某型發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)油門鋼索斷裂原因分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

闞玉平

摘要：某型發(fā)動(dòng)機(jī)油門鋼索在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂故障，為消除隱患，徹底解決該類故障，需對(duì)鋼索受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并逐條排查可能造成鋼索斷裂的原因。最終確認(rèn)鋼索斷裂原因?yàn)槠趬勖汀Ｍㄟ^(guò)增大滑輪直徑、改善鋼索扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)等措施，大幅提升鋼索疲勞壽命，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了驗(yàn)證，改進(jìn)后驗(yàn)證結(jié)果滿足使用要求。

Abstract： A certain type of engine throttle cable has a fracture failure during use. In order to eliminate hidden dangers and completely solve this type of failure， it is necessary to conduct a detailed analysis of the force of the steel cable， and investigate the possible causes of the cable fracture one by one. Finally， it was confirmed that the reason for the cable fracture was low fatigue life. Through measures such as increasing the pulley diameter and improving the torsion trend of the steel cable， the fatigue life of the steel cable was greatly increased， and the improved design measures were verified. After the improvement， the verification results meet the requirements of use.

關(guān)鍵詞：油門鋼索;斷裂;疲勞壽命

Key words： throttle cable;fracture;fatigue life

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0118-02

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、變換工作狀態(tài)及操縱發(fā)動(dòng)機(jī)停車工作。發(fā)動(dòng)機(jī)的操縱由座艙內(nèi)的操縱手柄，通過(guò)飛機(jī)上的操縱系統(tǒng)、主動(dòng)滑輪搖臂將轉(zhuǎn)矩傳至主動(dòng)滑輪，再經(jīng)過(guò)鋼索系統(tǒng)將扭矩傳至凸輪撥叉組件上的滑輪，滑輪通過(guò)油門拉桿、凸輪撥叉組件、拉桿組件、停車?yán)瓧U等實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油泵調(diào)節(jié)器油門搖臂、停車搖臂的協(xié)調(diào)同步聯(lián)動(dòng)。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某型發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)是一個(gè)軟硬混合式傳動(dòng)系統(tǒng)。飛行員在駕駛艙內(nèi)對(duì)油門操縱手柄的操作，通過(guò)飛機(jī)機(jī)身上安裝的鋼索滑輪傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙處的連桿機(jī)構(gòu)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)上的油泵調(diào)節(jié)器的油門搖臂，控制油門開關(guān)的大小以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的供應(yīng)與關(guān)閉。油門操縱手柄前退時(shí)，增油鋼索受拉，油門向供油量增加方向移動(dòng);油門操縱手柄后拉時(shí)，減油鋼索受拉，油門向油量減小方向移動(dòng)。

2? 故障分析及定位

某型機(jī)在飛行著陸后檢查發(fā)現(xiàn)該架機(jī)左發(fā)增油鋼索斷裂，外場(chǎng)使用過(guò)程中也曾數(shù)次出現(xiàn)該部位鋼索斷絲。為徹底解決該故障，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)進(jìn)行分析，認(rèn)為可能造成鋼索斷裂的原因?yàn)殇撍鹘宇^與通過(guò)孔干涉、鋼索接頭與擋銷干涉、鋼索接頭與滑輪槽口干涉、鋼索張力大、鋼索疲勞壽命低、鋼絲繩材料缺陷、制造安裝過(guò)程受損、腐蝕、鋼索與通過(guò)孔相磨、鋼索與擋銷相磨等10個(gè)底事件。

2.1 故障分析

2.1.1 底事件1：鋼索接頭與通過(guò)孔干涉

鋼索接頭與通過(guò)孔干涉時(shí)，鋼索運(yùn)動(dòng)受阻，會(huì)導(dǎo)致油門卡滯，操縱力明顯增大。此時(shí)操縱油門手柄，鋼索所受拉力會(huì)顯著增大，當(dāng)鋼索所受拉力大于其最小破斷拉力時(shí)可能出現(xiàn)鋼索斷裂。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，故障鋼索接頭完好，遠(yuǎn)離通過(guò)孔，未發(fā)現(xiàn)與通過(guò)孔干涉現(xiàn)象，同時(shí)操作人員陳述，未出現(xiàn)操縱力增大現(xiàn)象。因此，該底事件可以排除。

