某型飛機座艙蓋緩慢下掉故障研究

王 賽，管博文

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖）

某型飛機座艙蓋系統(tǒng)由座艙蓋使用操縱系統(tǒng)、座艙蓋氣/液壓系統(tǒng)和座艙蓋防冰系統(tǒng)組成，主要功能是操縱開啟或關(guān)閉座艙蓋，并可以將座艙蓋鎖定在開啟和關(guān)閉過程中任意一個位置，為進出座艙提供通道。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機在外場使用維護階段，地勤維護人員發(fā)現(xiàn)座艙蓋緩慢下掉，不能進行牢固鎖定。經(jīng)更換座艙蓋手動開啟機構(gòu)后，座艙蓋下掉故障消失，定位為座艙蓋手動開啟機構(gòu)操縱開關(guān)內(nèi)部密封失效，導(dǎo)致座艙蓋不能鎖定在任意一個位置。

2 故障分析

根據(jù)歷史同類故障統(tǒng)計與分析，座艙蓋無法鎖定或下沉量大的主要原因是座艙蓋手動開啟機構(gòu)內(nèi)操縱開關(guān)活塞桿膠面在多次開關(guān)座艙蓋沖擊下，膠面于活塞桿根部粘接處脫膠，或膠面開裂自支桿與壓膠結(jié)合圓周處起源，逐漸擴展至活塞桿與閥口的工作面，最終導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部密封性失效，座艙蓋無法鎖定。根據(jù)座艙蓋系統(tǒng)工作原理和座艙蓋緩慢下掉故障分析[4]，繪制座艙蓋緩慢下掉故障樹，具體如圖1 所示。

3 故障排查及定位

3.1 故障樹底事件排查

座艙蓋手動開啟機構(gòu)返廠后，按照“產(chǎn)品外觀檢查- 試驗臺聯(lián)調(diào)聯(lián)試- 產(chǎn)品部件試驗- 分解詳細檢查”流程，逐次確定故障底事件，具體如下。

（1） 根據(jù)更換座艙蓋手動開啟機構(gòu)故障消失現(xiàn)象，可以排除底事件X1 作動筒上下腔串油。

（2） 在不模擬座艙蓋重量條件下，通過試驗臺進行6 次座艙蓋操縱作動筒手動開、關(guān)試驗，試驗過程中，座艙蓋手動開啟機構(gòu)液壓泵無空行程現(xiàn)象，因此可排除底事件X11 活門卡滯和X12 泵腔膠圈切損。

（3） 在試驗臺上模擬座艙蓋系統(tǒng)開關(guān)過程，根據(jù)故障復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象，初步確定座艙蓋手動開啟機構(gòu)操縱開關(guān)不密封，從試驗過程中下掉故障僅復(fù)現(xiàn)一次可排除底事件X6 活塞桿壓膠面密封處開裂。

（4） 將操縱開關(guān)從座艙蓋手動開啟機構(gòu)上拆下，對操縱開關(guān)進行密封試驗，當供壓至3.6 MPa 時，操作開關(guān)接管嘴開始出現(xiàn)滲漏，根據(jù)故障現(xiàn)象，故障原因定位在操縱開關(guān)上。

（5） 進一步分解檢查操縱開關(guān)內(nèi)活塞桿壓膠面表面質(zhì)量完好，密封位置、內(nèi)部活塞桿密封面處無異物，可排除底事件X7 活塞桿壓膠面非密封處開裂和底事件X4 異物卡滯。

（6） 進一步檢查發(fā)現(xiàn)，右腔活塞桿根部周向360度均產(chǎn)生5180F 膠料與金屬脫膠，左腔約180 度產(chǎn)生脫膠[2]，如圖2 所示，無法排除底事件X8 活塞桿壓膠面脫膠。

