某型飛機(jī)升降舵離合器故障分析與解決

孫 勇

(海軍裝備部，西安 710074)

為滿足飛機(jī)安全可靠性要求，其主操縱系統(tǒng)通常采用雙套鋼索操縱線系，在雙套鋼索操縱線系之間配置離合器(見圖1)。正常情況下，離合器起聯(lián)動(dòng)作用，即當(dāng)駕駛員作用于一側(cè)的操縱線系時(shí)，另一側(cè)線系借助離合器的剛性連接同步動(dòng)作；當(dāng)一側(cè)操縱線系出現(xiàn)卡阻的情況下，駕駛員通過按駕駛艙中的脫開控制開關(guān)使離合器斷開，從而使左右兩套操縱線系完全脫開，駕駛員通過另外一套正常線系對(duì)飛機(jī)單側(cè)舵面進(jìn)行操縱，使飛機(jī)安全返航。

圖1 雙套操縱裝置示意圖

*注：1.輸入搖臂組件；2.回力桿；3.離合器；4.扇形輪；5.輸出搖臂組件；6.輸入拉桿

離合器是操縱系統(tǒng)中的一個(gè)部件。正常操縱時(shí)，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，起聯(lián)動(dòng)作用。當(dāng)一側(cè)操縱線系出現(xiàn)卡阻或其他故障時(shí)，駕駛員通過駕駛艙中的左右脫開控制開關(guān)給電磁鐵通電，此時(shí)產(chǎn)生足夠大的電磁吸力將電磁鐵頂桿伸出并推動(dòng)釋放軸，釋放搖臂“脫扣”并在扭簧力的作用下旋轉(zhuǎn)，離合器內(nèi)結(jié)合子與外結(jié)合子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)釋放搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度受到止動(dòng)軸限位時(shí)，內(nèi)結(jié)合子的扁平面與外結(jié)合子的水平缺口齊平，這時(shí)內(nèi)結(jié)合子從外結(jié)合子脫出，從而使左右操縱線系完全脫開，通過另一套線系對(duì)飛機(jī)單側(cè)舵面進(jìn)行操縱(見圖2)。

圖2 離合器結(jié)構(gòu)示意圖

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)進(jìn)行機(jī)體定檢時(shí)，要求升降舵離合器通電后應(yīng)立即斷開。但是某架該型機(jī)進(jìn)行通電后，此裝置未正常斷開，隨即機(jī)務(wù)人員采用手動(dòng)模式強(qiáng)制使離合器斷開，地面進(jìn)行人工復(fù)位后，再次通電時(shí)離合器可正常斷開。

2 故障分析

2.1 故障樹分析

以離合器未正常斷開(頂事件)作為分析的目標(biāo)，采用故障樹的分析方法，找出產(chǎn)品通電未正常斷開原因，如圖3所示。

圖3離合器未正常斷開問題之故障樹

2.2 故障排查

離合器未正常斷開的原因有14個(gè)因素，見圖3中X1～X14。

2.2.1 外場機(jī)上檢查

外場測量了5架機(jī)離合器產(chǎn)品的釋放軸推動(dòng)力，其中一架飛機(jī)離合器釋放軸推動(dòng)力值最大，為110N，超出了電磁鐵通電時(shí)的設(shè)計(jì)推力值71.6N。

外場檢查兩型離合器電磁鐵供給電壓，電壓值(24V)滿足產(chǎn)品使用要求；檢查電磁鐵推桿、內(nèi)外結(jié)合子、儲(chǔ)能扭簧、推桿復(fù)位彈簧的運(yùn)動(dòng)情況，均運(yùn)動(dòng)靈活，無異常磨損，可初步排除X1、X2、X3及X4項(xiàng)；根據(jù)外場出現(xiàn)故障后，釋放軸復(fù)位正常，產(chǎn)品復(fù)位后離合器通電可正常斷開等現(xiàn)象分析，可初步排除X6、X7、X8、X11項(xiàng)；檢查釋放軸與搖臂結(jié)合處、內(nèi)、外結(jié)合子結(jié)合處均無卡滯，可排除X10項(xiàng)。

2.2.2 故障件返廠檢查

為進(jìn)一步排查故障原因，對(duì)故障件進(jìn)行返廠排查，主要進(jìn)行了功能、性能檢查、釋放軸推力檢查、電磁鐵推力測量、電磁鐵推桿及釋放軸運(yùn)動(dòng)靈活性檢查、釋放軸及相關(guān)配合零件接觸部位磨損情況檢查、釋放軸及相關(guān)配合零件尺寸檢查等。經(jīng)排查，產(chǎn)品零組件尺寸符合設(shè)計(jì)圖樣要求；復(fù)位彈簧彈力、扭轉(zhuǎn)彈簧扭矩、電磁鐵推力等均符合設(shè)計(jì)要求；釋放軸活塞表面存在著金屬銅元素，與產(chǎn)品使用過程中堵頭與釋放軸長期受壓、運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦有關(guān)。

綜上所述，可以排除故障樹中的X5和X14項(xiàng)。

2.2.3 廠內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)

通過外場及返廠故障件排查，導(dǎo)致離合器首次通電未正常斷開問題的影響因素X9、X12、X13項(xiàng)還不能排除。

針對(duì)該三項(xiàng)影響因素，制定模擬試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，匯總情況見表1。

