航空器柔性鋼索失效分析研究

李勇君，唐海軍，陳衛華

（1.中國民用航空飛行學院遂寧分院，遂寧 629000；2.中國民航科學技術研究院，北京 100028）

航空器柔性鋼索失效分析研究

李勇君1，唐海軍2，陳衛華1

（1.中國民用航空飛行學院遂寧分院，遂寧 629000；2.中國民航科學技術研究院，北京 100028）

柔性鋼索在航空器上常用于傳遞操縱位移和操縱力。為了提高航空器的飛行可靠性，有效保證

航空器及乘客的安全。基于鋼索在航空器故障失效模式，采用由表及里、追本溯源、瞻前顧后的故障分析方法，從鋼索材質、物理性能、工作狀態等方面，研究航空器鋼索斷裂失效原因，并依據分析結論，提出相應的維修對策，結果表明：應用改進措施降低了鋼索斷裂失效的故障率，提高了系統的可靠性，有效的保證了航空器的飛行安全。

鋼索；微動磨損；航空器；維修；對策

0　引言

鋼索因其具有結構簡單、重量輕、布局和安裝容易、便于繞過障礙物等優點，在航空器上常用于傳遞操縱力和位移，用來控制舵面的偏轉、發動機油門的加減等，從而使航空器能正常的飛行。航空器操縱鋼索通常以一束鋼絲按照螺旋形扭織成股，然后以一股為中心其余數股扭編成鋼索，其工作時的受力狀況相當復雜。飛行中，鋼索還要承受航空器飛行帶來的極端溫度、濕度、操縱力變化。近年來，由于空氣質量的逐年下降，空氣中的酸性物質和灰塵呈不斷上升趨勢，這些物質在鋼索上聚集后極易造成飛機鋼索的腐蝕和磨損。在航空器上鋼索往往用于比較重要的發動機、飛行控制面等系統的操縱，一旦鋼索斷裂失效，將危及飛行員、旅客的生命安全。因此研究鋼索的失效原因，制定相應的維修對策，有助于延長鋼索使用壽命，提高系統的安全性，保障飛行員、旅客的生命安全和國家財產的安全。

筆者以工作中的實際故障為研究對象，使用了“由表及里→追本溯源→瞻前顧后”[1]的故障分析方法，對可能引起鋼索斷裂故障的原因進行一一排除，查找造成鋼索失效斷絲的最終原因，并提出解決鋼索失效的維修對策。

1　事件描述

機務人員在對某型航空器進行1200小時“升降舵配平調節機構的拆卸、清潔、檢查及潤滑”工作時，發現該航空器方向舵操縱鋼索在機身站位FS142.00隔框導向滑輪處（圖2中C處）出現較嚴重的斷絲，在鋼索磨損處有大量黑色粉末狀物質，如圖1所示。在對該型航空器整個機群進行檢查后，發現24架航空器在相同位置出現鋼索斷絲現象，占機群總數的23.5%，另有多架飛機出現磨損跡象。該鋼索直接連接飛機方向舵，若失效斷裂，將直接威脅飛行安全。

圖1　故障鋼索

表1　鋼索使用的基本信息

鋼索安裝布局如圖2所示，該鋼索規格為7×19特柔性鋼索，鋼索直徑1/8英寸，正常狀況下工作張力不高于60磅，C處鋼索包角小于3°。

圖2　鋼索安裝布局

目前，造成鋼索斷絲故障的原因主要表現為腐蝕、疲勞、磨損和過載。

腐蝕：腐蝕是飛機結構損傷的一種重要形式[2]。成都地區地處四川盆地，風速小，靜風頻率高。造成相對濕度大，污染物的擴散和稀釋作用不明顯。隨著近年來空氣質量的下降，成都地區大氣顆粒物含量高、酸性物質濃度大。這些物質與水蒸氣結合，形成具有酸性的溶液（SO42-、Cl-、NO3-），凝結于鋼索表面，造成電解液腐蝕，進而出現鋼索斷絲。

