航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效的種類及原因分析

1、航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效的種類及原因分析 摘 要：操縱系統(tǒng)鋼索的故障形式包括腐蝕、磨損、卡阻、斷裂等，由于操縱系統(tǒng)關(guān)系航空器的姿態(tài)和航向，特別是關(guān)鍵階段保持航空器姿態(tài)尤顯重要，而一旦操縱鋼索出現(xiàn)故障，將影響操縱力的傳遞，舵面有可能無法偏轉(zhuǎn)到預(yù)期的位置，航空器的姿態(tài)或航向?qū)⑵x目標(biāo)，嚴(yán)重時，將導(dǎo)致航空器失去控制。本文從鋼索測試檢測與分析、鋼索載荷和應(yīng)力兩個方面進(jìn)行了詳細(xì)描述，得出了航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效的相關(guān)結(jié)論，旨在拋磚引玉。 關(guān)鍵詞：航空器；操縱系統(tǒng)鋼索；失效 中圖分類號： v227 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 近期，某飛行訓(xùn)練單位cessna172機(jī)群操縱鋼索已發(fā)生異常磨損故障110多起，嚴(yán)重影響了飛行

2、訓(xùn)練和安全，操作系統(tǒng)失效是航空器 “三防”（防操作系統(tǒng)失效、防空停、防起落架失效）工作的首要關(guān)注點(diǎn)。特別是2012年7月b-xxxx飛機(jī)升降舵鋼索斷裂故障，所幸鋼索斷裂時處于著陸接地階段，否則將會發(fā)生嚴(yán)重的飛行事故，該故障現(xiàn)已引起民航監(jiān)管部門的高度重視。鋼索是具有多螺旋元組成復(fù)雜構(gòu)件，能夠傳遞較長距離負(fù)載。這種負(fù)載包括交變載荷，因此在抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)上具有很大的優(yōu)勢，在常規(guī)情況下使用承載安全系數(shù)較大、使用安全性較高。但同時使用過程中鋼索承載來自于多方向性結(jié)構(gòu)的作用扭轉(zhuǎn)力，也容易對鋼索本身造成一定的損傷，從而使得安全保障受到一定的威脅。鋼索失效的形式一般可分為磨損、變形、腐蝕、疲勞、斷裂

3、等。 1 鋼索測試檢測與分析 cessna172機(jī)群操縱鋼索采用6*7+ws結(jié)構(gòu)形式，整體鋼索直經(jīng)為25mm，分別由7股小鋼索組成、每小股由7根單鋼絲、單根鋼絲直徑0.28mm，標(biāo)準(zhǔn)破斷拉力不低于4.97kn。其符合于gb8902-1988國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。從2012年7月b-xxxx飛機(jī)升降舵鋼索斷裂事件采集樣品經(jīng)過測試，對鋼索的拉伸極限承載能力進(jìn)行相應(yīng)的測試，經(jīng)過兩組樣品儀對比分析，發(fā)現(xiàn)拉伸極限承載能力為5.25kn和5.22kn，結(jié)果符合gb8902-1988國家標(biāo)準(zhǔn)。這完全說明鋼索斷裂的主要原因不是破斷力不足引起的。但是這一結(jié)果不能說明鋼索本身材料質(zhì)量是否存在問題。由此我們對斷裂事件采集

4、樣品進(jìn)行了化學(xué)實驗，來檢測鋼索材料本身化學(xué)元素組成是否符合gb699-1999國家標(biāo)準(zhǔn)，通過檢測和對比，材料本身所包含的含碳、含硫、含磷等其它元素指標(biāo)全部在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。將所采集的樣品材料放置在掃描電鏡之下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鋼索表面呈現(xiàn)周向、環(huán)向摩擦的痕跡。通過仔細(xì)的斷口觀察，發(fā)現(xiàn)斷口明顯存在兩個分區(qū)，一是呈現(xiàn)橢圓形狀的拉伸后疲勞斷裂區(qū)，鋼索明顯呈現(xiàn)細(xì)長變形狀態(tài)、二是瞬間斷裂區(qū)，鋼索明顯并無拉伸跡象而呈現(xiàn)瞬間斷裂的特征。瞬間斷裂區(qū)域鋼索斷截面與鋼索中心軸線交互呈現(xiàn)45度傾角，斷口附近有摩擦的痕跡。同時斷口疲勞區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)疲勞源發(fā)散的特征且疲勞源有一定特征的擦傷痕跡。通過金相觀察和檢測鋼索金相組織未見

