某型飞机升降舵离合器故障分析与解决

孙 勇

(海军装备部，西安 710074)

为满足飞机安全可靠性要求，其主操纵系统通常采用双套钢索操纵线系，在双套钢索操纵线系之间配置离合器(见图1)。正常情况下，离合器起联动作用，即当驾驶员作用于一侧的操纵线系时，另一侧线系借助离合器的刚性连接同步动作；当一侧操纵线系出现卡阻的情况下，驾驶员通过按驾驶舱中的脱开控制开关使离合器断开，从而使左右两套操纵线系完全脱开，驾驶员通过另外一套正常线系对飞机单侧舵面进行操纵，使飞机安全返航。

图1 双套操纵装置示意图

*注：1.输入摇臂组件；2.回力杆；3.离合器；4.扇形轮；5.输出摇臂组件；6.输入拉杆

离合器是操纵系统中的一个部件。正常操纵时，离合器处于结合状态，起联动作用。当一侧操纵线系出现卡阻或其他故障时，驾驶员通过驾驶舱中的左右脱开控制开关给电磁铁通电，此时产生足够大的电磁吸力将电磁铁顶杆伸出并推动释放轴，释放摇臂“脱扣”并在扭簧力的作用下旋转，离合器内结合子与外结合子产生相对运动。当释放摇臂转动一定角度受到止动轴限位时，内结合子的扁平面与外结合子的水平缺口齐平，这时内结合子从外结合子脱出，从而使左右操纵线系完全脱开，通过另一套线系对飞机单侧舵面进行操纵(见图2)。

图2 离合器结构示意图

1 故障现象

某型飞机进行机体定检时，要求升降舵离合器通电后应立即断开。但是某架该型机进行通电后，此装置未正常断开，随即机务人员采用手动模式强制使离合器断开，地面进行人工复位后，再次通电时离合器可正常断开。

2 故障分析

2.1 故障树分析

以离合器未正常断开(顶事件)作为分析的目标，采用故障树的分析方法，找出产品通电未正常断开原因，如图3所示。

图3离合器未正常断开问题之故障树

2.2 故障排查

离合器未正常断开的原因有14个因素，见图3中X1～X14。

2.2.1 外场机上检查

外场测量了5架机离合器产品的释放轴推动力，其中一架飞机离合器释放轴推动力值最大，为110N，超出了电磁铁通电时的设计推力值71.6N。

外场检查两型离合器电磁铁供给电压，电压值(24V)满足产品使用要求；检查电磁铁推杆、内外结合子、储能扭簧、推杆复位弹簧的运动情况，均运动灵活，无异常磨损，可初步排除X1、X2、X3及X4项；根据外场出现故障后，释放轴复位正常，产品复位后离合器通电可正常断开等现象分析，可初步排除X6、X7、X8、X11项；检查释放轴与摇臂结合处、内、外结合子结合处均无卡滞，可排除X10项。

2.2.2 故障件返厂检查

为进一步排查故障原因，对故障件进行返厂排查，主要进行了功能、性能检查、释放轴推力检查、电磁铁推力测量、电磁铁推杆及释放轴运动灵活性检查、释放轴及相关配合零件接触部位磨损情况检查、释放轴及相关配合零件尺寸检查等。经排查，产品零组件尺寸符合设计图样要求；复位弹簧弹力、扭转弹簧扭矩、电磁铁推力等均符合设计要求；释放轴活塞表面存在着金属铜元素，与产品使用过程中堵头与释放轴长期受压、运动过程中的摩擦有关。

