某型機(jī)艙門(mén)操縱鋼索斷絲原因分析與改進(jìn)研究

孫江同

（中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710089）

鋼絲繩可傳遞長(zhǎng)距離的負(fù)載，能夠承受多種載荷及交變載荷，具有較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性，在高速條件下耐磨、抗震、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好，承載安全系數(shù)大，使用安全性高，廣泛應(yīng)用于起重吊裝及操作系統(tǒng)。鋼絲繩是由許多螺旋元組成的復(fù)雜構(gòu)件，拉伸與扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生，且拉伸對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的影響與扭轉(zhuǎn)對(duì)縱向變形的影響互等。由于其使用中的受力狀態(tài)較為復(fù)雜，因而極易造成鋼絲材質(zhì)的損傷，其主要失效形式包括嚴(yán)重磨損、銹蝕、變形過(guò)量、疲勞、過(guò)載斷裂等。航空器的操縱系統(tǒng)中各類鋼索也廣為應(yīng)用，其性能往往涉及到整個(gè)系統(tǒng)的安全。研究鋼索的失效原因，采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施，有助于延長(zhǎng)其使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性。某飛機(jī)在地面檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)艙門(mén)操縱系統(tǒng)中與彈簧組件相連的鋼索有斷絲現(xiàn)象，經(jīng)拆解后觀察鋼索外觀特征可知，距鋼索螺紋接頭的收壓端頭約378mm 處產(chǎn)生斷絲現(xiàn)象。斷絲鋼索全貌見(jiàn)圖1。

1 鋼絲斷口觀察與分析

將鋼索斷絲處切斷進(jìn)行拆解，7 股（每股19 根）鋼絲中，每股均有斷絲現(xiàn)象，斷裂位置沿鋼索軸向不盡相同。各股上的鋼絲斷裂情況為2 根、1 根、1 根、2 根、3 根、1 根；各股上的斷絲斷面較平齊，表面可見(jiàn)磨損痕跡。

將鋼索的斷絲分別拆分清洗后，在掃描電鏡下對(duì)斷絲逐個(gè)進(jìn)行放大觀察，斷口形貌特征類似。斷口較平齊，表面較平坦，局部有磨損，無(wú)明顯塑性變形，見(jiàn)圖2。源區(qū)位于平坦區(qū)域邊緣，截面相對(duì)的兩側(cè)，有的斷絲源區(qū)附近有磨損，每側(cè)的源區(qū)附近可見(jiàn)臺(tái)階，呈多源形貌，放大觀察可見(jiàn)疲勞形貌，擴(kuò)展區(qū)后段可見(jiàn)二次裂紋，瞬斷區(qū)較粗糙，可見(jiàn)高低臺(tái)階，放大為韌窩形貌，見(jiàn)圖3。斷口均未見(jiàn)冶金缺陷，說(shuō)明鋼絲斷口均呈雙向彎曲疲勞特征，鋼索斷絲為雙向彎曲疲勞斷裂。通過(guò)裝配現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及安裝數(shù)模分析，確定斷絲位置與滑輪配合接觸位置吻合。當(dāng)艙門(mén)操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼索沿滑輪輪槽作往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)；鋼索一端連接彈簧組件，運(yùn)動(dòng)時(shí)拉動(dòng)彈簧組件，承受變化的拉應(yīng)力。結(jié)合斷口形貌觀察，初步認(rèn)為鋼索斷絲系彎曲疲勞斷裂所致。

圖1 斷絲鋼索全貌

圖2 鋼索部分?jǐn)嘟z形貌

圖3 斷口全貌（源區(qū)箭頭所指）

2 鋼索斷絲故障樹(shù)分析

造成飛機(jī)鋼索斷絲的因素有鋼絲繩冶金缺陷、鋼絲繩磨損、鋼絲繩疲勞、鋼絲繩銹蝕、鋼絲繩變形、鋼絲繩過(guò)載。根據(jù)以上因素，繪制艙門(mén)鋼索斷絲故障樹(shù)。按照故障樹(shù)（見(jiàn)圖4），對(duì)造成艙門(mén)鋼索斷絲的各種因素進(jìn)行分析。

2.1 鋼絲繩冶金缺陷

鋼絲繩產(chǎn)生于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的冶金缺陷，通過(guò)質(zhì)檢驗(yàn)收部門(mén)可以防止有冶金缺陷的鋼絲繩裝機(jī)。另鋼絲繩斷口未見(jiàn)冶金缺陷?？梢耘懦捎阡摻z繩冶金缺陷導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

2.2 鋼絲繩磨損

鋼絲繩磨損一般分為外部磨損、變形磨損、內(nèi)部磨損3種情況，見(jiàn)圖5。艙門(mén)斷絲鋼索斷口全貌見(jiàn)圖3。

圖4 艙門(mén)鋼索斷絲故障樹(shù)

圖5 鋼絲磨損后斷面形狀

（1）外部磨損。當(dāng)鋼絲繩繞過(guò)滑輪時(shí)會(huì)與滑輪繩槽發(fā)生摩擦，這種磨損是不可避免的，但是當(dāng)鋼絲繩與滑輪存在一定的偏角時(shí)，鋼絲繩不僅與滑輪槽底發(fā)生摩擦，同時(shí)還會(huì)與滑輪的槽壁發(fā)生接觸和相對(duì)位移而造成滑動(dòng)摩擦。偏角越大，則鋼絲繩與槽壁的接觸應(yīng)力越大，鋼絲繩對(duì)槽壁的壓力也就越大，則摩擦力越大。摩擦力的增大，會(huì)急劇地增大鋼絲繩的磨損疲勞。經(jīng)過(guò)計(jì)算，斷絲鋼索與其導(dǎo)向滑輪之間的偏角均在合理范圍內(nèi)，鋼索只與滑輪槽底發(fā)生摩擦。另根據(jù)鋼索斷口全貌圖，斷面形狀不符合鋼絲外部磨損后繩徑變細(xì)，表面被磨平的斷面形狀，可以排除由于外部磨損導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