5、雜質(zhì)異常，含碳、含硫、含磷等其它元素指標(biāo)全部均在國家標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。 2 鋼索載荷和應(yīng)力 根據(jù)鋼索設(shè)計要求其預(yù)張力p0= 183.38n，張力在鋼索中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力根據(jù)以下公式進(jìn)行計算： （kl為拉伸應(yīng)力不均勻系數(shù)，一般取值1.2；p鋼索張力；a為鋼索橫斷面積之和） 鋼索在一定程度上設(shè)計預(yù)張力基本恒定，只能承受拉力還不能承受壓力，因此預(yù)張力毫無意外地在鋼索中產(chǎn)生。只有航空器具體操作時，鋼索才產(chǎn)生相應(yīng)的工作張力。因此相對而言鋼索工作張力并不是處于持續(xù)狀態(tài)，而是具有間歇性的特點(diǎn)。由此我們分析，鋼索出現(xiàn)斷裂特征是由于疲勞狀態(tài)下過量疲勞應(yīng)力所產(chǎn)生的，在常規(guī)情況下的疲勞應(yīng)力并未見可導(dǎo)致失效，因而我們可

6、以推斷鋼索斷裂的原因，在于鋼索疲勞應(yīng)力在工作狀態(tài)下增加引起的。工作狀態(tài)中，鋼索與滑輪進(jìn)入接觸狀態(tài)，會導(dǎo)致鋼索的彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生，這種彎曲應(yīng)力方向具有不確定性，我們可根據(jù)巴赫公式來進(jìn)行相關(guān)的計算，公式如下： 其中：ec為鋼索的拉伸彈性模量， 一般為1.5105mpa，d為鋼絲直徑； d 為轉(zhuǎn)向滑輪槽底直徑。 根據(jù)公式我們可以看出，鋼索的彎曲應(yīng)力和滑輪直徑呈現(xiàn)反比例關(guān)系，也就是說滑輪直徑越大，鋼索的彎曲應(yīng)力越小，這樣我們可以推斷，轉(zhuǎn)向滑輪直徑最小處是鋼索最容易遭受疲勞應(yīng)力增加而導(dǎo)致鋼索發(fā)生疲勞斷裂的原因。 3 措施改進(jìn) 通過以上分析，我們針對鋼索使用應(yīng)采取相應(yīng)措施來預(yù)防鋼索斷裂失效的情況發(fā)生。一方面

7、我們在采用各種滑輪、鼓輪、扇形輪的時候，盡量的滿足比較大的直徑。另一方面，在鋼索強(qiáng)度滿足使用的前提之下，我們需要控制鋼索直徑的大小，換而言之，我們需要采用比較小的鋼索直徑相對于比較安全。三方面為了降低整個鋼索疲勞應(yīng)力增加，我們可以在設(shè)計的時候盡量的避免摩邊角出現(xiàn)，從而減少滑輪與滑輪摩邊角的存在而導(dǎo)致的過度疲勞應(yīng)力。四方面在航空器操作系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)操縱力也是導(dǎo)致鋼索疲勞應(yīng)力增加的主要原因，因此系統(tǒng)操縱力需要得到相應(yīng)的控制，其與鋼索磨損呈現(xiàn)正比例關(guān)系，因此降低系統(tǒng)操縱力也是在航空器操作過程當(dāng)中應(yīng)該注意的問題。另外一個方面，需要提醒的是鋼索與滑輪槽接觸面的良好接觸有助于摩擦力的降低，從而使得鋼索能夠

8、延長壽命、減少疲勞，這是常規(guī)知識不必細(xì)述。 結(jié)語 通過以上分析，我們可以清楚地了解到操縱系統(tǒng)鋼索的故障形式包括腐蝕、磨損、卡阻、斷裂等，而本文重點(diǎn)在于對鋼索磨損斷裂的情況進(jìn)行了透徹的陳述，并且通過鋼索測試檢測與分析、鋼索載荷和應(yīng)力來詳細(xì)的分析，找出了鋼索磨損斷裂主要控制原因，并提出了相關(guān)方面的措施。在實際的操作過程當(dāng)中，我們強(qiáng)調(diào)多種因素的綜合分析、多種渠道的原因查找、多種措施的同時改善，這樣有助于航空器操縱系統(tǒng)鋼索失效問題的徹底解決，對航空器安全提供保證。 參考文獻(xiàn) 1凌晨，吳澎.淺談鋼絲繩失效原因j.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008（05）. 2王玲君.鋼絲繩使用常見損傷及電磁無損檢測j.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008（04）. 3魏金波，段