某型飛機發(fā)動機操縱系統(tǒng)鋼索斷裂故障分析及設(shè)計改進

張 斌，胡斌，吳洵敏

（駐320廠軍代表室，江西 南昌 330024）

0 引 言

某型飛機發(fā)動機采用直推式油門操縱系統(tǒng)，主要由前、后艙油門操縱臺及離合裝置組成，各部件之間通過鋼索和滑輪連接實現(xiàn)操縱。2012年，該型飛機發(fā)動機操縱系統(tǒng)油門操縱子系統(tǒng)進行壽命試驗時，推、拉油門大約600個循環(huán)后，一處油門鋼索發(fā)生斷裂，斷裂位置如圖1所示，該鋼索連接離合裝置和后艙油門操縱臺左發(fā)手柄滑塊發(fā)生斷裂后，通過對油門操縱子系統(tǒng)整體檢查發(fā)現(xiàn)，還有部分鋼索出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。

1 問題定位

為確切查找原因，本文對鋼索斷裂問題進行了故障樹分析（見圖2）。

1.1 裝配不正確

圖1 斷裂鋼索位置

圖2 故障樹

經(jīng)查該3項產(chǎn)品均有合格證，出廠前通過了功能、性能檢查，產(chǎn)品按飛機上使用狀態(tài)1：1定位安裝在試驗臺架上（見圖3），試驗臺架產(chǎn)品的安裝孔位是采用三維紅外定位打孔，孔位尺寸精度較高，確認產(chǎn)品裝配、安裝正確后，進行功能試驗前的調(diào)試，再將試驗件分解至最小可拆卸單元以檢查各轉(zhuǎn)向滑輪摩擦痕跡，均未出現(xiàn)鋼索與輪緣摩擦的痕跡，說明鋼索安裝正確。結(jié)合以上情況分析，可以排除裝配不正確問題。

圖3 油門操縱子系統(tǒng)安裝情況

1.2 鋼索質(zhì)量問題

本批油門操縱子系統(tǒng)裝配使用的鋼索、鋼索收接頭及鋼球使用情況是：鋼索具有合格證，規(guī)格為6x7-2.15+IWS(金屬股芯繩)YB5197-1993標準航空用鋼絲繩，材料為碳素鋼；在使用該鋼索收球頭和接頭前，按照HB5-16-83《帶接頭的鋼絲繩技術(shù)》條件，取鋼絲繩破壞載荷的50%進行預(yù)先拉伸，每次拉伸1分鐘，鋼絲繩沒有斷絲；收完接頭、鋼球后，所有鋼絲繩均做重復(fù)拉伸試驗，所用載荷為鋼絲繩破壞力的50%，時間為5分鐘，鋼絲繩沒有斷絲；本批帶接頭的鋼絲繩100%進行了外觀檢查和尺寸測量，并且本批還抽取3根帶接頭鋼絲繩按HB5-12-83中的規(guī)定載荷進行了破壞性試驗，均滿足標準要求。結(jié)合以上情況分析，鋼索及鋼索組件質(zhì)量符合相關(guān)標準，因此排除該問題。

1.3 操作不正確

無論是在前艙油門臺，還是在后艙油門臺控制飛行，飛行員推拉油門手柄的運動都會通過鋼索、滑輪、齒條和齒輪傳動傳遞到安裝于后艙油門臺的RVDT，通過RVDT輸出的電信號，實現(xiàn)操縱油門的目的。油門操縱臺的操作方法為：沿導(dǎo)軌方向推、拉油門手柄通過鋼索帶動RVDT輸出與油門桿位相關(guān)的電信號，實現(xiàn)對飛機油門的控制。此次試驗過程中，相關(guān)人員都在現(xiàn)場，鋼索斷裂時沒有出現(xiàn)野蠻操縱油門手柄的情況，所以可排除操作不正確問題。

