓的检查、润滑和组装。每次轮毂修理时，重点检查联接螺栓的应力集中区域：螺栓头下倒圆区域和螺纹区域，检查有无会导致应力集中的损伤和腐蚀等，减少疲劳裂纹的萌生。无损探伤检查联接螺栓的疲劳裂纹。检查联接螺栓和螺帽的自锁性能，确保满足要求。对联接螺栓和螺帽螺纹区域进行均匀润滑，确保主轮毂中每个联接螺栓在相同的拧紧力矩下预拉伸载荷一致。在拧紧主轮毂联接螺栓和螺帽时，采用十字交叉顺序进行，确保主轮毂每个联接螺栓拉紧程度一致，均匀承受轮胎压力，避免个别螺栓承受过大载荷。过大的拧紧力矩会产生过大的预拉伸载荷，可能使联接螺栓损伤或裂纹。若联接螺栓和螺帽最终拧紧力矩大于规定值10%[3]，应报废联接螺栓和螺帽。
在A319/A320飞机主轮航线维护方面，应检查和确保同轴机轮的轮胎压力差异不大于5%[2]，避免轮胎压力较大的机轮承受过大的载荷，防止相应的机轮联接螺栓承受过大的载荷。针对A319/A320飞机不同重量构型，可规定、标记和使用与重量构型相对应的机轮，避免同一机轮用于不同重量构型的飞机造成机轮联接螺栓的应力幅增加。
参考文献
[1] A319/A320飞机维护手册AMM[Z].2019.
[2] 米其林公司轮胎手册CSM32-45-01/RE[Z].2016.
[3] 赛峰公司标准施工手册SPM32-09-01/R28[Z].2017.
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