案例分析│偏航制动器失效

      现有两件失效偏航制动器，每件由两部分组成（如图1中编号1-1、1-2为一件），分解状态的制动器外观见图1，每件制动器由两部分通过12枚螺栓（M36×350）连接组成。在考核试验时发现制动器失效，产品服役时间为2019年6月至2020年6月。制动器（外壳体）材质为球墨铸铁，遵循标准GB/T 1348-2009《球墨铸铁件》，制造工艺为砂型铸造，表面涂覆油漆。制动器安装在机舱内，共5个，检查发现其中2个制动器上侧卡钳U型槽处存在裂纹、摩擦片背板卡滞/脱离、以及5个制动器上侧摩擦片全部磨损耗尽，制动盘上摩擦片面磨损严重（最深处磨损5mm，设计总厚度40mm），其余未见异常[1]。图1、图2中箭头处为开裂和磨损外观，现要求对两件失效制动器进行失效分析。

      失效件1-1内部工作面外观见图3，可见活塞存在磨损痕迹（左图中箭头处），内部未见摩擦片；U型槽单侧局部缺失、结构不完整，还存在疑似开裂特征（图3右图箭头处）。

图3  1-1内部工作面外观

      1-2、2-2左右两侧U型槽结构完整、无缺失，摩擦片完整，2-2内部工作面外观见图5,从图5来看，摩擦片存在不均匀磨损，磨损相对较重的地方延伸方向的夹钳壳体也存在磨损，形成弧形磨损特征，推测可能为制动盘边缘与壳体相互磨损形成，其余部位壳体的漆层完好，U型槽处测量的摩擦片厚度约为6mm，新品为9mm，说明已磨损掉3mm。

      U型槽底宏观形貌见图8，1-1除局部缺失外，未见明显开裂特征，2-1可见明显开裂。

      将2-1裂纹断口打开，整体宏观形貌见图9，断口平齐，可见断口呈深色区和浅色区两个部分，中间为圆弧过渡，可能分两次稳定扩展形成。将断口分为A、B、C、D四个区域进行分析，可见裂纹从A区外表面萌生，沿B区、C区方向扩展，D区为人为断口。A、B区为深色区，颜色分布比较均匀，可能为同一时间段形成的裂纹，该区域局部可见红锈；C区为浅色区，颜色分布均匀，距离事故发现时间最近，可能为最后一次扩展形成。裂纹在A区表面起源，沿图中箭头所指方向扩展。 

      外观检查结果显示，两件制动器均存在不同程度损伤，损伤模式主要有机械磨损、变形、开裂，其中机械磨损和变形可确定为二次损伤形成。裂纹断口检查结果显示，断口形貌特征为韧窝，源区除个别区域存在微观孔洞和显微疏松外，未发现明显宏观缺陷。因此，根据以上特征可判断裂纹为过载开裂。

      金相检查结果显示，两件制动器U型口附近金相检查面均未发现明显裂纹、缩孔、夹渣等铸造缺陷，石墨球化级别均符合GB/T 9441规定的3级， 满足GB/T 1348-2009对石墨球化等级的要求（不低于GB/T 9441规定的4级），基体金相组织均为铁素体。机械性能检查结果表明，两件制动器的抗拉强度、屈服强度、延伸率及硬度等指标与标准GB/T 1348-2009中QT350-22的要求相符。

      制动器的上侧工作面检查结果显示， 5件偏航制动器的上摩擦片全部磨损耗尽，1#和2#制动器观察窗存在开裂和挤压变形特征；与该工作面形成摩擦副的制动盘对应表面被磨损掉5mm深度；上摩擦片背板掉落，两件失效件上侧部件间均有摩擦片背板卡滞。制动器的下侧工作面检查结果显示，摩擦片厚度还剩6mm（新品厚度9mm），摩擦片及夹钳基体存在不均匀的弧形磨损（见图5），推测可能为制动盘异常偏转后边缘与下壳体相互磨损形成。对比制动器的上侧和下侧工作面检查情况，上侧工作面明显比下侧工作面损伤严重，制动器在工作时靠液压式活塞推动摩擦片来完成制动，推测发生偏磨现象可能是该系统内部存在异常，导致上下两侧制动器产生非对称性制动现象。

      制动器侧面剖视图如图26所示，制动器的上下工作面距离为46mm，中间的制动盘厚度为40mm，因此，在安装对中的情况下，制动盘与上下两侧工作面的间隙各有3mm。当液压制动系统内部存在异常时，可能会导致上下两侧工作面不能起到均匀制动的效果，而主要集中在上侧摩擦片上，当上侧摩擦片磨损耗尽后，由于制动器的工作指令没有停止，活塞会继续与制动盘摩擦，工况进一步恶化，同时摩擦片背板掉落卡滞在制动盘与制动器间，几种金属构件相互磨损，最终导致制动全面失效。

      U型口的主要功能是观察窗，在制动器安装和工作中均不受力，所以可认为是受到二次损伤造成。失效件2-1未开裂处的金相组织检查结果也表明，挤压磨损处的组织严重变形，球状石墨筏排化，同时试样剖面上也看出，U型转角直角变成了约45°锐角，同时在该锐角处还萌生了一条长度约0.1mm的微裂纹。以上这些特征可以充分说明，U型口是在受到异常冲击或挤压后才产生了严重变形和过载开裂。

（1）制动器的失效模式主要为机械磨损、变形和开裂；

（2）异常冲击或挤压是造成U型口处开裂的主要原因。