疲勞和磨損：在交變應力作用下發生的破壞稱為“疲勞”。鋼索因其柔軟，常與轉向滑輪配合使用于需要改變力或位移的傳遞方向地方。在鋼索與滑輪接觸的位置，鋼索不僅受到操縱的拉力和鋼索與滑輪接觸的摩擦力，還受到鋼索彎曲產生的交變應力以及彎曲過程中鋼絲之間的摩擦力[3]。在多種力的復合作用下，鋼索易疲勞和磨損而失效斷裂。

過載：處于操縱系統中的鋼索，當其操縱對象出現卡阻、受力時，會因其操縱力超過鋼索能承受的最大應力而造成鋼索的斷裂失效。

上述原因之中的一種單獨作用或兩種及以上復合作用下將造成鋼索的失效斷裂。

2　測試與分析

2.1鋼索材質分析

為查找鋼索斷裂原因，斷絲鋼索送中國民航科學技術研究院航空安全研究所進行材質分析。經X-射線能譜分析表明，方向舵鋼索材料是含(wt%)Si0.64、Cr19.53、Mn1.17、Ni9.18，余量為Fe的不銹鋼，能譜曲線如圖3所示。對比美軍標MIL-DTL-83420[4]中規定的生產鋼索的不銹鋼牌號和汽車工程師協會標準SAE HS 1086[4]規定的不銹鋼成分（如表2所示）可知，編制鋼索的鋼絲材料中，各成分的含量符合技術要求。

表2　化學成分含量測定結果（質量分數/%）

圖3　材料的能譜曲線

2.2鋼索物理性能測試

根據出現斷絲的鋼索規格和直徑，在MIL-DTL-83420[5]中查閱鋼索物理性能如表3所示。依據實驗標準ASTM E8/E8M-09[6]中規定的實驗方法，在斷絲鋼索的完整段截取數段鋼索試件，進行拉伸試驗。經測試，其各項物理性能值均符合標準中的規定。

表3　鋼索物理性能

綜合2.1節和2.2節的測試結果，排除了鋼索因生產制造不合格而造成的鋼索疲勞特性、耐磨性、耐腐蝕等性能的降低，而造成鋼索失效斷裂。

2.3鋼絲斷面分析

在掃描電鏡下的宏觀形貌如圖4所示。從宏觀形貌圖可以看出，鋼絲表面未見明顯的腐蝕坑點，但存在明顯的擦傷，如圖4(b)所示。鋼絲斷面與鋼絲軸線呈15°角。在圖4(c)和圖4(d)鋼絲斷面放大圖中未見疲勞斷裂形貌和明顯的雜質等冶金缺陷，但在鋼絲斷面上存在方向一致的劃痕。從鋼索斷絲宏觀形貌可以看出方向舵鋼索的斷絲是由于磨損所致。

2.4鋼索工作狀態分析

鋼索與導向滑輪正常操縱時的工作狀態如圖5所示，經檢查，導向滑輪轉動靈活，無卡阻現象，無明顯異常磨損。鋼索斷絲僅存在整個操縱行程的某一固定位置的鋼索與滑輪接觸處（如圖6所示），磨損范圍集中在10mm之內。操縱行程中其他位置無斷絲，僅在與滑輪接觸處出現磨亮跡象。

圖4　斷絲的宏觀形貌

圖5　鋼索和導向滑輪

圖6　鋼索斷絲位置

筆者使用高清攝像機對另一架航空器上出現輕微磨損的鋼索進行了觀察，拍攝了鋼索在地面滑行、起飛、平飛、降落等整個飛行過程的工作狀態。在對視頻進行分析后發現，當方向舵鋼索磨損位置操縱至位于導向滑輪處時，方向舵位于中立位，航空器水平直線飛行。在工作過程中，由于航空器飛行中不穩定氣流、發動機震動、操縱力等的作用，鋼索以一定的頻率上下抖動。特別是在平飛階段，鋼索長時間的以一個較穩定頻率高速抖動。

