航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效的種類及原因分析

聶　挺（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川　廣漢　618307）

航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效的種類及原因分析

聶挺
（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢618307）

摘要：操縱系統(tǒng)鋼索的故障形式包括腐蝕、磨損、卡阻、斷裂等，由于操縱系統(tǒng)關(guān)系航空器的姿態(tài)和航向，特別是關(guān)鍵階段保持航空器姿態(tài)尤顯重要，而一旦操縱鋼索出現(xiàn)故障，將影響操縱力的傳遞，舵面有可能無法偏轉(zhuǎn)到預(yù)期的位置，航空器的姿態(tài)或航向?qū)⑵x目標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致航空器失去控制。本文從鋼索測(cè)試檢測(cè)與分析、鋼索載荷和應(yīng)力兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)描述，得出了航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效的相關(guān)結(jié)論，旨在拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：航空器；操縱系統(tǒng)鋼索；失效

近期，某飛行訓(xùn)練單位Cessna172機(jī)群操縱鋼索已發(fā)生異常磨損故障110多起，嚴(yán)重影響了飛行訓(xùn)練和安全，操作系統(tǒng)失效是航空器“三防”（防操作系統(tǒng)失效、防空停、防起落架失效）工作的首要關(guān)注點(diǎn)。特別是2012年7月B-XXXX飛機(jī)升降舵鋼索斷裂故障，所幸鋼索斷裂時(shí)處于著陸接地階段，否則將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的飛行事故，該故障現(xiàn)已引起民航監(jiān)管部門的高度重視。鋼索是具有多螺旋元組成復(fù)雜構(gòu)件，能夠傳遞較長(zhǎng)距離負(fù)載。這種負(fù)載包括交變載荷，因此在抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)上具有很大的優(yōu)勢(shì)，在常規(guī)情況下使用承載安全系數(shù)較大、使用安全性較高。但同時(shí)使用過程中鋼索承載來自于多方向性結(jié)構(gòu)的作用扭轉(zhuǎn)力，也容易對(duì)鋼索本身造成一定的損傷，從而使得安全保障受到一定的威脅。鋼索失效的形式一般可分為磨損、變形、腐蝕、疲勞、斷裂等。

1　鋼索測(cè)試檢測(cè)與分析

Cessna172機(jī)群操縱鋼索采用6*7+WS結(jié)構(gòu)形式，整體鋼索直經(jīng)為25mm，分別由7股小鋼索組成、每小股由7根單鋼絲、單根鋼絲直徑0.28mm，標(biāo)準(zhǔn)破斷拉力不低于4.97kN。其符合于GB8902-1988國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。從2012年7月B-XXXX飛機(jī)升降舵鋼索斷裂事件采集樣品經(jīng)過測(cè)試，對(duì)鋼索的拉伸極限承載能力進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，經(jīng)過兩組樣品儀對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)拉伸極限承載能力為5.25kN和5.22kN，結(jié)果符合GB8902-1988國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這完全說明鋼索斷裂的主要原因不是破斷力不足引起的。但是這一結(jié)果不能說明鋼索本身材料質(zhì)量是否存在問題。由此我們對(duì)斷裂事件采集樣品進(jìn)行了化學(xué)實(shí)驗(yàn)，來檢測(cè)鋼索材料本身化學(xué)元素組成是否符合GB699-1999國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過檢測(cè)和對(duì)比，材料本身所包含的含碳、含硫、含磷等其它元素指標(biāo)全部在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。將所采集的樣品材料放置在掃描電鏡之下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鋼索表面呈現(xiàn)周向、環(huán)向摩擦的痕跡。通過仔細(xì)的斷口觀察，發(fā)現(xiàn)斷口明顯存在兩個(gè)分區(qū)，一是呈現(xiàn)橢圓形狀的拉伸后疲勞斷裂區(qū)，鋼索明顯呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)變形狀態(tài)、二是瞬間斷裂區(qū)，鋼索明顯并無拉伸跡象而呈現(xiàn)瞬間斷裂的特征。瞬間斷裂區(qū)域鋼索斷截面與鋼索中心軸線交互呈現(xiàn)45度傾角，斷口附近有摩擦的痕跡。同時(shí)斷口疲勞區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)疲勞源發(fā)散的特征且疲勞源有一定特征的擦傷痕跡。通過金相觀察和檢測(cè)鋼索金相組織未見雜質(zhì)異常，含碳、含硫、含磷等其它元素指標(biāo)全部均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。

2　鋼索載荷和應(yīng)力

根據(jù)鋼索設(shè)計(jì)要求其預(yù)張力P0= 183.38N，張力在鋼索中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

