某型飛機拋蓋鎖限位簧片故障分析

狄杰 王鵬鵬 時杰

摘要：某型飛機大修過程中多次發(fā)現(xiàn)駕駛員拋蓋鎖上限位簧片耳部撕裂故障。通過對拋蓋鎖限位簧片的作用機理進(jìn)行分析，列出可能導(dǎo)致限位簧片撕裂故障的原因，并進(jìn)行分析驗證。借助有限元仿真分析計算限位簧片的應(yīng)力分布，最終確定故障原因。針對故障頻發(fā)原因制作工具并制定措施進(jìn)行改進(jìn)，從根源上解決了大修過程中限位簧片的多發(fā)故障。

關(guān)鍵詞：限位簧片；有限元分析；改進(jìn)

Keywords：limit reed；finite element analysis；improvement

0 引言

某型飛機大修過程中發(fā)現(xiàn)駕駛員艙蓋拋蓋鎖短時間內(nèi)多次發(fā)生限位簧片耳部撕裂故障，返工更換限位簧片后再次發(fā)生撕裂（見圖1）。

拋蓋鎖作為連接駕駛員艙蓋和機體的重要承力構(gòu)件，正常使用時拉緊艙蓋保證駕駛艙的氣密性，應(yīng)急拋放時迅速釋放艙蓋并清空彈射通道，保證艙蓋的正常拋放。限位簧片在拋蓋鎖解鎖過程中發(fā)揮著重要作用，限制鎖鉤反彈，保證彈射系統(tǒng)正常運行。

1 限位簧片作用形式分析

拋蓋中鎖口框部分主要構(gòu)件及裝配如圖2所示。

艙蓋應(yīng)急拋放開鎖或日常維護(hù)開鎖時，鎖鉤從上鎖狀態(tài)解鎖，受轉(zhuǎn)軸處扭簧作用力向下彈出，運動到下限位時與支座發(fā)生碰撞并產(chǎn)生反彈。鎖鉤反彈運動時，限位簧片兩側(cè)耳部與支座卡槽相互作用，限制鎖鉤的運動，確保不會因鎖鉤反彈發(fā)生反復(fù)運動而影響彈射通道的清空或傷到人員。

2 限位簧片故障機理分析

通過對限位簧片的故障形式及發(fā)生位置進(jìn)行研究，得出故障原因為：鎖鉤處于限位狀態(tài)時受到過大的作用力，當(dāng)作用力超過彈簧片所能提供的最大限位力矩時，彈簧片即發(fā)生塑性變形而失效，在應(yīng)力集中處繼續(xù)發(fā)展為撕裂故障。

綜合作用形式及材料特性，對限位簧片故障發(fā)生的直接原因進(jìn)行分析，得出以下可能原因。

1）在拋蓋鎖開鎖時，鎖鉤受到扭簧作用高速向下轉(zhuǎn)動，在鎖鉤和支座發(fā)生碰撞之后產(chǎn)生反彈。過大的反彈沖擊力作用在限位簧片上，致使限位簧片發(fā)生破壞失效。

2）拋蓋鎖上鎖時，鎖鉤處于限位狀態(tài)受到外界作用力，迫使鎖鉤向限位方向運動，最終過大的作用力使其破壞失效。

3）限位簧片制作材料存在缺陷，正常使用和維護(hù)過程中拋蓋鎖開鎖行為使彈簧片缺陷擴大，最終撕裂失效。

3 分析驗證故障原因

3.1 正常拋蓋開鎖時限位簧片受到過大的沖擊力

拋蓋鎖口框部分主要由鎖鉤、支座、限位簧片、限位塊等零件裝配組成。其中，限位塊、限位簧片與鎖鉤固定連接。當(dāng)拋蓋鎖解鎖時，鎖鉤自由端脫開，受轉(zhuǎn)軸處扭簧作用力向下彈開。鎖鉤轉(zhuǎn)動到底時，與支座發(fā)生碰撞并產(chǎn)生反彈，此時限位簧片兩側(cè)耳部會與支座溝槽卡住，從而阻止鎖鉤繼續(xù)向上運動，即限位簧片發(fā)揮限位作用。