2.1.2 底事件2：鋼索接頭與擋銷干涉

鋼索接頭與擋銷干涉時(shí)，鋼索運(yùn)動(dòng)受阻，會(huì)導(dǎo)致油門卡滯，操縱力明顯增大。此時(shí)操縱油門手柄，鋼索所受拉力會(huì)顯著增大，當(dāng)鋼索所受拉力大于其最小破斷拉力時(shí)可能出現(xiàn)鋼索斷裂。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，故障鋼索接頭完好，接頭遠(yuǎn)離擋銷，未發(fā)現(xiàn)與擋銷干涉現(xiàn)象，同時(shí)操作人員陳述，未出現(xiàn)操縱力增大現(xiàn)象。因此，該底事件可以排除。

2.1.3 底事件3：鋼索接頭與滑輪槽口干涉

鋼索接頭與滑輪槽口干涉時(shí)，鋼索運(yùn)動(dòng)受阻，會(huì)導(dǎo)致油門卡滯，操縱力明顯增大。此時(shí)操縱油門手柄，鋼索所受拉力會(huì)顯著增大，當(dāng)鋼索所受拉力大于其最小破斷拉力時(shí)可能出現(xiàn)鋼索斷裂。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，故障鋼索接頭完好，接頭遠(yuǎn)離滑輪槽口，未發(fā)現(xiàn)與滑輪槽口干涉現(xiàn)象，同時(shí)操作人員陳述，未出現(xiàn)操縱力增大現(xiàn)象。因此，該底事件可以排除。

2.1.4 底事件4：鋼索張力大

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱鋼索張力可通過(guò)松緊螺套調(diào)整，當(dāng)外界溫度為20℃時(shí)，鋼索張力為196N。隨著環(huán)境溫度的升高，鋼索張力增大。當(dāng)鋼索張力增大至其最小破斷力時(shí)，可導(dǎo)致鋼索斷裂。對(duì)飛機(jī)油門鋼索張力在外場(chǎng)進(jìn)行了多次測(cè)量，鋼索張力均在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，該底事件可以排除。

2.1.5 底事件5：鋼索疲勞壽命低

經(jīng)地面檢查，發(fā)現(xiàn)左發(fā)增油鋼索在機(jī)身47框左側(cè)三角梁內(nèi)轉(zhuǎn)向滑輪處于左發(fā)動(dòng)機(jī)艙機(jī)身側(cè)壁下部轉(zhuǎn)向滑輪間斷裂。左發(fā)增油鋼索斷裂后，油門操縱手柄失效。左發(fā)油門操縱手柄在減油鋼索的張力作用下，向前移至起飛位，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器油門搖臂在減油鋼索的張力和油門開關(guān)復(fù)位彈力作用下，向減小供油量的方向運(yùn)動(dòng)，直至發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

鋼索斷裂部分鋼絲末端呈散開狀，存在彎折變形，端口位置參差不齊，斷裂鋼絲斷口較為平齊，宏觀上可見(jiàn)明顯的疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征，部分?jǐn)嗫谏洗嬖趦蓚€(gè)或三個(gè)疲勞源;疲勞均始于鋼絲表面，包括鋼索外表面平面損傷部位及鋼絲與鋼絲之間的擠壓損傷部位。微觀可見(jiàn)清晰疲勞條帶特征，表明鋼索斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。因此，該事件不能排除。

2.1.6 底事件6：鋼索材料缺陷

鋼絲繩本身材料差異較大，如果鋼絲材料雜質(zhì)含量高、鋼絲繩加工質(zhì)量低，會(huì)導(dǎo)致鋼索性能參數(shù)降低，長(zhǎng)期工作后會(huì)出現(xiàn)鋼索斷絲現(xiàn)象。對(duì)出現(xiàn)斷絲的鋼絲繩進(jìn)行全面復(fù)查，采購(gòu)的鋼絲繩符合入廠復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)定。鋼絲繩的試驗(yàn)方法與結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)定。因此，鋼絲繩的采購(gòu)、驗(yàn)收項(xiàng)目、試驗(yàn)方法和結(jié)果、保管和貯存符合相關(guān)要求。因此，該底事件可以排除。