（2）變形磨損。根據(jù)鋼索斷口全貌圖，斷面形狀不符合鋼絲變形磨損后斷面是擠壓處向兩旁伸展成翅形、鋼絲寬度擴(kuò)展的斷面形狀，可以排除由于變形磨損導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

（3）內(nèi)部磨損。根據(jù)鋼索斷口全貌圖，斷面形狀不符合鋼絲內(nèi)部磨損后斷口呈齒形，表面圓滑凹形的斷面形狀，可以排除由于內(nèi)部磨損導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

2.3 鋼絲繩疲勞

鋼絲繩在使用過(guò)程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞。鋼絲繩疲勞破壞的過(guò)程是：在循環(huán)載荷作用下，繩中鋼絲的局部最高應(yīng)力處，最弱的及應(yīng)力最大的鋼絲內(nèi)部晶粒上形成微裂紋，然后裂紋慢慢發(fā)展，最終導(dǎo)致疲勞斷絲。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和突然斷裂三個(gè)階段。

（1）彎曲疲勞。鋼索的斷絲位置起始于距帶螺紋接頭的收壓端約378mm 處，斷絲范圍約為100mm，其余部位經(jīng)檢查未見(jiàn)斷絲現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)裝配分析計(jì)算，鋼索斷絲位置在艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，距直徑Φ67mm 滑輪左端約261mm，在艙門(mén)打開(kāi)時(shí)，斷絲位置剛好與直徑Φ67mm 滑輪位置重合。鋼索斷絲位置在艙門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與滑輪配合接觸位置吻合。

鋼索的彎曲應(yīng)力可以按巴赫公式計(jì)算：

式中，Ec為鋼索的拉伸彈性模量，它不僅低于鋼絲材料的彈性模量，而且具有一定的非線性，一般來(lái)說(shuō)航空鋼索的平均拉伸彈性模量約為1.5×105MPa，d 為鋼絲直徑；D為轉(zhuǎn)向滑輪槽底直徑?？梢?jiàn)對(duì)于同一根鋼索，導(dǎo)向滑輪直徑越小其彎曲應(yīng)力越大，這與鋼索斷絲位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)Φ67mm 滑輪相吻合，Φ109mm 滑輪處未發(fā)現(xiàn)鋼索斷絲。

因此不能排除鋼索在滑輪處由于彎曲疲勞導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素，6×19+IWS-9.5 鋼索最佳滑輪直徑為90.49mm，小于這個(gè)直徑的滑輪將會(huì)加劇鋼索的彎曲疲勞斷裂。

（2）拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞。鋼索與艙門(mén)大彈簧相連，受彈簧拉伸應(yīng)力，彈簧在艙門(mén)開(kāi)合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生交變的拉伸應(yīng)力，變化的拉伸應(yīng)力更容易引起金屬疲勞；同時(shí)飛機(jī)在飛行過(guò)程中大彈簧不可避免的會(huì)發(fā)生振動(dòng)的情況，使鋼索同樣發(fā)生振動(dòng)，因此不能排除由于拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

2.4 鋼絲繩銹蝕嚴(yán)重

經(jīng)過(guò)檢查未發(fā)現(xiàn)鋼絲繩有銹蝕情況，排除由于銹蝕導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

2.5 鋼絲繩變形

檢查斷絲鋼索，未發(fā)現(xiàn)鋼絲繩有因?yàn)閴罕?、扭結(jié)以及股松弛產(chǎn)生的變形情況，排除由于變形導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

2.6 鋼絲繩過(guò)載

與大彈簧相連鋼索需承受的最大載荷為17052N，鋼絲繩6×19+IWS-9.5 的許用拉力為61000N，排除由于過(guò)載導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

3 故障排查結(jié)論

目前與大彈簧相連鋼索的牌號(hào)為6×19+IWS-9.5，其疲勞壽命試驗(yàn)推薦滑輪直徑為90.49mm，而與其配合的滑輪中最小直徑為Φ67mm，這會(huì)急劇縮短其彎曲疲勞產(chǎn)生的時(shí)間。經(jīng)裝配分析計(jì)算，鋼索經(jīng)過(guò)直徑Φ67mm 的滑輪時(shí)，其偏角為0°30′，在艙門(mén)打開(kāi)時(shí)，其徑向彎曲應(yīng)力約為50N，幾乎可以忽略不計(jì)。艙門(mén)大彈簧有些許震動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致鋼索在滑輪輪槽內(nèi)上下擺動(dòng)，加劇疲勞的產(chǎn)生。綜上所述，認(rèn)為剛索斷絲系鋼索的直徑與滑輪的直徑不匹配，以及鋼索的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、交變拉應(yīng)力以及軸向扭動(dòng)，在與滑輪軌道槽接觸處形成復(fù)雜的交變應(yīng)力，致使鋼絲疲勞斷裂。其中鋼索的直徑與滑輪的直徑不匹配是導(dǎo)致鋼絲疲勞斷裂加劇的重要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)操縱鋼索斷絲的成因多樣，建立完整的故障樹(shù)，逐一分析排查，可準(zhǔn)確定位故障原因。根據(jù)分析，某機(jī)型艙門(mén)鋼索斷絲原因?yàn)槠跀嗔眩罄m(xù)可主要圍繞減小鋼索直徑，增大滑輪直徑，增加鋼索豎直方向的約束以消除雙向彎曲等方面進(jìn)行的改進(jìn)工作，延長(zhǎng)鋼索使用壽命。