某型机舱门操纵钢索断丝原因分析与改进研究

孙江同

（中航飞机股份有限公司，陕西 西安 710089）

钢丝绳可传递长距离的负载，能够承受多种载荷及交变载荷，具有较高的抗拉强度、疲劳强度和冲击韧性，在高速条件下耐磨、抗震、运转稳定性好，承载安全系数大，使用安全性高，广泛应用于起重吊装及操作系统。钢丝绳是由许多螺旋元组成的复杂构件，拉伸与扭转同时发生，且拉伸对扭转变形的影响与扭转对纵向变形的影响互等。由于其使用中的受力状态较为复杂，因而极易造成钢丝材质的损伤，其主要失效形式包括严重磨损、锈蚀、变形过量、疲劳、过载断裂等。航空器的操纵系统中各类钢索也广为应用，其性能往往涉及到整个系统的安全。研究钢索的失效原因，采取适当的维护措施，有助于延长其使用寿命，提高系统的安全性。某飞机在地面检查时，发现舱门操纵系统中与弹簧组件相连的钢索有断丝现象，经拆解后观察钢索外观特征可知，距钢索螺纹接头的收压端头约378mm 处产生断丝现象。断丝钢索全貌见图1。

1 钢丝断口观察与分析

将钢索断丝处切断进行拆解，7 股（每股19 根）钢丝中，每股均有断丝现象，断裂位置沿钢索轴向不尽相同。各股上的钢丝断裂情况为2 根、1 根、1 根、2 根、3 根、1 根；各股上的断丝断面较平齐，表面可见磨损痕迹。

将钢索的断丝分别拆分清洗后，在扫描电镜下对断丝逐个进行放大观察，断口形貌特征类似。断口较平齐，表面较平坦，局部有磨损，无明显塑性变形，见图2。源区位于平坦区域边缘，截面相对的两侧，有的断丝源区附近有磨损，每侧的源区附近可见台阶，呈多源形貌，放大观察可见疲劳形貌，扩展区后段可见二次裂纹，瞬断区较粗糙，可见高低台阶，放大为韧窝形貌，见图3。断口均未见冶金缺陷，说明钢丝断口均呈双向弯曲疲劳特征，钢索断丝为双向弯曲疲劳断裂。通过装配现场调查以及安装数模分析，确定断丝位置与滑轮配合接触位置吻合。当舱门操纵机构运动时，钢索沿滑轮轮槽作往复弯曲运动；钢索一端连接弹簧组件，运动时拉动弹簧组件，承受变化的拉应力。结合断口形貌观察，初步认为钢索断丝系弯曲疲劳断裂所致。

图1 断丝钢索全貌

图2 钢索部分断丝形貌

图3 断口全貌（源区箭头所指）

2 钢索断丝故障树分析

造成飞机钢索断丝的因素有钢丝绳冶金缺陷、钢丝绳磨损、钢丝绳疲劳、钢丝绳锈蚀、钢丝绳变形、钢丝绳过载。根据以上因素，绘制舱门钢索断丝故障树。按照故障树（见图4），对造成舱门钢索断丝的各种因素进行分析。

2.1 钢丝绳冶金缺陷

钢丝绳产生于生产制造环节的冶金缺陷，通过质检验收部门可以防止有冶金缺陷的钢丝绳装机。另钢丝绳断口未见冶金缺陷。可以排除由于钢丝绳冶金缺陷导致钢索断丝的因素。

2.2 钢丝绳磨损

钢丝绳磨损一般分为外部磨损、变形磨损、内部磨损3种情况，见图5。舱门断丝钢索断口全貌见图3。

图4 舱门钢索断丝故障树

图5 钢丝磨损后断面形状

（1）外部磨损。当钢丝绳绕过滑轮时会与滑轮绳槽发生摩擦，这种磨损是不可避免的，但是当钢丝绳与滑轮存在一定的偏角时，钢丝绳不仅与滑轮槽底发生摩擦，同时还会与滑轮的槽壁发生接触和相对位移而造成滑动摩擦。偏角越大，则钢丝绳与槽壁的接触应力越大，钢丝绳对槽壁的压力也就越大，则摩擦力越大。摩擦力的增大，会急剧地增大钢丝绳的磨损疲劳。经过计算，断丝钢索与其导向滑轮之间的偏角均在合理范围内，钢索只与滑轮槽底发生摩擦。另根据钢索断口全貌图，断面形状不符合钢丝外部磨损后绳径变细，表面被磨平的断面形状，可以排除由于外部磨损导致钢索断丝的因素。

