航空器操纵系统钢索失效的种类及原因分析

聂　挺（中国民用航空飞行学院，四川　广汉　618307）

航空器操纵系统钢索失效的种类及原因分析

聂挺
（中国民用航空飞行学院，四川广汉618307）

摘要：操纵系统钢索的故障形式包括腐蚀、磨损、卡阻、断裂等，由于操纵系统关系航空器的姿态和航向，特别是关键阶段保持航空器姿态尤显重要，而一旦操纵钢索出现故障，将影响操纵力的传递，舵面有可能无法偏转到预期的位置，航空器的姿态或航向将偏离目标，严重时，将导致航空器失去控制。本文从钢索测试检测与分析、钢索载荷和应力两个方面进行了详细描述，得出了航空器操纵系统钢索失效的相关结论，旨在抛砖引玉。

关键词：航空器；操纵系统钢索；失效

近期，某飞行训练单位Cessna172机群操纵钢索已发生异常磨损故障110多起，严重影响了飞行训练和安全，操作系统失效是航空器“三防”（防操作系统失效、防空停、防起落架失效）工作的首要关注点。特别是2012年7月B-XXXX飞机升降舵钢索断裂故障，所幸钢索断裂时处于着陆接地阶段，否则将会发生严重的飞行事故，该故障现已引起民航监管部门的高度重视。钢索是具有多螺旋元组成复杂构件，能够传递较长距离负载。这种负载包括交变载荷，因此在抗拉强度、疲劳强度等指标上具有很大的优势，在常规情况下使用承载安全系数较大、使用安全性较高。但同时使用过程中钢索承载来自于多方向性结构的作用扭转力，也容易对钢索本身造成一定的损伤，从而使得安全保障受到一定的威胁。钢索失效的形式一般可分为磨损、变形、腐蚀、疲劳、断裂等。

1　钢索测试检测与分析

Cessna172机群操纵钢索采用6*7+WS结构形式，整体钢索直经为25mm，分别由7股小钢索组成、每小股由7根单钢丝、单根钢丝直径0.28mm，标准破断拉力不低于4.97kN。其符合于GB8902-1988国家标准的要求。从2012年7月B-XXXX飞机升降舵钢索断裂事件采集样品经过测试，对钢索的拉伸极限承载能力进行相应的测试，经过两组样品仪对比分析，发现拉伸极限承载能力为5.25kN和5.22kN，结果符合GB8902-1988国家标准。这完全说明钢索断裂的主要原因不是破断力不足引起的。但是这一结果不能说明钢索本身材料质量是否存在问题。由此我们对断裂事件采集样品进行了化学实验，来检测钢索材料本身化学元素组成是否符合GB699-1999国家标准，通过检测和对比，材料本身所包含的含碳、含硫、含磷等其它元素指标全部在标准范围之内。将所采集的样品材料放置在扫描电镜之下进行观察，发现钢索表面呈现周向、环向摩擦的痕迹。通过仔细的断口观察，发现断口明显存在两个分区，一是呈现椭圆形状的拉伸后疲劳断裂区，钢索明显呈现细长变形状态、二是瞬间断裂区，钢索明显并无拉伸迹象而呈现瞬间断裂的特征。瞬间断裂区域钢索断截面与钢索中心轴线交互呈现45度倾角，断口附近有摩擦的痕迹。同时断口疲劳区能够发现疲劳源发散的特征且疲劳源有一定特征的擦伤痕迹。通过金相观察和检测钢索金相组织未见杂质异常，含碳、含硫、含磷等其它元素指标全部均在国家标准要求范围之内。

2　钢索载荷和应力

根据钢索设计要求其预张力P0= 183.38N，张力在钢索中产生的拉伸应力根据以下公式进行计算：

（KL为拉伸应力不均匀系数，一般取值1.2；P钢索张力；A为钢索横断面积之和）

钢索在一定程度上设计预张力基本恒定，只能承受拉力还不能承受压力，因此预张力毫无意外地在钢索中产生。只有航空器具体操作时，钢索才产生相应的工作张力。因此相对而言钢索工作张力并不是处于持续状态，而是具有间歇性的特点。由此我们分析，钢索出现断裂特征是由于疲劳状态下过量疲劳应力所产生的，在常规情况下的疲劳应力并未见可导致失效，因而我们可以推断钢索断裂的原因，在于钢索疲劳应力在工作状态下增加引起的。工作状态中，钢索与滑轮进入接触状态，会导致钢索的弯曲应力的产生，这种弯曲应力方向具有不确定性，我们可根据巴赫公式来进行相关的计算，公式如下：

其中：Ec为钢索的拉伸弹性模量，一般为1.5×105MPa，d为钢丝直径；D为转向滑轮槽底直径。

根据公式我们可以看出，钢索的弯曲应力和滑轮直径呈现反比例关系，也就是说滑轮直径越大，钢索的弯曲应力越小，这样我们可以推断，转向滑轮直径最小处是钢索最容易遭受疲劳应力增加而导致钢索发生疲劳断裂的原因。

3　措施改进

通过以上分析，我们针对钢索使用应采取相应措施来预防钢索断裂失效的情况发生。一方面我们在采用各种滑轮、鼓轮、扇形轮的时候，尽量的满足比较大的直径。另一方面，在钢索强度满足使用的前提之下，我们需要控制钢索直径的大小，换而言之，我们需要采用比较小的钢索直径相对于比较安全。三方面为了降低整个钢索疲劳应力增加，我们可以在设计的时候尽量的避免摩边角出现，从而减少滑轮与滑轮摩边角的存在而导致的过度疲劳应力。四方面在航空器操作系统当中，系统操纵力也是导致钢索疲劳应力增加的主要原因，因此系统操纵力需要得到相应的控制，其与钢索磨损呈现正比例关系，因此降低系统操纵力也是在航空器操作过程当中应该注意的问题。另外一个方面，需要提醒的是钢索与滑轮槽接触面的良好接触有助于摩擦力的降低，从而使得钢索能够延长寿命、减少疲劳，这是常规知识不必细述。

结语

通过以上分析，我们可以清楚地了解到操纵系统钢索的故障形式包括腐蚀、磨损、卡阻、断裂等，而本文重点在于对钢索磨损断裂的情况进行了透彻的陈述，并且通过钢索测试检测与分析、钢索载荷和应力来详细的分析，找出了钢索磨损断裂主要控制原因，并提出了相关方面的措施。在实际的操作过程当中，我们强调多种因素的综合分析、多种渠道的原因查找、多种措施的同时改善，这样有助于航空器操纵系统钢索失效问题的彻底解决，对航空器安全提供保证。

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中图分类号：V227

文献标识码：A