1.4 鋼索受應(yīng)力過大

鋼索安裝的張緊力值在現(xiàn)有標準中無可參考的定量要求，本系統(tǒng)借鑒國內(nèi)某型飛機發(fā)動機操縱系統(tǒng)鋼索張緊力10～15kgf，推、拉單個油門手柄的力在4～4.5kgf范圍內(nèi)，均遠低于鋼索的破壞載荷不小于367kgf的要求。鋼索是在推拉了600個左右循環(huán)周期后斷裂的，符合疲勞破壞發(fā)生在遠低于破壞載荷時發(fā)生破壞的規(guī)律，所以不能排除鋼索受應(yīng)力過大，導(dǎo)致發(fā)生疲勞斷裂的情況。

2 機理及故障分析

鋼索安裝分布情況見圖4～圖6，經(jīng)進一步分析得出，影響鋼索所受應(yīng)力及壽命的主要因素有：滑輪與鋼索直徑比、鋼索在滑輪上的包角、鋼索張緊力和鋼索扭轉(zhuǎn)及二次彎曲。

2.1 滑輪與鋼索直徑比分析

1）鼓輪與鋼索的直徑比分析

鼓輪用于固定鋼索并傳遞鋼索運動，鋼索接頭固定在鼓輪槽中某一點以便傳遞鋼索系統(tǒng)的載荷，離合裝置內(nèi)共有4個尺寸相同的鼓輪，鼓輪槽底直徑為Φ74.45mm，鼓輪與鋼索直徑比為74.45÷2.15= 34.6,鋼索使用載荷÷鋼索破壞載荷=190N÷3800N= 0.05,與飛機設(shè)計手冊推薦表1要求相比，鼓輪與鋼索的直徑比優(yōu)于手冊推薦的20，因此，鼓輪對鋼索壽命影響不大。

圖4 后艙操縱臺左手柄鋼索分布情況

圖5 后艙操縱臺右手柄鋼索分布情況

圖6 后艙操縱臺左手柄鋼索進入離合裝置情況

表1 鼓輪推薦直徑

2）導(dǎo)向輪與鋼索的直徑比分析

導(dǎo)向輪用于控制鋼索走向。油門操縱子系統(tǒng)共有28個尺寸相同的鋁合金導(dǎo)向輪，輪槽底直徑Φ22mm，導(dǎo)向輪與鋼索直徑比為22÷2.15=10.2,但在文獻及標準中無該直徑比定量要求，經(jīng)咨詢有使用經(jīng)驗的鋼索專業(yè)廠家，推薦該比值應(yīng)大于20，即2.15鋼索導(dǎo)向滑輪直徑應(yīng)達到43以上比較合適。因此，本系統(tǒng)導(dǎo)向輪因直徑較小，對鋼索壽命影響較大。

2.2 鋼索在滑輪上的包角分析

滑輪包角是指滑輪上與鋼索相切兩點之間的角度，如圖7，包角大小將直接影響系統(tǒng)摩擦力和鋼索壽命。包角越小，系統(tǒng)摩擦力則越小，對鋼索壽命影響也越小，因此，在滿足系統(tǒng)傳動要求的前提條件下，應(yīng)盡量減小滑輪包角。但相關(guān)資料只有關(guān)于包角的定性說明，沒有包角與鋼索壽命及摩擦力的量化推薦值。經(jīng)統(tǒng)計分析，本系統(tǒng)滑輪包角范圍為11.68°～107.31°，鋼索斷裂處的滑輪包角為11.68°，是所有包角中最小的一處。因此，鋼索在滑輪上的包角大小不是影響鋼索斷裂的原因。

圖7 包角圖

2.3 鋼索張緊力分析

鋼索張緊力是為了消除系統(tǒng)空行程和從一定程度上防止鋼索從輪槽中脫出，張緊力的確定應(yīng)綜合考慮鋼索直徑、長度、跨度等因素，但張緊力的大小在現(xiàn)有標準中沒有可以參考的定量要求，本子系統(tǒng)使用的張緊力是參照某型飛機油門操縱臺張緊力值，已經(jīng)有較豐富的使用經(jīng)驗，且遠小于鋼索破壞載荷力，因此，可以排除張緊力的影響。

