航空器柔性鋼索失效分析研究

李勇君，唐海軍，陳衛(wèi)華

（1.中國民用航空飛行學院遂寧分院，遂寧 629000；2.中國民航科學技術(shù)研究院，北京 100028）

航空器柔性鋼索失效分析研究

李勇君1，唐海軍2，陳衛(wèi)華1

（1.中國民用航空飛行學院遂寧分院，遂寧 629000；2.中國民航科學技術(shù)研究院，北京 100028）

柔性鋼索在航空器上常用于傳遞操縱位移和操縱力。為了提高航空器的飛行可靠性，有效保證

航空器及乘客的安全?；阡撍髟诤娇掌鞴收鲜Ｊ?，采用由表及里、追本溯源、瞻前顧后的故障分析方法，從鋼索材質(zhì)、物理性能、工作狀態(tài)等方面，研究航空器鋼索斷裂失效原因，并依據(jù)分析結(jié)論，提出相應(yīng)的維修對策，結(jié)果表明：應(yīng)用改進措施降低了鋼索斷裂失效的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性，有效的保證了航空器的飛行安全。

鋼索；微動磨損；航空器；維修；對策

0　引言

鋼索因其具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、布局和安裝容易、便于繞過障礙物等優(yōu)點，在航空器上常用于傳遞操縱力和位移，用來控制舵面的偏轉(zhuǎn)、發(fā)動機油門的加減等，從而使航空器能正常的飛行。航空器操縱鋼索通常以一束鋼絲按照螺旋形扭織成股，然后以一股為中心其余數(shù)股扭編成鋼索，其工作時的受力狀況相當復(fù)雜。飛行中，鋼索還要承受航空器飛行帶來的極端溫度、濕度、操縱力變化。近年來，由于空氣質(zhì)量的逐年下降，空氣中的酸性物質(zhì)和灰塵呈不斷上升趨勢，這些物質(zhì)在鋼索上聚集后極易造成飛機鋼索的腐蝕和磨損。在航空器上鋼索往往用于比較重要的發(fā)動機、飛行控制面等系統(tǒng)的操縱，一旦鋼索斷裂失效，將危及飛行員、旅客的生命安全。因此研究鋼索的失效原因，制定相應(yīng)的維修對策，有助于延長鋼索使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性，保障飛行員、旅客的生命安全和國家財產(chǎn)的安全。

筆者以工作中的實際故障為研究對象，使用了“由表及里→追本溯源→瞻前顧后”[1]的故障分析方法，對可能引起鋼索斷裂故障的原因進行一一排除，查找造成鋼索失效斷絲的最終原因，并提出解決鋼索失效的維修對策。

1　事件描述

機務(wù)人員在對某型航空器進行1200小時“升降舵配平調(diào)節(jié)機構(gòu)的拆卸、清潔、檢查及潤滑”工作時，發(fā)現(xiàn)該航空器方向舵操縱鋼索在機身站位FS142.00隔框?qū)蚧喬帲▓D2中C處）出現(xiàn)較嚴重的斷絲，在鋼索磨損處有大量黑色粉末狀物質(zhì)，如圖1所示。在對該型航空器整個機群進行檢查后，發(fā)現(xiàn)24架航空器在相同位置出現(xiàn)鋼索斷絲現(xiàn)象，占機群總數(shù)的23.5%，另有多架飛機出現(xiàn)磨損跡象。該鋼索直接連接飛機方向舵，若失效斷裂，將直接威脅飛行安全。

圖1　故障鋼索

表1　鋼索使用的基本信息

鋼索安裝布局如圖2所示，該鋼索規(guī)格為7×19特柔性鋼索，鋼索直徑1/8英寸，正常狀況下工作張力不高于60磅，C處鋼索包角小于3°。

圖2　鋼索安裝布局

目前，造成鋼索斷絲故障的原因主要表現(xiàn)為腐蝕、疲勞、磨損和過載。

腐蝕：腐蝕是飛機結(jié)構(gòu)損傷的一種重要形式[2]。成都地區(qū)地處四川盆地，風速小，靜風頻率高。造成相對濕度大，污染物的擴散和稀釋作用不明顯。隨著近年來空氣質(zhì)量的下降，成都地區(qū)大氣顆粒物含量高、酸性物質(zhì)濃度大。這些物質(zhì)與水蒸氣結(jié)合，形成具有酸性的溶液（SO42-、Cl-、NO3-），凝結(jié)于鋼索表面，造成電解液腐蝕，進而出現(xiàn)鋼索斷絲。

