某型飞机发动机操纵系统钢索断裂故障分析及设计改进

2015-04-03胡斌吴洵敏

教练机 2015年3期

张斌，胡斌，吴洵敏

（驻320厂军代表室，江西南昌 330024）

0 引言

某型飞机发动机采用直推式油门操纵系统，主要由前、后舱油门操纵台及离合装置组成，各部件之间通过钢索和滑轮连接实现操纵。2012年，该型飞机发动机操纵系统油门操纵子系统进行寿命试验时，推、拉油门大约600个循环后，一处油门钢索发生断裂，断裂位置如图1所示，该钢索连接离合装置和后舱油门操纵台左发手柄滑块发生断裂后，通过对油门操纵子系统整体检查发现，还有部分钢索出现断丝现象。

1 问题定位

为确切查找原因，本文对钢索断裂问题进行了故障树分析（见图2）。

1.1 装配不正确

图1 断裂钢索位置

图2 故障树

经查该3项产品均有合格证，出厂前通过了功能、性能检查，产品按飞机上使用状态1：1定位安装在试验台架上（见图3），试验台架产品的安装孔位是采用三维红外定位打孔，孔位尺寸精度较高，确认产品装配、安装正确后，进行功能试验前的调试，再将试验件分解至最小可拆卸单元以检查各转向滑轮摩擦痕迹，均未出现钢索与轮缘摩擦的痕迹，说明钢索安装正确。结合以上情况分析，可以排除装配不正确问题。

图3 油门操纵子系统安装情况

1.2 钢索质量问题

本批油门操纵子系统装配使用的钢索、钢索收接头及钢球使用情况是：钢索具有合格证，规格为6x7-2.15+IWS(金属股芯绳)YB5197-1993标准航空用钢丝绳，材料为碳素钢；在使用该钢索收球头和接头前，按照HB5-16-83《带接头的钢丝绳技术》条件，取钢丝绳破坏载荷的50%进行预先拉伸，每次拉伸1分钟，钢丝绳没有断丝；收完接头、钢球后，所有钢丝绳均做重复拉伸试验，所用载荷为钢丝绳破坏力的50%，时间为5分钟，钢丝绳没有断丝；本批带接头的钢丝绳100%进行了外观检查和尺寸测量，并且本批还抽取3根带接头钢丝绳按HB5-12-83中的规定载荷进行了破坏性试验，均满足标准要求。结合以上情况分析，钢索及钢索组件质量符合相关标准，因此排除该问题。

1.3 操作不正确

无论是在前舱油门台，还是在后舱油门台控制飞行，飞行员推拉油门手柄的运动都会通过钢索、滑轮、齿条和齿轮传动传递到安装于后舱油门台的RVDT，通过RVDT输出的电信号，实现操纵油门的目的。油门操纵台的操作方法为：沿导轨方向推、拉油门手柄通过钢索带动RVDT输出与油门杆位相关的电信号，实现对飞机油门的控制。此次试验过程中，相关人员都在现场，钢索断裂时没有出现野蛮操纵油门手柄的情况，所以可排除操作不正确问题。

1.4 钢索受应力过大

钢索安装的张紧力值在现有标准中无可参考的定量要求，本系统借鉴国内某型飞机发动机操纵系统钢索张紧力10～15kgf，推、拉单个油门手柄的力在4～4.5kgf范围内，均远低于钢索的破坏载荷不小于367kgf的要求。钢索是在推拉了600个左右循环周期后断裂的，符合疲劳破坏发生在远低于破坏载荷时发生破坏的规律，所以不能排除钢索受应力过大，导致发生疲劳断裂的情况。

2 机理及故障分析

钢索安装分布情况见图4～图6，经进一步分析得出，影响钢索所受应力及寿命的主要因素有：滑轮与钢索直径比、钢索在滑轮上的包角、钢索张紧力和钢索扭转及二次弯曲。

2.1 滑轮与钢索直径比分析

1）鼓轮与钢索的直径比分析

鼓轮用于固定钢索并传递钢索运动，钢索接头固定在鼓轮槽中某一点以便传递钢索系统的载荷，离合装置内共有4个尺寸相同的鼓轮，鼓轮槽底直径为Φ74.45mm，鼓轮与钢索直径比为74.45÷2.15= 34.6,钢索使用载荷÷钢索破坏载荷=190N÷3800N= 0.05,与飞机设计手册推荐表1要求相比，鼓轮与钢索的直径比优于手册推荐的20，因此，鼓轮对钢索寿命影响不大。