（2）变形磨损。根据钢索断口全貌图，断面形状不符合钢丝变形磨损后断面是挤压处向两旁伸展成翅形、钢丝宽度扩展的断面形状，可以排除由于变形磨损导致钢索断丝的因素。

（3）内部磨损。根据钢索断口全貌图，断面形状不符合钢丝内部磨损后断口呈齿形，表面圆滑凹形的断面形状，可以排除由于内部磨损导致钢索断丝的因素。

2.3 钢丝绳疲劳

钢丝绳在使用过程中主要承受弯曲疲劳和拉伸、扭曲、振动引起的疲劳。钢丝绳疲劳破坏的过程是：在循环载荷作用下，绳中钢丝的局部最高应力处，最弱的及应力最大的钢丝内部晶粒上形成微裂纹，然后裂纹慢慢发展，最终导致疲劳断丝。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、扩展和突然断裂三个阶段。

（1）弯曲疲劳。钢索的断丝位置起始于距带螺纹接头的收压端约378mm 处，断丝范围约为100mm，其余部位经检查未见断丝现象。经过装配分析计算，钢索断丝位置在舱门关闭时，距直径Φ67mm 滑轮左端约261mm，在舱门打开时，断丝位置刚好与直径Φ67mm 滑轮位置重合。钢索断丝位置在舱门开启关闭的运动过程中与滑轮配合接触位置吻合。

钢索的弯曲应力可以按巴赫公式计算：

式中，Ec为钢索的拉伸弹性模量，它不仅低于钢丝材料的弹性模量，而且具有一定的非线性，一般来说航空钢索的平均拉伸弹性模量约为1.5×105MPa，d 为钢丝直径；D为转向滑轮槽底直径。可见对于同一根钢索，导向滑轮直径越小其弯曲应力越大，这与钢索断丝位置在运动过程中经过Φ67mm 滑轮相吻合，Φ109mm 滑轮处未发现钢索断丝。

因此不能排除钢索在滑轮处由于弯曲疲劳导致钢索断丝这一因素，6×19+IWS-9.5 钢索最佳滑轮直径为90.49mm，小于这个直径的滑轮将会加剧钢索的弯曲疲劳断裂。

（2）拉伸、扭曲、振动引起的疲劳。钢索与舱门大弹簧相连，受弹簧拉伸应力，弹簧在舱门开合过程中会产生交变的拉伸应力，变化的拉伸应力更容易引起金属疲劳；同时飞机在飞行过程中大弹簧不可避免的会发生振动的情况，使钢索同样发生振动，因此不能排除由于拉伸、扭曲、振动引起的疲劳导致钢索断丝这一因素。

2.4 钢丝绳锈蚀严重

经过检查未发现钢丝绳有锈蚀情况，排除由于锈蚀导致钢索断丝这一因素。

2.5 钢丝绳变形

检查断丝钢索，未发现钢丝绳有因为压扁、扭结以及股松弛产生的变形情况，排除由于变形导致钢索断丝这一因素。

2.6 钢丝绳过载

与大弹簧相连钢索需承受的最大载荷为17052N，钢丝绳6×19+IWS-9.5 的许用拉力为61000N，排除由于过载导致钢索断丝这一因素。

3 故障排查结论

目前与大弹簧相连钢索的牌号为6×19+IWS-9.5，其疲劳寿命试验推荐滑轮直径为90.49mm，而与其配合的滑轮中最小直径为Φ67mm，这会急剧缩短其弯曲疲劳产生的时间。经装配分析计算，钢索经过直径Φ67mm 的滑轮时，其偏角为0°30′，在舱门打开时，其径向弯曲应力约为50N，几乎可以忽略不计。舱门大弹簧有些许震动就会导致钢索在滑轮轮槽内上下摆动，加剧疲劳的产生。综上所述，认为刚索断丝系钢索的直径与滑轮的直径不匹配，以及钢索的往复运动、交变拉应力以及轴向扭动，在与滑轮轨道槽接触处形成复杂的交变应力，致使钢丝疲劳断裂。其中钢索的直径与滑轮的直径不匹配是导致钢丝疲劳断裂加剧的重要原因。

4 结语

飞机操纵钢索断丝的成因多样，建立完整的故障树，逐一分析排查，可准确定位故障原因。根据分析，某机型舱门钢索断丝原因为疲劳断裂，后续可主要围绕减小钢索直径，增大滑轮直径，增加钢索竖直方向的约束以消除双向弯曲等方面进行的改进工作，延长钢索使用寿命。