2.1.7 底事件7：制造安裝過(guò)程受損

鋼索制造、保管、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)意外損傷，造成鋼索存在斷絲隱患。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢查，鋼絲繩保管和貯存符合規(guī)定，可保證產(chǎn)品不被銹蝕、不變形和不被碰傷;油門鋼索的生產(chǎn)制造工藝文件內(nèi)容完整、工序內(nèi)容完整、要求明確、試驗(yàn)數(shù)據(jù)正確，符合設(shè)計(jì)圖樣及技術(shù)文件的要求;油門鋼索的裝配及調(diào)整指令完整、流程正確，符合工藝、設(shè)計(jì)文件要求，不存在斷絲隱患。因此，該底事件可以排除。

2.1.8 底事件8：腐蝕

發(fā)動(dòng)機(jī)油門操縱鋼索腐蝕會(huì)顯著降低鋼索使用壽命，在使用過(guò)程中易造成鋼索斷裂。通過(guò)對(duì)故障件鋼索進(jìn)行檢查，鋼絲表面的保護(hù)層完好，未見(jiàn)腐蝕痕跡。因此，該底事件可以排除。

2.1.9 底事件9：鋼索與通過(guò)孔相磨

鋼索運(yùn)功過(guò)程中，如果與結(jié)構(gòu)通過(guò)孔相磨，會(huì)導(dǎo)致鋼索磨損，造成鋼索斷絲。現(xiàn)場(chǎng)檢查飛機(jī)，斷裂鋼索結(jié)構(gòu)通過(guò)孔未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，鋼索斷裂部位遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)通過(guò)孔位置，復(fù)查多架機(jī)相同位置，鋼索與結(jié)構(gòu)通過(guò)孔間隙均大于3mm，未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡。因此，該底事件可以排除。

2.1.10 底事件10：鋼索與擋銷相磨

鋼索運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果與結(jié)構(gòu)擋銷相磨，會(huì)導(dǎo)致鋼索磨損，造成鋼索斷絲?，F(xiàn)場(chǎng)檢查飛機(jī)，斷裂鋼索的擋銷未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡。復(fù)查多架機(jī)相同位置，鋼索與擋銷間隙均在0.5mm～3mm范圍，符合設(shè)計(jì)要求。因此，該底事件可以排除。

2.2 故障定位

通過(guò)系統(tǒng)分析、油門鋼索制造符合型檢查、飛機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢查及故障件理化分析，可以排除油門鋼索接頭與通過(guò)孔干涉、鋼索接頭與擋銷干涉、鋼索接頭與滑輪槽口干涉、鋼索張力大、鋼索材料缺陷、制造安裝過(guò)程受損、腐蝕、鋼索與通過(guò)孔相磨、鋼索與擋銷相磨造成鋼索斷裂等原因。綜合分析，飛機(jī)機(jī)身左側(cè)轉(zhuǎn)向滑輪直徑偏小，鋼索與前后滑輪不共面，致使鋼索在？準(zhǔn)19mm滑輪處受較大應(yīng)力，長(zhǎng)期使用導(dǎo)致疲勞斷裂，是導(dǎo)致此次油門鋼索斷裂的根本原因。

3? 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

鋼索是由許多螺旋元組成的復(fù)雜構(gòu)件，在工作時(shí)受力狀態(tài)較為復(fù)雜，鋼索拉伸與扭轉(zhuǎn)同時(shí)存在，主要受力包括預(yù)緊力、工作拉力、彎曲應(yīng)力。鋼索的預(yù)緊張力在系統(tǒng)狀態(tài)確定后，基本保持不變;工作拉力只有當(dāng)操縱發(fā)動(dòng)機(jī)油門時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，且是間歇出現(xiàn)的;彎曲應(yīng)力是在轉(zhuǎn)向滑輪處，當(dāng)鋼索與滑輪接觸后，由于鋼索的彎折而產(chǎn)生。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，鋼索與滑輪由非接觸狀態(tài)到接觸狀態(tài)交替變化，所以鋼索的彎曲應(yīng)力也是循環(huán)變化的。鋼索的彎曲應(yīng)力與滑輪直徑成反比，滑輪直徑越小，鋼索的彎曲應(yīng)力越高。針對(duì)鋼索受力情況及機(jī)上實(shí)際安裝情況，制定改進(jìn)設(shè)計(jì)措施如下：