图4 后舱操纵台左手柄钢索分布情况

图5 后舱操纵台右手柄钢索分布情况

图6 后舱操纵台左手柄钢索进入离合装置情况

表1 鼓轮推荐直径

2）导向轮与钢索的直径比分析

导向轮用于控制钢索走向。油门操纵子系统共有28个尺寸相同的铝合金导向轮，轮槽底直径Φ22mm，导向轮与钢索直径比为22÷2.15=10.2,但在文献及标准中无该直径比定量要求，经咨询有使用经验的钢索专业厂家，推荐该比值应大于20，即2.15钢索导向滑轮直径应达到43以上比较合适。因此，本系统导向轮因直径较小，对钢索寿命影响较大。

2.2 钢索在滑轮上的包角分析

滑轮包角是指滑轮上与钢索相切两点之间的角度，如图7，包角大小将直接影响系统摩擦力和钢索寿命。包角越小，系统摩擦力则越小，对钢索寿命影响也越小，因此，在满足系统传动要求的前提条件下，应尽量减小滑轮包角。但相关资料只有关于包角的定性说明，没有包角与钢索寿命及摩擦力的量化推荐值。经统计分析，本系统滑轮包角范围为11.68°～107.31°，钢索断裂处的滑轮包角为11.68°，是所有包角中最小的一处。因此，钢索在滑轮上的包角大小不是影响钢索断裂的原因。

图7 包角图

2.3 钢索张紧力分析

钢索张紧力是为了消除系统空行程和从一定程度上防止钢索从轮槽中脱出，张紧力的确定应综合考虑钢索直径、长度、跨度等因素，但张紧力的大小在现有标准中没有可以参考的定量要求，本子系统使用的张紧力是参照某型飞机油门操纵台张紧力值，已经有较丰富的使用经验，且远小于钢索破坏载荷力，因此，可以排除张紧力的影响。

2.4 钢索扭转及二次弯曲分析

扭转力是指钢索受到的使钢索产生旋转趋势的力，二次弯曲则是指钢索受压的一侧在经过另外滑轮时又受拉的情况。本系统离合装置的部分钢索存在二次弯曲及扭转，如图8，前舱油门操纵台与离合装置连接的钢索在71mm范围内通过中心轴线不共面、不平行的3个导向滑轮，见图8右侧上、下两根绿色钢索；后舱油门操纵台与离合装置连接的钢索在110mm范围内连续通过中心轴线不共面、不平行的4个导向滑轮，见图8左侧上、下两根红钢索，该处钢索承受二次弯曲及扭转最严重，且试验时钢索断裂就发生在此处。

图8 离合装置钢索二次弯曲及扭转

经上述分析，钢索断裂的主要因素是：导向滑轮与钢索直径比较小和钢索存在扭转及二次弯曲，从而导致钢索受到较大的应力，在该应力作用下，钢索经过一定循环运动后发生疲劳断裂。

3 采取的措施及验证

3.1 更换钢索和导向滑轮材料

根据某型飞机的使用经验，将钢索材料由碳素钢更换为不锈钢，并将钢索直径由2.15mm减小为1.8mm，增强钢索的柔韧性，同时将导向滑轮材料由铝合金改为酚醛塑料，减小滑轮在传递运动时对钢索的摩擦，从而提高系统的抗疲劳性和使用寿命。

3.2 增加导向滑轮直径

如图9、图10所示，前舱油门操纵台导向滑轮直径由Φ22 mm提高到Φ68mm，钢索直径比为68.2÷ 1.8=37.8；后舱油门操纵台导向滑轮直径提高到Φ73.2 mm和Φ83.7mm，钢索直径比为75.4÷1.8=40.7和83.7÷1.8=46.5，都大于主机所经验值20，可以进一步降低钢索的应力。