综上所述，可以排除故障树中的X5和X14项。

2.2.3 厂内验证试验

通过外场及返厂故障件排查，导致离合器首次通电未正常断开问题的影响因素X9、X12、X13项还不能排除。

针对该三项影响因素，制定模拟试验方案。根据试验数据对试验结果进行分析，汇总情况见表1。

表1 因素X9、X12、X13分析汇总表

续表1

分析原因验证措施验证结果产品装机后长期未使用断开功能,释放轴与释放摇臂间的静摩擦系数随时间的增大而增大(X13)产品加载180N·m持续保持2个月后,测量释放轴阻力 释放轴阻力较初始力值增大(释放轴首次推动的正向阻力由67N增大为78N),产品在机上加载使用可能会出现断开性能下降的问题飞机操纵线系施加于产品上的拉压力矩,导致释放摇臂孔倾斜,使释放轴阻力增大(X9)输入、输出摇臂的输入扭矩由30N·m开始,每次增加30N·m,直至增加到180N·m,每次测量释放轴阻力随施加扭矩值的增大,产品释放轴阻力变化在5N范围内,变化较小。表明该产品断开性能下降与扭矩增大无直接关系

根据排查结果分析，改进释放轴、更换衬套(X12)和增加拉压力矩(X9),释放轴阻力无明显变化。目前，故障树中仅剩X13项不能排除。

2.2.4 外场地面检查

外场检查情况见表2。发生首次通电无法断开的离合器，距最近一次定检的日历时间至少在5个月以上，5个月以下离合器首次通电均可正常断开。由此数据可看出离合器首次通电未正常断开问题，与产品长期未使用断开功能有关。

表2 外场地面检查结果

2.2.5 设计理论分析

影响静摩擦力的因素众多，如时间、材料、结合面粘着力、结合面接触刚度、结合面模型设计、工作环境温度等[1-4]，综合离合器外场使用过程中出现的断开不可靠情况及厂内试验验证情况分析，该型离合器出现首次通电未正常断开的原因应为释放轴静摩擦阻力增大。释放轴静摩擦阻力主要影响因素是静摩擦力随时间增长而增大。上世纪50年代，包顿、忒布等物理学家提出了“静摩擦力随停留时间的增长而增大”的观点，1959年拉宾诺维奇提出了静摩擦力随时间变化的经验公式us=uk+C1·Tc2，其中us为摩擦系数，uk为动摩擦系数，C1、C2常数。

3 故障结论

经分析，导致离合器首次通电未正常断开的原因为：产品装机后长期未使用断开功能，释放轴静摩擦力随时间推移而增大，当静摩擦力增大至大于电磁铁设计推力值时，则会出现离合器无法断开现象。

4 改进措施及试验验证情况

4.1 改进措施

离合器定检时出现首次通电未正常断开问题，其根本原因是电磁铁输出力不满足随时间推移引起静摩擦力增大的要求，导致电磁铁推力无法克服释放轴静摩擦力所致，故采用改进电磁铁的方案解决离合器首次通电未正常断开问题。

按照电磁分析的仿真模型及电磁铁在产品中的需求[5]，建立电磁铁的三维模型，如图4所示。

图4 电磁铁三维模型

以外场实测的释放轴最大静摩擦阻力110N，作为18V DC 70℃新电磁铁的基本设计参数,重新设计电磁铁。

通过分析模型电磁铁间隙与输出力数据，可以看出，通过改变电磁铁结构中与释放轴作用时的动静衔铁间隙，可以使输出力满足要求。

表3 不同模型参数下电磁力计算结果

4.2 试验验证

以上改进措施，在厂内验证件中均进行了贯彻和试验验证，功能、性能、高低温、振动、冲击试验，试验结果合格，满足产品使用技术要求。

4.3 装机验证

经过厂内验证后，将改进后的离合器进行装机，机上验证功能可靠，经外场使用后，情况正常，证明措施有效，从根本上杜绝了同类故障的再次发生。

5 结语

离合器在外场定检中发生的首次通电未正常断开问题，是因为产品装机后长期未使用断开功能，释放轴静摩擦力随时间推移而增大，电磁铁推力不足以推开释放轴所致。通过增大电磁铁推力的改进电磁铁设计，可解决离合器首次通电未正常断开问题。

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