支座、鎖鉤和限位塊皆由30CrMnSiA高強度合金鋼制成。限位簧片由0.5mm厚高強度彈性合金3J21（Co40CrNiMo）制成。3J21帶材A組抗拉強度σb為1177～1471GPa。

在正常解鎖過程中，限位簧片主要受力情況為：鎖鉤向下運動與支座產(chǎn)生碰撞后產(chǎn)生反彈，由于鎖鉤和限位簧片固連，兩者同時以一定初速度向上反彈，并因限位簧片耳部與支座碰撞而停止運動。

此過程鎖鉤與限位簧片運動的動力平衡方程為

其中，θ為鎖鉤轉(zhuǎn)動的角度，Iz為鎖鉤和限位簧片固連之后的轉(zhuǎn)動慣量，k為轉(zhuǎn)軸處三件扭簧提供的彈性系數(shù)之和。

在限位簧片與支座卡槽碰撞接觸過程中，由于高彈性的限位簧片產(chǎn)生緩沖作用，延長了碰撞接觸時間，沖擊反力可以通過其較大的變形計算。以鎖鉤及限位簧片在產(chǎn)生限位作用后繼續(xù)向上運動的角度作為輸入條件，通過有限元仿真計算手段，可以計算得出限位簧片受沖擊反力后引起的最大應(yīng)力值。由于鎖鉤受到碰撞沖擊力后轉(zhuǎn)動角度很小，因此可以忽略在此過程中轉(zhuǎn)軸處扭簧彈力對鎖鉤產(chǎn)生的作用力影響。

彈簧片的失效形式為剛性撕裂，根據(jù)最大拉應(yīng)力理論即第一強度理論，斷裂條件為

對受碰撞沖擊的限位簧片產(chǎn)生的最大變形量進(jìn)行測量，采用高速運動相機對拋蓋鎖解鎖過程進(jìn)行定位拍攝。通過后期處理將未變形時的鎖鉤位置照片與運動相機捕捉到的最大變形量關(guān)鍵幀重合（見圖3），并選取自由端一定點作為觀測點，即可得出受反彈沖擊力后鎖鉤的最大轉(zhuǎn)動角度，再通過裝配關(guān)系得出限位簧片最大變形量。

對鎖鉤在限位簧片作用下的反彈過程測量10次，記錄觀測點最大位移量（見表1）。去掉一個最大值之后取測量結(jié)果的最大值作為鎖鉤的最大轉(zhuǎn)角。

通過裝配關(guān)系及運動形式得出限位簧片的變形量，將其作為參數(shù)輸入有限元模型進(jìn)行求解。仿真計算結(jié)果如圖4所示。

取兩側(cè)耳部最大應(yīng)力附近單元進(jìn)行變形過程應(yīng)力值監(jiān)測，得到應(yīng)力—變形圖，如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，在實際開鎖過程中，限位簧片受反彈沖擊力后受到的最大應(yīng)力值約為880MPa。

限位簧片在正常解鎖過程中剩余安全系數(shù)大于0.5，說明拋蓋鎖正常開啟過程不會導(dǎo)致限位簧片發(fā)生破壞失效，因此可以排除正常解鎖造成限位簧片多發(fā)性撕裂故障的可能性。

3.2 在限位狀態(tài)下人為施加載荷，作用力過大導(dǎo)致限位簧片破壞失效

在飛機維護(hù)和修理中，拋蓋鎖的上鎖需要人為將鎖鉤從限位位置恢復(fù)到上鎖位置，首先是將處于限位狀態(tài)的簧片脫離，然后再轉(zhuǎn)動鎖鉤。操作人員有可能因?qū)夹g(shù)原理不夠了解等原因而未將限位簧片脫離，在強制鎖鉤轉(zhuǎn)動的過程中造成限位簧片局部應(yīng)力過大發(fā)生撕裂破壞。

為了驗證人為施加載荷對限位簧片的應(yīng)力分布影響情況，對受外力載荷下限位簧片應(yīng)力分布進(jìn)行仿真計算。

經(jīng)過對鎖鉤在機上裝配空間的勘察及人員操作形式分析后，將人為施加載荷點設(shè)置為鎖鉤自由端橫軸，通過仿真計算得到對自由端橫軸施加不同載荷時限位簧片應(yīng)力分布情況。

