直升机飞行操纵系统拉杆裂纹故障探讨

孙 冲

（中国直升机设计研究所，景德镇 333000）

某型直升机在日常检查中发现连接尾桨助力器的操纵拉杆上有纵向裂纹故障，具体表现为：裂纹位于操纵拉杆靠近尾桨助力器一端的端套表面，沿拉杆轴向分布，长约18cm，且可见裂纹已贯穿端套厚度方向，裂纹张口明显，端套内表面有腐蚀特征。

1 操纵拉杆产品简介及制造工艺

1.1 操纵拉杆产品简介

直升机操纵系统拉杆分为3类:固定拉杆、半可调拉杆和可调拉杆。固定拉杆的长度按图纸给定而无需调节；半可调拉杆的长度是在直升机上初始安装时可调整，后续按需调整；可调拉杆的长度在使用维护过程中需要多次调整。固定拉杆用白色热收缩套管包覆封固，半可调拉杆用黑色热收缩套管包覆封固，可调拉杆没有封套。故障操纵拉杆属于可调拉杆，其主要由两端收口的拉杆体、端套、锁紧垫圈、螺母、带柄轴承组成。操纵拉杆组成如图1所示。

图1 操纵拉杆组成

1.2 操纵拉杆制造工艺

操纵拉杆大多数为铝制拉杆，且为减少带柄轴承的直径尺寸和重量，一般对拉杆体两端进行收口处理。其典型的加工工艺流程如图2所示。

图2 操纵拉杆的典型加工工艺流程

从工艺流程可知，操纵拉杆是铝合金管料经两端收口后，在收口端通过特殊的胀形工艺装配端套，然后加工端头内螺纹，装配锁紧垫片、螺母及带柄轴承，在直升机上则根据安装需要调整至合适长度后将锁紧垫片折弯并拧紧螺母固定。

2 故障定位

首先，将故障操纵拉杆裂纹打开，观察断口形貌，整个断口呈灰色，局部黑灰色，无金属光泽，断口平直，宏观呈脆性开裂特征，与零件成型时胀形产生的应力方向垂直，如图3所示。将断口超声波清洗后用电子显微镜观察，断口裂纹区表面覆盖有腐蚀产物，泥纹花样清晰可见，能谱分析表明，覆盖物主要含O、Cl、Na、S等元素。截取零件裂透处横剖面磨制金相试样，在金相显微镜下观察，金相组织正常，未见热处理过烧等缺陷。从裂纹形貌及特征判断，故障操纵拉杆裂纹性质为应力腐蚀。

图3 断口宏观形貌

3 故障原因分析

应力腐蚀是指金属材料或结构在静载拉应力与一定的腐蚀环境作用下所发生的脆性破裂。因此，发生应力腐蚀需要具备3个条件:应力腐蚀敏感金属、特定的腐蚀介质，以及一定的拉应力。

结合图2进一步深入研究发现，收口拉杆与端套的连接采用的是胀形法，其利用尖劈原理，使收口管端材料在径向压力的作用下进入端套的沟槽中，即端套内径上有一条凹槽，对收口拉杆用芯棒进行挤压，使管壁材料填充凹槽，如图4所示，因此，胀形工序对端套存在一定沿周向的拉应力。其次，故障操纵拉杆裂纹端套材料为LY12CZ，该材料具备较强的应力腐蚀敏感性，且对潮湿大气、海水等介质较为敏感。通过对该故障操纵拉杆的使用环境进行检查并对比分析直升机的服役环境可以发现，其裂纹端因无整流罩保护，长期暴露在恶劣的使用环境中，一旦端套漆层损坏，就会出现应力腐蚀裂纹。

图4 收口拉杆胀形工序示意

4 改进措施讨论

针对发生应力腐蚀的3个条件，即应力腐蚀敏感性的金属、特定的腐蚀介质和一定的拉应力，提出不同的改进措施并进行相应的可行性分析。

4.1 改进拉杆材料

更改操纵拉杆端套材料，选用抗应力腐蚀性能好的金属材料。应力腐蚀裂纹只在对腐蚀介质敏感的合金中发生，每种合金的应力腐蚀介质只是对某些特定的介质敏感，如表1所示。

表1 主要合金发生应力腐蚀的环境

从表1可知，大部分工程设计中常用的金属材料对海洋环境或潮湿空气的腐蚀敏感性均较高，直升机使用的分布地域广，使用环境复杂，常规的材料设计更改不能避开所有敏感的使用环境，因此该更改方案不适宜。

4.2 改进拉杆使用环境

控制使用环境，采用热收缩套管包覆封固，改善拉杆的使用条件。故障操纵拉杆裂纹端头无整流罩，在使用过程中要承受旋翼气流、风沙、雨水等恶劣环境的影响，表面防护容易受到破坏。热收缩套管在一定程度上可以隔离腐蚀介质，但不能从根本上解决问题，且一旦出现裂纹故障，不易被维护人员发现。另外一方面，该拉杆为可调拉杆，其长度在使用维护过程中需要多次调整，为方便维护一般不采用收缩套封固。

4.3 改变拉杆形态

采用不带端套的收口拉杆本体，取消原操纵拉杆两头的端套。重新设计与原机材料规格相同的不带端套的拉杆体，更改拉杆缩口及端头尺寸，并同步开展工艺方案及试验方案的设计，最终形成成熟工艺及相应验收标准。收口拉杆和操纵拉杆更改前后示意图如图5、图6所示。由于该方式彻底消除了应力源，且在收口拉杆工艺上已有成熟的积累，开展不同规格的拉杆收口工艺可行性较高，可以解决裂纹故障。

图5 收口拉杆更改示意图

5 结束语

随着我国低空领域的逐步开放，飞行器数量将大幅度增加，其效能能否得到充分发挥，在很大程度上取决于使用寿命和可靠性。大量的调研和跟踪检查结果表明，现役机种都出现了不同程度的应力腐蚀现象，一些重要部位或关键承力结构已出现了严重的应力腐蚀损伤。因此，应力腐蚀和疲劳一样，是导致飞行器发生灾难性事故的重要原因，将给飞行安全和经济修理造成严重后果。应力腐蚀问题已经成为严重影响和制约飞行器安全使用、正常维护和修理的最重要因素。

为了减少应力腐蚀发生概率，提高可靠性，在产品设计时就该采取一些针对的预防性措施:

图6 操纵拉杆更改示意图

（1）应力抑制，降低拉应力，减少金属材料的应力腐蚀敏感性；

（2）材料抑制，选取耐应力腐蚀金属材料，金属材料的屈服强度越高，敏感性越低；

（3）腐蚀抑制，采取良好的表面防护措施。