3.1 增大滑輪直徑

重新設(shè)計(jì)三角梁內(nèi)滑輪支架、左右發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)機(jī)身側(cè)壁下部滑輪支架。將左右三角梁內(nèi)轉(zhuǎn)向滑輪由“？準(zhǔn)34mm”、“？準(zhǔn)35mm”、“？準(zhǔn)46mm”、“？準(zhǔn)52mm”均改為“？準(zhǔn)56mm”。將左右發(fā)動(dòng)機(jī)艙機(jī)身側(cè)壁下部轉(zhuǎn)向滑輪由“？準(zhǔn)19mm”改為“？準(zhǔn)56mm”并上移25mm，滑輪材料均選用酚醛塑料。通過(guò)以上改進(jìn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)轉(zhuǎn)向滑輪直徑均增大至50mm以上，有效減小了鋼索所受彎曲應(yīng)力。

3.2 改善鋼索扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)

將左右發(fā)動(dòng)機(jī)末級(jí)滑輪由單輪改為雙輪，重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)末級(jí)滑輪支架，保證從三角梁轉(zhuǎn)向滑輪出來(lái)的鋼索與末級(jí)滑輪共面，協(xié)調(diào)更改松緊螺套位置，減輕鋼索扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

4? 改進(jìn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的正確有效，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)改進(jìn)后油門鋼索疲勞壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，分為機(jī)身47框處設(shè)計(jì)改進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)、全機(jī)狀態(tài)設(shè)計(jì)改進(jìn)試驗(yàn)和裝機(jī)試車驗(yàn)證。

4.1 機(jī)身47框處臺(tái)架驗(yàn)證

模擬機(jī)身47框處發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)改進(jìn)后機(jī)上安裝狀態(tài)，選取系統(tǒng)末級(jí)滑輪作為驅(qū)動(dòng)輪。根據(jù)飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用工況。選取三種狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?7%～87%油門鋼索行程進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)行程15°）;模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從0.42額定到額定狀態(tài)油門鋼索行程進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)行程45°）;模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從慢車狀態(tài)至起飛狀態(tài)油門鋼索行程進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)行程74°）。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后左右機(jī)身47框處油門鋼索疲勞壽命均可達(dá)100萬(wàn)次以上。

4.2 全機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證

模擬全機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)油門鋼索改進(jìn)后機(jī)上安裝狀態(tài)，選取油門桿作為驅(qū)動(dòng)輪。根據(jù)飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)實(shí)際使用工況，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從慢車狀態(tài)至起飛狀態(tài)油門鋼索行程進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)行程55°）。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后全機(jī)油門鋼索疲勞壽命均可達(dá)72萬(wàn)次以上。

4.3 裝機(jī)試車驗(yàn)證

改進(jìn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)油門鋼索經(jīng)調(diào)試、檢查，鋼索與滑輪的位置協(xié)調(diào)正確，鋼索與通過(guò)孔、周圍機(jī)件的間隙符合要求，油門桿運(yùn)動(dòng)靈活。進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)能正常操縱發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停車及轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)跟隨性良好，左右發(fā)同步性滿足要求。

5? 結(jié)論

通過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，某型機(jī)油門鋼索斷裂原因?yàn)椋喝橇簝?nèi)轉(zhuǎn)向滑輪直徑偏小，鋼索從機(jī)身47框左側(cè)三角梁內(nèi)轉(zhuǎn)向滑輪，經(jīng)左發(fā)動(dòng)機(jī)艙機(jī)身側(cè)壁下部？準(zhǔn)19mm轉(zhuǎn)向滑輪，到系統(tǒng)末級(jí)滑輪處，連續(xù)經(jīng)歷空間異面轉(zhuǎn)向，油門鋼索在該處受拉伸力、彎曲應(yīng)力以及扭轉(zhuǎn)力的符合作用，存在彎曲疲勞，易在鋼索與？準(zhǔn)19mm轉(zhuǎn)向滑輪接觸處產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，導(dǎo)致鋼索疲勞斷裂。通過(guò)將滑輪直徑增大，將左右發(fā)動(dòng)機(jī)艙機(jī)身側(cè)壁下部轉(zhuǎn)向滑輪上移25mm;更改轉(zhuǎn)向滑輪與末級(jí)滑輪之間的松緊螺套位置，同時(shí)將系統(tǒng)末級(jí)滑輪由單輪改為雙輪聯(lián)動(dòng)形式，可有效提高油門鋼索疲勞壽命。

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