疲勞和磨損：在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞稱為“疲勞”。鋼索因其柔軟，常與轉(zhuǎn)向滑輪配合使用于需要改變力或位移的傳遞方向地方。在鋼索與滑輪接觸的位置，鋼索不僅受到操縱的拉力和鋼索與滑輪接觸的摩擦力，還受到鋼索彎曲產(chǎn)生的交變應(yīng)力以及彎曲過程中鋼絲之間的摩擦力[3]。在多種力的復(fù)合作用下，鋼索易疲勞和磨損而失效斷裂。

過載：處于操縱系統(tǒng)中的鋼索，當其操縱對象出現(xiàn)卡阻、受力時，會因其操縱力超過鋼索能承受的最大應(yīng)力而造成鋼索的斷裂失效。

上述原因之中的一種單獨作用或兩種及以上復(fù)合作用下將造成鋼索的失效斷裂。

2　測試與分析

2.1鋼索材質(zhì)分析

為查找鋼索斷裂原因，斷絲鋼索送中國民航科學技術(shù)研究院航空安全研究所進行材質(zhì)分析。經(jīng)X-射線能譜分析表明，方向舵鋼索材料是含(wt%)Si0.64、Cr19.53、Mn1.17、Ni9.18，余量為Fe的不銹鋼，能譜曲線如圖3所示。對比美軍標MIL-DTL-83420[4]中規(guī)定的生產(chǎn)鋼索的不銹鋼牌號和汽車工程師協(xié)會標準SAE HS 1086[4]規(guī)定的不銹鋼成分（如表2所示）可知，編制鋼索的鋼絲材料中，各成分的含量符合技術(shù)要求。

表2　化學成分含量測定結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)/%）

圖3　材料的能譜曲線

2.2鋼索物理性能測試

根據(jù)出現(xiàn)斷絲的鋼索規(guī)格和直徑，在MIL-DTL-83420[5]中查閱鋼索物理性能如表3所示。依據(jù)實驗標準ASTM E8/E8M-09[6]中規(guī)定的實驗方法，在斷絲鋼索的完整段截取數(shù)段鋼索試件，進行拉伸試驗。經(jīng)測試，其各項物理性能值均符合標準中的規(guī)定。

表3　鋼索物理性能

綜合2.1節(jié)和2.2節(jié)的測試結(jié)果，排除了鋼索因生產(chǎn)制造不合格而造成的鋼索疲勞特性、耐磨性、耐腐蝕等性能的降低，而造成鋼索失效斷裂。

2.3鋼絲斷面分析

在掃描電鏡下的宏觀形貌如圖4所示。從宏觀形貌圖可以看出，鋼絲表面未見明顯的腐蝕坑點，但存在明顯的擦傷，如圖4(b)所示。鋼絲斷面與鋼絲軸線呈15°角。在圖4(c)和圖4(d)鋼絲斷面放大圖中未見疲勞斷裂形貌和明顯的雜質(zhì)等冶金缺陷，但在鋼絲斷面上存在方向一致的劃痕。從鋼索斷絲宏觀形貌可以看出方向舵鋼索的斷絲是由于磨損所致。

2.4鋼索工作狀態(tài)分析

鋼索與導向滑輪正常操縱時的工作狀態(tài)如圖5所示，經(jīng)檢查，導向滑輪轉(zhuǎn)動靈活，無卡阻現(xiàn)象，無明顯異常磨損。鋼索斷絲僅存在整個操縱行程的某一固定位置的鋼索與滑輪接觸處（如圖6所示），磨損范圍集中在10mm之內(nèi)。操縱行程中其他位置無斷絲，僅在與滑輪接觸處出現(xiàn)磨亮跡象。

圖4　斷絲的宏觀形貌

圖5　鋼索和導向滑輪

圖6　鋼索斷絲位置

筆者使用高清攝像機對另一架航空器上出現(xiàn)輕微磨損的鋼索進行了觀察，拍攝了鋼索在地面滑行、起飛、平飛、降落等整個飛行過程的工作狀態(tài)。在對視頻進行分析后發(fā)現(xiàn)，當方向舵鋼索磨損位置操縱至位于導向滑輪處時，方向舵位于中立位，航空器水平直線飛行。在工作過程中，由于航空器飛行中不穩(wěn)定氣流、發(fā)動機震動、操縱力等的作用，鋼索以一定的頻率上下抖動。特別是在平飛階段，鋼索長時間的以一個較穩(wěn)定頻率高速抖動。