有限元分析網(wǎng)格如圖6所示，在限位簧片與支座作用耳部截面施加均布壓力載荷，固定限位簧片和限位塊上的螺釘裝配孔面。通過測定人為施加載荷點與仿真載荷輸入點對轉(zhuǎn)軸的力矩，由式（1）可得隨人為施加載荷的變化限位簧片應(yīng)力分布情況。

式中，F(xiàn)為人為施加載荷，L1為人為載荷作用點到鎖鉤轉(zhuǎn)軸的距離，P為限位簧片耳部截面所受壓力，A為限位簧片耳部截面面積，L2為限位簧片耳部到鎖鉤轉(zhuǎn)軸距離。

對耳部應(yīng)力集中部位單元應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。

由計算結(jié)果轉(zhuǎn)換后得出，當(dāng)在鎖鉤自由端橫軸上施加123～160N人為載荷時，限位簧片耳部最大應(yīng)力值即達(dá)到其抗拉強度極限范圍。而修理維護(hù)過程中，操作人員能夠輕易地提供大于此安全值的人為載荷，從而導(dǎo)致了限位簧片的破壞。因此，人為載荷可以成為限位簧片多發(fā)性撕裂故障的直接原因。

3.3 材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致撕裂故障

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)生撕裂故障的限位簧片有18件，其中包含原機件正常使用一個周期的限位簧片，也包含大修時換新以及發(fā)生撕裂故障后返工換新的不同批次彈簧片。對多架大修飛機使用一個周期后的限位簧片進(jìn)行統(tǒng)計分析，外場正常使用一個周期后限位簧片的故障發(fā)生率僅為5%，且無耳部撕裂故障出現(xiàn)。

由此判斷，限位簧片耳部撕裂故障均是在大修期間工序傳遞時發(fā)生的，因此，可以排除限位簧片內(nèi)部缺陷導(dǎo)致大量重復(fù)故障這一假設(shè)。

綜上分析得出結(jié)論：正常拋蓋解鎖不會導(dǎo)致限位簧片發(fā)生撕裂故障。人員對限位簧片技術(shù)原理不了解、在限位狀態(tài)下強行扳動鎖鉤是限位簧片頻發(fā)撕裂故障的直接原因。

4 解決措施

鎖鉤在上鎖時需要人為恢復(fù)位置，而實際裝配后的鎖鉤處于限位狀態(tài)，需要手動調(diào)整限位簧片耳部使其脫離支座卡槽，鎖鉤才能恢復(fù)至正常上鎖位置。

經(jīng)現(xiàn)場查看，由于中間位置扭簧的限制，操作人員調(diào)整限位簧片較困難。因此，設(shè)計一專用工具用于上鎖時調(diào)整限位簧片的位置。該限位簧片調(diào)整扳手采用直徑3mm的彈簧鋼棒折彎制作，其結(jié)構(gòu)形式以及使用方式如圖8所示。

5 結(jié)束語

通過對限位簧片的作用原理、作用形式及故障形式進(jìn)行分析，得出限位簧片多發(fā)耳部撕裂故障的原因，通過對正常使用狀態(tài)和人為施加載荷時限位簧片的受力進(jìn)行仿真計算，得出限位簧片耳部應(yīng)力分布變化情況。結(jié)合材料性能參數(shù)后得出結(jié)論：正常解鎖不會造成限位簧片撕裂破壞，故障發(fā)生的直接原因是人為施加載荷導(dǎo)致限位簧片耳部發(fā)生撕裂破壞。后續(xù)對操作人員講解限位簧片的技術(shù)原理，并在經(jīng)過實際勘察后設(shè)計制作了限位簧片調(diào)整扳手，方便操作人員對其進(jìn)行位置調(diào)整，從而杜絕了對限位簧片的人為破壞。

作者簡介

狄杰，助理工程師，主要從事航空飛行器結(jié)構(gòu)修理技術(shù)研究。

王鵬鵬，助理工程師，主要從事航空飛行器結(jié)構(gòu)修理技術(shù)研究。

時杰，高級工程師，主要從事航空飛行器結(jié)構(gòu)修理技術(shù)研究。