2.5斷裂原因分析

綜上所述，鋼索的失效斷裂與微動磨損特征相符。微動磨損（Fretting Wear）指接觸表面由小位移的往復運動引起的表面損傷，這種微動運動是由外界振動引

【】【】起的。微動磨損的形態學特征是：a.表面出現黑色氧化物磨屑，圖1中鋼索磨損處存在大量黑色粉末現象與之相符；b.磨損表面出現與微動方向的一致劃痕，在圖4(c)、圖4(d)中可以看到明顯的磨損劃痕。

當航空器地面滑行、起飛、降落時，由于飛行員為了調整飛機滑行方向和飛機飛行姿態，鋼索雖然也會與滑輪微動相磨，但由于相磨位置不固定，效果不明顯，鋼索未出現斷絲。當飛機水平直線平飛時，由于方向舵長時間固定于中立位，鋼索與滑輪接觸位置固定，鋼索在發動機振動、方向舵氣流的激勵下不停抖動，長時間的微動磨損而斷絲。由此可以推斷鋼索的斷裂失效是因長時間的微動磨損引起。

3　維修對策

影響微動磨損的因素主要有：

1）振幅和接觸壓力

當振幅超過某一值時，磨損量隨振幅的增加呈近似線性的關系增長。低振幅時，磨屑一般可保持在接觸面之間，從而阻止了金屬之間的直接接觸。在振幅保持不變的情況下，接觸壓力增大，磨損速率增加。

2）環境濕度和水溶液介質

濕度的影響主要是它的潤滑作用，是磨屑易于從接觸面溢出，加速磨損。對于不銹鋼等依靠鈍化膜抗蝕的材料來說，微動磨損使保護膜破壞，降低保護作用。在腐蝕性電解質溶液中的磨損率較大氣環境會明顯提高[7]。

針對上述影響因素，對磨損位置處的維修對策：

1）降低導向滑輪的高度，以減少鋼索的接觸壓力。

2）導向滑輪B至方向舵D的鋼索段，在鋼索過機身隔框處增加限位片，減少鋼索的抖動，如圖7所示。

圖7　鋼索限位裝置

3）經常清除鋼索上凝結的水分和沉積的灰塵，使鋼索保持干燥、清潔。對于非嚴重腐蝕環境運行的飛機，盡量不在鋼索上涂抹防腐用的油脂。

4）鋼索斷絲與微動磨損的時間積累有關系，減少鋼索的檢查時間間隔，可提前發現鋼索失效，可保證飛行安全。

4　結論

1）鋼索的失效斷裂是由微動磨損引起的。

2）依據改進措施對飛機進行改進，并修訂鋼索的維護方案，經在整個機群驗證，鋼索斷絲故障率有了明顯降低，措施有效。

[1] 孫聰,王向明.飛機結構典型故障分析與設計改進[M].北京：航空工業出版社,2007：5-7.

[2] 陳群志,劉文珽,陳志偉,等.腐蝕環境下飛機結構日歷壽命研究現狀與關鍵技術問題[J].中國安全科學學報,2000,22(11)：42-47.

[3] 劉庭耀,趙曉輝.飛機操縱系統鋼索斷裂原因分析[J].失效分析與預防,2009.4(4)：247-250.

[4] U.S.Departments and Agencies of Defense,Wire Rope Flexible for Aircraft Control[S]. MIL-DTL-83420L,2005.

[5] SAE and ASTM. Metals and Alloys in the Unified Numbering System[S].SAE HS 1086,2012.

[6] ASTM. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials[S], ASTM E8/E8M-09,2010.

[7] 劉道新.材料的腐蝕與防護,西安：西北工業大學出版社[M].2005.12：188-192.

Failure analysis of fl exible cable in aircraft control system

LI Yong-jun1, TANG Hai-jun2, CHEN Wei-hua1

加工與制造

V25

A

1009-0134(2016)07-0060-04

2016-05-18

中國民航飛行學院基金項目：Cessna172R飛機關鍵金屬結構件腐蝕研究（J2015-70）；Cessna172R飛機襟翼系統故障分析（Q2015-121）

李勇君（1983 -），男，安徽臨泉人，工程師，工學碩士，研究方向為航空器維修與適航。