2.5斷裂原因分析

綜上所述，鋼索的失效斷裂與微動磨損特征相符。微動磨損（Fretting Wear）指接觸表面由小位移的往復(fù)運動引起的表面損傷，這種微動運動是由外界振動引

【】【】起的。微動磨損的形態(tài)學特征是：a.表面出現(xiàn)黑色氧化物磨屑，圖1中鋼索磨損處存在大量黑色粉末現(xiàn)象與之相符；b.磨損表面出現(xiàn)與微動方向的一致劃痕，在圖4(c)、圖4(d)中可以看到明顯的磨損劃痕。

當航空器地面滑行、起飛、降落時，由于飛行員為了調(diào)整飛機滑行方向和飛機飛行姿態(tài)，鋼索雖然也會與滑輪微動相磨，但由于相磨位置不固定，效果不明顯，鋼索未出現(xiàn)斷絲。當飛機水平直線平飛時，由于方向舵長時間固定于中立位，鋼索與滑輪接觸位置固定，鋼索在發(fā)動機振動、方向舵氣流的激勵下不停抖動，長時間的微動磨損而斷絲。由此可以推斷鋼索的斷裂失效是因長時間的微動磨損引起。

3　維修對策

影響微動磨損的因素主要有：

1）振幅和接觸壓力

當振幅超過某一值時，磨損量隨振幅的增加呈近似線性的關(guān)系增長。低振幅時，磨屑一般可保持在接觸面之間，從而阻止了金屬之間的直接接觸。在振幅保持不變的情況下，接觸壓力增大，磨損速率增加。

2）環(huán)境濕度和水溶液介質(zhì)

濕度的影響主要是它的潤滑作用，是磨屑易于從接觸面溢出，加速磨損。對于不銹鋼等依靠鈍化膜抗蝕的材料來說，微動磨損使保護膜破壞，降低保護作用。在腐蝕性電解質(zhì)溶液中的磨損率較大氣環(huán)境會明顯提高[7]。

針對上述影響因素，對磨損位置處的維修對策：

1）降低導向滑輪的高度，以減少鋼索的接觸壓力。

2）導向滑輪B至方向舵D的鋼索段，在鋼索過機身隔框處增加限位片，減少鋼索的抖動，如圖7所示。

圖7　鋼索限位裝置

3）經(jīng)常清除鋼索上凝結(jié)的水分和沉積的灰塵，使鋼索保持干燥、清潔。對于非嚴重腐蝕環(huán)境運行的飛機，盡量不在鋼索上涂抹防腐用的油脂。

4）鋼索斷絲與微動磨損的時間積累有關(guān)系，減少鋼索的檢查時間間隔，可提前發(fā)現(xiàn)鋼索失效，可保證飛行安全。

4　結(jié)論

1）鋼索的失效斷裂是由微動磨損引起的。

2）依據(jù)改進措施對飛機進行改進，并修訂鋼索的維護方案，經(jīng)在整個機群驗證，鋼索斷絲故障率有了明顯降低，措施有效。

[1] 孫聰,王向明.飛機結(jié)構(gòu)典型故障分析與設(shè)計改進[M].北京：航空工業(yè)出版社,2007：5-7.

[2] 陳群志,劉文珽,陳志偉,等.腐蝕環(huán)境下飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)問題[J].中國安全科學學報,2000,22(11)：42-47.

[3] 劉庭耀,趙曉輝.飛機操縱系統(tǒng)鋼索斷裂原因分析[J].失效分析與預(yù)防,2009.4(4)：247-250.

[4] U.S.Departments and Agencies of Defense,Wire Rope Flexible for Aircraft Control[S]. MIL-DTL-83420L,2005.

[5] SAE and ASTM. Metals and Alloys in the Unified Numbering System[S].SAE HS 1086,2012.

[6] ASTM. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials[S], ASTM E8/E8M-09,2010.

[7] 劉道新.材料的腐蝕與防護,西安：西北工業(yè)大學出版社[M].2005.12：188-192.

Failure analysis of fl exible cable in aircraft control system

LI Yong-jun1, TANG Hai-jun2, CHEN Wei-hua1

加工與制造

V25

A

1009-0134(2016)07-0060-04

2016-05-18

中國民航飛行學院基金項目：Cessna172R飛機關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)件腐蝕研究（J2015-70）；Cessna172R飛機襟翼系統(tǒng)故障分析（Q2015-121）

李勇君（1983 -），男，安徽臨泉人，工程師，工學碩士，研究方向為航空器維修與適航。