圖2 活塞桿壓膠面情況

（7） 檢查座子上膠圈無切損，可排除底事件X10 座子上膠圈切損。

（8） 測量座子與活塞之間的間隙，即軸襯與孔用彈性平擋圈之間無間隙，可排除底事件X5 操縱開關(guān)內(nèi)部間隙異常。

（9） 測量2 件彈簧，均滿足S=15.6 mm，P≥116 N 且≤128 N，可排除底事件X9 彈簧擠壓力異常。

（10） 測量2 件活塞桿壓膠面高度，滿足設(shè)計要求，可排除底事件X2 活塞桿壓膠面高度異常。

（11） 測量2 件活塞桿骨架高度差為0，均滿足設(shè)計要求，可排除底事件X3 活塞桿骨架高度差異常。

綜合以上分析，座艙蓋下沉不能鎖定底事件排查結(jié)果為活塞桿壓膠面脫膠X8。

3.2 故障原因定位

為進一步確定故障原因，對活塞桿壓膠面進行受力和機理分析，具體如下。

3.2.1 受力分析

活塞桿壓膠面與活塞桿金屬根部脫膠，且右腔脫膠程度高于左腔脫膠程度，這與前期故障分析結(jié)果一致。在操縱開關(guān)搖臂上螺釘與氣動作動筒頂桿未接觸的狀態(tài)下，此時，操縱開關(guān)搖臂上螺釘能夠位移的主導(dǎo)因素來源于操縱開關(guān)中活塞桿移動。忽略所有摩擦力影響，假設(shè)座艙蓋操縱作動筒液壓下腔給操縱開關(guān)B 供壓Pb，座艙蓋作動筒液壓上腔給操縱開關(guān)D 供壓Pd，彈簧力分別為Ft1、Ft2，壓膠面力分別為Fj1、Fj2對該狀態(tài)下的活塞桿受力情況分析如下，內(nèi)部受力狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 操縱開關(guān)內(nèi)部受力狀態(tài)

因此有：

座艙蓋手動開啟機構(gòu)操縱開關(guān)中彈簧為標準件，彈簧初始長度為24 mm。根據(jù)操縱開關(guān)裝配關(guān)系，裝配后為壓縮狀態(tài)，彈簧長度為19 mm，彈簧壓縮量為5 mm，彈簧材料為65Si2MnWA，根據(jù)彈簧標準計算彈簧壓縮5 mm 時，k=14.6 N/mm，假設(shè)兩腔彈簧狀態(tài)無差異，則壓膠活門受彈簧壓力為Ft1=Ft2=73 N。

綜合以上，應(yīng)有：

通過以上分析，座艙蓋在開啟極限位置時，座艙蓋手動開啟機構(gòu)上液壓操縱開關(guān)內(nèi)活塞桿壓膠面始終處于受力狀態(tài)。

3.2.2 機理與仿真分析

現(xiàn)結(jié)合該型飛機操縱開關(guān)工作原理，分析兩腔活塞桿壓膠面的受力差異和開裂、脫膠原因，具體如下。

在座艙蓋鎖定狀態(tài)下，座艙蓋操縱系統(tǒng)的狀態(tài)如圖4 所示[1]，此時，座艙蓋操縱作動筒上腔為低壓液壓油，座艙蓋操縱作動筒下腔為高壓液壓油（此時的高壓主要由于座艙蓋的重力產(chǎn)生）。操縱開關(guān)壓膠面開裂或脫膠的活塞桿所在腔如圖4 中標注所示。

圖4 座艙蓋操縱系統(tǒng)鎖定狀態(tài)

在座艙蓋打開，液壓鎖定情況下，兩側(cè)腔的活塞桿壓膠面（以下簡稱壓膠面）被座子閥口擠壓變形，可以被分成內(nèi)側(cè)和外側(cè)，外側(cè)的橡膠被向外擠壓。壓膠面受力趨勢仿真分析[3]如圖5 所示。

圖5 壓膠面受力變形趨勢

左側(cè)腔活塞桿上側(cè)受到一個極小的液壓力，下側(cè)受到約3.3 MPa 的液壓力和彈簧壓緊力，壓膠面凹陷量較大，暫且可以認為壓膠面內(nèi)側(cè)和外側(cè)被閥口的壓緊力隔開。壓膠面內(nèi)側(cè)收到的液壓力極小，因此產(chǎn)生的彈性應(yīng)力較??；壓膠面外側(cè)受到約3.3 MPa 的液壓力，可以認為壓膠面外側(cè)被液壓力向內(nèi)擠壓，與閥口對橡膠的向外擠壓力配合，貼緊閥口，由于活塞桿外側(cè)骨架表面積較大，因此產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，且膠面密封情況較好。

