某型高空活门振动故障分析

杨博霄王文霞王建功

太原航空仪表有限公司  山西太原  030006

摘要  某型高空活门在振动试验中出现波纹管开裂现象，针对此故障，本文采用ANSYS Workbench有限元软件对其振动强度进行校核。针对膜盒盖与壳体盖端面“半自由”的非线性约束形式，采用两种极端工况，对产品实际工况下振动应力范围进行仿真。分析结果表明，波纹管的振动应力接近不锈钢的屈服极限，安全裕度较低，导致产品试验中出现波纹管开裂故障。

关键词：波纹管；高空活门；随机振动；故障分析

中图分类号：V241            文献标识：A      文章编号：1002-1841（2017）00-0000-00

Vibration failure analysis of a type of ventilation valve

Yang Bo-xiao, Wang Wen-xia, Wang Jian-gong

Taiyuan Aviation Instrument Co., LTD, Shanxi Taiyuan 030006

Abstract：A bellow fracture failure occurred in the vibration test of a type of ventilation valve, and the vibration strength is analyzed by ANSYS Workbench software。Due to the nonlinear contact between two parts, two extremely conditions are used to simulate the stress range of the product under the actual working conditions. The result shows that the vibration stress of the bellows is close to the yield limit of the stainless steel, and the safety margin is low, which lead to fracture failure in the vibration test.

Key words：bellow，ventilation valve, vibration, failure analysis

1  引言

为解决航空发动机在高空极低气压环境下，润滑系统能够正常工作的问题，通常在发动机通风管上设置高空活门来调节润滑系统腔内压力[1]。高空活门的核心元件为波纹管[2]，它能够感受压力，输出位移，控制活门开关，保证润滑系统腔内的压力。由于其为薄壁元件，抗振性能弱，在使用过程中容易发生开裂故障。

本文针对某型高空活门振动试验中出现的波纹管开裂问题进行分析，采用ANSYS Workbench有限元软件计算得到了波纹管在随机振动功率谱下的振动应力[3]，该应力接近不锈钢的屈服极限，产品安全裕度较低。通过将波纹管材料更换为高温合金，解决了该高空活门振动试验中出现的波纹管开裂问题。

2  故障概述

某型高空活门完成振动试验考核后，进行压力—位移特性测量，发现波纹管没有位移，表明封焊压力腔泄漏。打开壳体盖后发现波纹管两端波谷开裂。波纹管开裂位置如图1，其中靠近壳体盖端第一个波谷处断裂，另一端第一个波谷处有一15mm左右的裂纹。

图1  波纹管开裂位置示意图

3  故障分析

3.1  高空活门结构组成

高空活门结构如图2所示。图中，波纹管与膜盒活门、膜盒壳体焊接为一个整体，膜盒活门与壳体盖接触。

产品A腔为封闭腔，其中充有一定压力气体，产品B腔与外界相通，在膜盒活门关闭前，产品B腔与C腔相连。当外界压力降低时，波纹管在A腔压力作用下压缩变短，膜盒活门与壳体盖分开，到达一定压力时，膜盒活门与弹簧座接触密封，C腔中压力不随外界压力降低而减小；当C腔压力因滑油机构工作而压力上升时，弹簧活门打开，C腔压力降低。通过上述工作原理，使C腔工作压力在一定的范围内，保证滑油系统正常工作[4]。

图2  高空活门示意图

3.2  建立有限元模型及网格划分

产品的失效部位为波纹管，对产品模型进行简化，方便后续分析。截取膜盒壳体、膜盒活门、壳体盖、波纹管，采用CATIA进行建模，如图3所示。

图3  产品模型

对产品波纹管网格进行细分，其中波纹管采用曲面建模，网格划分方式采用面映射网格划分，网格大小为0.8mm；其余零件采用六面体网格，网格大小为3mm。产品网格划分如图4所示。

图4  网格划分

3.3  接触设置

根据产品结构，设置各零件间接触，如图5所示。其中波纹管与两端零件、壳体盖与膜盒壳体通过焊接成一个整体，各零件间约束设为绑定；壳体盖的轴可在膜盒盖的孔中沿轴向滑动，该处约束设定为位移约束；膜盒盖端面与壳体盖端面为“半自由”约束，即膜盒盖可沿轴向压缩波纹管，但无法拉伸波纹管。

图5  各零件间接触

膜盒盖与壳体盖端面的“半自由”约束为非线性约束，采用ANSYS Workbench进行随机振动仿真时，仅能进行线性分析，无法对该工况进行仿真。因此采用两种极端工况对实际产品工况振动应力范围进行计算：a)工况一，膜盒盖与壳体盖端面不分离，即膜盒盖无法与壳体盖脱开，此时膜盒盖无法压缩波纹管；b）工况二，膜盒盖完全自由，即壳体盖与膜盒盖无接触，在振动仿真时，膜盒盖会超出壳体盖限制，拉伸波纹管。实际工况下，产品振动应力处于上述两种条件计算得到的应力之间。

3.4  边界条件加载及求解

根据其在振动试验中的工况，产品右端固支，左端自由，波纹管外腔加压0.1MPa。

产品随机振动载荷谱如图7所示。

图6  随机振动载荷谱

3.5  结果分析

采用ANSYS Workbench有限元分析软件，对高空活门进行随机振动分析。当膜盒盖与壳体盖端面接触设为不分离时（工况一），其振动应力为150.27MPa，如图7所示；当膜盒盖完全自由时（工况二），其振动应力为262.74MPa，如图8所示。

图7  工况一振动应力

图8  工况二振动应力

产品在实际工况下的振动应力应处于上述两种工况之间，即界于150.27MPa和262.74MPa之间。产品波纹管所用材料为0Cr18Ni9不锈钢板材，经实际测量，所用钢板屈服强度在270MPa～300MPa之间。产品安全裕度过低，导致试验中发生波纹管断裂故障。

4  改进措施

为满足产品振动试验考核要求，提高产品的抗振性及可靠性，将波纹管材料由0Cr18Ni9不锈钢更改为GH4169高温合金，其常温屈服强度≥1040MPa。更换材料后高空活门通过试验考核，满足产品使用要求。

5  结束语

随着航空航天、石油化工等行业的快速发展，波纹管所处的工作环境日渐严酷，且存在较大的振动载荷。由于波纹管耐振性能差，因此在产品设计时，需采用有限元分析等方法，校核其振动强度能否满足使用要求，减少产品试错成本，提高设计效率。

参考文献

[1]  曹鹏，谷俊，毛福荣. 某型发动机高空活门研制[J]. 中国军转民, 2011(7):46-49

[2]  周毅锦，李永生. 波纹管非线性特性的有限元分析[J]. 南京滑动大学学报， 1999,21(4):61-64

[3]  韩淑洁，王心风. U型波纹管振动特性的有限元分析[J]. 压力容器， 2004,21(11):23-26

[4]  谷俊. 航空发动机滑油系统高风通风活门空中特性研究[J]. 航空科学技术， 2013（1）：41-43

作者简介

杨博霄（1991—），工程师，硕士，敏感元件设计。

王文霞（1970—），高级工程师，大专，敏感元件设计。