2.4 鋼索扭轉(zhuǎn)及二次彎曲分析

扭轉(zhuǎn)力是指鋼索受到的使鋼索產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)趨勢的力，二次彎曲則是指鋼索受壓的一側(cè)在經(jīng)過另外滑輪時又受拉的情況。本系統(tǒng)離合裝置的部分鋼索存在二次彎曲及扭轉(zhuǎn)，如圖8，前艙油門操縱臺與離合裝置連接的鋼索在71mm范圍內(nèi)通過中心軸線不共面、不平行的3個導(dǎo)向滑輪，見圖8右側(cè)上、下兩根綠色鋼索；后艙油門操縱臺與離合裝置連接的鋼索在110mm范圍內(nèi)連續(xù)通過中心軸線不共面、不平行的4個導(dǎo)向滑輪，見圖8左側(cè)上、下兩根紅鋼索，該處鋼索承受二次彎曲及扭轉(zhuǎn)最嚴重，且試驗時鋼索斷裂就發(fā)生在此處。

圖8 離合裝置鋼索二次彎曲及扭轉(zhuǎn)

經(jīng)上述分析，鋼索斷裂的主要因素是：導(dǎo)向滑輪與鋼索直徑比較小和鋼索存在扭轉(zhuǎn)及二次彎曲，從而導(dǎo)致鋼索受到較大的應(yīng)力，在該應(yīng)力作用下，鋼索經(jīng)過一定循環(huán)運動后發(fā)生疲勞斷裂。

3 采取的措施及驗證

3.1 更換鋼索和導(dǎo)向滑輪材料

根據(jù)某型飛機的使用經(jīng)驗，將鋼索材料由碳素鋼更換為不銹鋼，并將鋼索直徑由2.15mm減小為1.8mm，增強鋼索的柔韌性，同時將導(dǎo)向滑輪材料由鋁合金改為酚醛塑料，減小滑輪在傳遞運動時對鋼索的摩擦，從而提高系統(tǒng)的抗疲勞性和使用壽命。

3.2 增加導(dǎo)向滑輪直徑

如圖9、圖10所示，前艙油門操縱臺導(dǎo)向滑輪直徑由Φ22 mm提高到Φ68mm，鋼索直徑比為68.2÷ 1.8=37.8；后艙油門操縱臺導(dǎo)向滑輪直徑提高到Φ73.2 mm和Φ83.7mm，鋼索直徑比為75.4÷1.8=40.7和83.7÷1.8=46.5，都大于主機所經(jīng)驗值20，可以進一步降低鋼索的應(yīng)力。

圖9 更改后的前艙油門操縱臺

圖10 更改后的后艙油門操縱臺

3.3 減少鋼索扭轉(zhuǎn)及二次彎曲

后艙操縱臺與離合裝置連接的鋼索由原來通過4個導(dǎo)向滑輪，改進為只通過1個導(dǎo)向滑輪 （如圖11）；前艙操縱臺與離合裝置連接的鋼索在由3個導(dǎo)向滑輪，改進為只通過一個導(dǎo)向滑輪（如圖12），油門操縱子系統(tǒng)鋼索整體受到的扭轉(zhuǎn)和二次彎曲應(yīng)力大幅度減小，鋼索受到的應(yīng)力也相應(yīng)降低。

圖11 后艙油門操縱臺與離合裝置鋼索連接更改前、后對比圖

圖12 前艙油門操縱臺與離合裝置鋼索連接更改前、后對比圖

4 結(jié) 論

通過更換鋼索和導(dǎo)向滑輪材料、增加導(dǎo)向滑輪直徑和減少鋼索扭轉(zhuǎn)及二次彎曲的一系列措施，對油門操縱子系統(tǒng)進行設(shè)計改進，之后經(jīng)過功能和225000次循環(huán)壽命試驗考核，系統(tǒng)工作正常，大大提高了發(fā)動機操縱系統(tǒng)的可靠性。

[1]陳嵩祿.飛機設(shè)計手冊第13冊[M].北京：航空工業(yè)出版社,2006.