右側(cè)腔活塞桿上側(cè)受到約3.3 MPa 的液壓力，下側(cè)受到一個極小的液壓力和彈簧壓緊力，壓膠面凹陷量較小，可以認為壓膠面內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間橡膠可以產(chǎn)生比左側(cè)腔更大的變形。壓膠面內(nèi)側(cè)受到約3.3 MPa的液壓力，產(chǎn)生較大的彈性應(yīng)力，由于活塞桿中心桿與橡膠結(jié)合的表面積較小，產(chǎn)生的彈性應(yīng)力較大；壓膠面外側(cè)受到的液壓力極小，不會對橡膠產(chǎn)生對內(nèi)的擠壓力，密封情況較差。此時中心桿與橡膠結(jié)合面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，于是會產(chǎn)生脫膠，間歇性影響密封導(dǎo)致密封失效，或裂紋從應(yīng)力集中處發(fā)育，并受液壓力產(chǎn)生的彈性應(yīng)力及閥口的壓緊力拉扯呈螺旋線狀向外擴展，最終到達密封部位，使得密封失效。

3.2.3 膠面材料性能分析

該型飛機座艙蓋手動開啟機構(gòu)活塞桿膠面膠料使用的是5180F，而蘇系列飛機該膠面膠料使用的是FX-17，兩者在拉伸強度等方面存在差異，F(xiàn)X-17 膠料比5180F 膠料抗拉伸強度要高，蘇系列飛機同產(chǎn)品故障遠低于該型飛機同類產(chǎn)品。

3.2.4 故障定位結(jié)論

通過對座艙蓋手動開啟機構(gòu)在系統(tǒng)中工作原理、活塞桿膠面受力及活塞桿膠面膠料性能對比分析，可確定為操縱開關(guān)右側(cè)腔活塞桿壓膠面所受到的拉伸強度高于膠料自身拉伸強度，導(dǎo)致膠面無法承受外界的拉力而開裂脫膠。

4 改進措施

4.1 當前大修過程控制措施

4.1.1 加強產(chǎn)品修理過程管控

在座艙制蓋手動開啟機構(gòu)修理過程中，一是嚴格控制5180F 膠料各項性能參數(shù)，確保各項參數(shù)最優(yōu)；二是控制金屬壓膠件的硫化日期和裝配日期間隔，必須不大于2 個月，防止超期，壓膠面性能指標下降；三是加長對操縱開關(guān)保壓試驗時間、確保產(chǎn)品裝配的可靠性。

4.1.2 加強活塞桿膠面可靠性檢查

通過座艙蓋系統(tǒng)使用，對活塞桿膠面可靠性進行檢查，一是在座艙蓋系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)，加強對座艙蓋在長時間開啟狀態(tài)下，座艙蓋不應(yīng)下掉檢查；二是在座艙蓋手動開啟機構(gòu)使用一段時間后，飛機出廠前，再次對座艙蓋長時間開啟狀態(tài)下檢查，確保座艙蓋不出現(xiàn)下掉現(xiàn)象。

4.2 后續(xù)改進措施

目前，結(jié)合該產(chǎn)品工作原理和修理經(jīng)驗，主要改進方向包括膠料、活塞桿及其壓膠結(jié)構(gòu)的改進。通過對結(jié)構(gòu)改進前后進行受力仿真分析，改進結(jié)構(gòu)后活塞桿壓膠面所受應(yīng)力較改進前減小，同時膠面所受應(yīng)力分散，受力云圖對比如圖6 所示。從結(jié)果能夠看出，改進后的結(jié)構(gòu)對活塞桿金屬根部受力具有改善作用。

圖6 壓膠面應(yīng)力云圖

結(jié)束語

綜上所述，座艙蓋緩慢下掉主要原因是座艙蓋手動開啟機構(gòu)上液壓操縱開關(guān)內(nèi)活塞桿壓膠面開裂，導(dǎo)致座艙蓋手動開啟機構(gòu)內(nèi)部密封失效。通過對該產(chǎn)品修理改進，外場故障較改進前明顯下降。要想從根本上解決活塞桿壓膠面開裂脫膠問題，還需通過進一步試驗及裝機驗證，不斷進行完善，提高產(chǎn)品性能可靠性。