（KL為拉伸應(yīng)力不均勻系數(shù)，一般取值1.2；P鋼索張力；A為鋼索橫斷面積之和）

鋼索在一定程度上設(shè)計(jì)預(yù)張力基本恒定，只能承受拉力還不能承受壓力，因此預(yù)張力毫無意外地在鋼索中產(chǎn)生。只有航空器具體操作時(shí)，鋼索才產(chǎn)生相應(yīng)的工作張力。因此相對(duì)而言鋼索工作張力并不是處于持續(xù)狀態(tài)，而是具有間歇性的特點(diǎn)。由此我們分析，鋼索出現(xiàn)斷裂特征是由于疲勞狀態(tài)下過量疲勞應(yīng)力所產(chǎn)生的，在常規(guī)情況下的疲勞應(yīng)力并未見可導(dǎo)致失效，因而我們可以推斷鋼索斷裂的原因，在于鋼索疲勞應(yīng)力在工作狀態(tài)下增加引起的。工作狀態(tài)中，鋼索與滑輪進(jìn)入接觸狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致鋼索的彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生，這種彎曲應(yīng)力方向具有不確定性，我們可根據(jù)巴赫公式來進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，公式如下：

其中：Ec為鋼索的拉伸彈性模量，一般為1.5×105MPa，d為鋼絲直徑；D為轉(zhuǎn)向滑輪槽底直徑。

根據(jù)公式我們可以看出，鋼索的彎曲應(yīng)力和滑輪直徑呈現(xiàn)反比例關(guān)系，也就是說滑輪直徑越大，鋼索的彎曲應(yīng)力越小，這樣我們可以推斷，轉(zhuǎn)向滑輪直徑最小處是鋼索最容易遭受疲勞應(yīng)力增加而導(dǎo)致鋼索發(fā)生疲勞斷裂的原因。

3　措施改進(jìn)

通過以上分析，我們針對(duì)鋼索使用應(yīng)采取相應(yīng)措施來預(yù)防鋼索斷裂失效的情況發(fā)生。一方面我們?cè)诓捎酶鞣N滑輪、鼓輪、扇形輪的時(shí)候，盡量的滿足比較大的直徑。另一方面，在鋼索強(qiáng)度滿足使用的前提之下，我們需要控制鋼索直徑的大小，換而言之，我們需要采用比較小的鋼索直徑相對(duì)于比較安全。三方面為了降低整個(gè)鋼索疲勞應(yīng)力增加，我們可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量的避免摩邊角出現(xiàn)，從而減少滑輪與滑輪摩邊角的存在而導(dǎo)致的過度疲勞應(yīng)力。四方面在航空器操作系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)操縱力也是導(dǎo)致鋼索疲勞應(yīng)力增加的主要原因，因此系統(tǒng)操縱力需要得到相應(yīng)的控制，其與鋼索磨損呈現(xiàn)正比例關(guān)系，因此降低系統(tǒng)操縱力也是在航空器操作過程當(dāng)中應(yīng)該注意的問題。另外一個(gè)方面，需要提醒的是鋼索與滑輪槽接觸面的良好接觸有助于摩擦力的降低，從而使得鋼索能夠延長(zhǎng)壽命、減少疲勞，這是常規(guī)知識(shí)不必細(xì)述。

結(jié)語(yǔ)

通過以上分析，我們可以清楚地了解到操縱系統(tǒng)鋼索的故障形式包括腐蝕、磨損、卡阻、斷裂等，而本文重點(diǎn)在于對(duì)鋼索磨損斷裂的情況進(jìn)行了透徹的陳述，并且通過鋼索測(cè)試檢測(cè)與分析、鋼索載荷和應(yīng)力來詳細(xì)的分析，找出了鋼索磨損斷裂主要控制原因，并提出了相關(guān)方面的措施。在實(shí)際的操作過程當(dāng)中，我們強(qiáng)調(diào)多種因素的綜合分析、多種渠道的原因查找、多種措施的同時(shí)改善，這樣有助于航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效問題的徹底解決，對(duì)航空器安全提供保證。

參考文獻(xiàn)

[1]凌晨，吳澎.淺談鋼絲繩失效原因[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008（05）.

[2]王玲君.鋼絲繩使用常見損傷及電磁無損檢測(cè)[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008（04）. [3]魏金波，段欣.鋼索索力和抗彎剛度識(shí)別的序列二次規(guī)劃法[J].江西科學(xué)，2009 （04）.

[4]繆建成，陳關(guān)龍，金隼.小直徑柔性鋼索預(yù)緊張力的測(cè)量與計(jì)算[J].力學(xué)與實(shí)踐，2006（02）.

[5]李鳴華.鋼索張力檢測(cè)研究[J].臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（03）.

中圖分類號(hào)：V227

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A