表1 因素X9、X12、X13分析匯總表

續(xù)表1

分析原因驗(yàn)證措施驗(yàn)證結(jié)果產(chǎn)品裝機(jī)后長期未使用斷開功能,釋放軸與釋放搖臂間的靜摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增大而增大(X13)產(chǎn)品加載180N·m持續(xù)保持2個(gè)月后,測量釋放軸阻力 釋放軸阻力較初始力值增大(釋放軸首次推動(dòng)的正向阻力由67N增大為78N),產(chǎn)品在機(jī)上加載使用可能會(huì)出現(xiàn)斷開性能下降的問題飛機(jī)操縱線系施加于產(chǎn)品上的拉壓力矩,導(dǎo)致釋放搖臂孔傾斜,使釋放軸阻力增大(X9)輸入、輸出搖臂的輸入扭矩由30N·m開始,每次增加30N·m,直至增加到180N·m,每次測量釋放軸阻力隨施加扭矩值的增大,產(chǎn)品釋放軸阻力變化在5N范圍內(nèi),變化較小。表明該產(chǎn)品斷開性能下降與扭矩增大無直接關(guān)系

根據(jù)排查結(jié)果分析，改進(jìn)釋放軸、更換襯套(X12)和增加拉壓力矩(X9),釋放軸阻力無明顯變化。目前，故障樹中僅剩X13項(xiàng)不能排除。

2.2.4 外場地面檢查

外場檢查情況見表2。發(fā)生首次通電無法斷開的離合器，距最近一次定檢的日歷時(shí)間至少在5個(gè)月以上，5個(gè)月以下離合器首次通電均可正常斷開。由此數(shù)據(jù)可看出離合器首次通電未正常斷開問題，與產(chǎn)品長期未使用斷開功能有關(guān)。

表2 外場地面檢查結(jié)果

2.2.5 設(shè)計(jì)理論分析

影響靜摩擦力的因素眾多，如時(shí)間、材料、結(jié)合面粘著力、結(jié)合面接觸剛度、結(jié)合面模型設(shè)計(jì)、工作環(huán)境溫度等[1-4]，綜合離合器外場使用過程中出現(xiàn)的斷開不可靠情況及廠內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證情況分析，該型離合器出現(xiàn)首次通電未正常斷開的原因應(yīng)為釋放軸靜摩擦阻力增大。釋放軸靜摩擦阻力主要影響因素是靜摩擦力隨時(shí)間增長而增大。上世紀(jì)50年代，包頓、忒布等物理學(xué)家提出了“靜摩擦力隨停留時(shí)間的增長而增大”的觀點(diǎn)，1959年拉賓諾維奇提出了靜摩擦力隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式us=uk+C1·Tc2，其中us為摩擦系數(shù)，uk為動(dòng)摩擦系數(shù)，C1、C2常數(shù)。

3 故障結(jié)論

經(jīng)分析，導(dǎo)致離合器首次通電未正常斷開的原因?yàn)椋寒a(chǎn)品裝機(jī)后長期未使用斷開功能，釋放軸靜摩擦力隨時(shí)間推移而增大，當(dāng)靜摩擦力增大至大于電磁鐵設(shè)計(jì)推力值時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)離合器無法斷開現(xiàn)象。

4 改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證情況

4.1 改進(jìn)措施

離合器定檢時(shí)出現(xiàn)首次通電未正常斷開問題，其根本原因是電磁鐵輸出力不滿足隨時(shí)間推移引起靜摩擦力增大的要求，導(dǎo)致電磁鐵推力無法克服釋放軸靜摩擦力所致，故采用改進(jìn)電磁鐵的方案解決離合器首次通電未正常斷開問題。

按照電磁分析的仿真模型及電磁鐵在產(chǎn)品中的需求[5]，建立電磁鐵的三維模型，如圖4所示。

圖4 電磁鐵三維模型

以外場實(shí)測的釋放軸最大靜摩擦阻力110N，作為18V DC 70℃新電磁鐵的基本設(shè)計(jì)參數(shù),重新設(shè)計(jì)電磁鐵。

通過分析模型電磁鐵間隙與輸出力數(shù)據(jù)，可以看出，通過改變電磁鐵結(jié)構(gòu)中與釋放軸作用時(shí)的動(dòng)靜銜鐵間隙，可以使輸出力滿足要求。

表3 不同模型參數(shù)下電磁力計(jì)算結(jié)果

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以上改進(jìn)措施，在廠內(nèi)驗(yàn)證件中均進(jìn)行了貫徹和試驗(yàn)驗(yàn)證，功能、性能、高低溫、振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，滿足產(chǎn)品使用技術(shù)要求。

4.3 裝機(jī)驗(yàn)證

經(jīng)過廠內(nèi)驗(yàn)證后，將改進(jìn)后的離合器進(jìn)行裝機(jī)，機(jī)上驗(yàn)證功能可靠，經(jīng)外場使用后，情況正常，證明措施有效，從根本上杜絕了同類故障的再次發(fā)生。

5 結(jié)語

離合器在外場定檢中發(fā)生的首次通電未正常斷開問題，是因?yàn)楫a(chǎn)品裝機(jī)后長期未使用斷開功能，釋放軸靜摩擦力隨時(shí)間推移而增大，電磁鐵推力不足以推開釋放軸所致。通過增大電磁鐵推力的改進(jìn)電磁鐵設(shè)計(jì)，可解決離合器首次通電未正常斷開問題。

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