Cessna 172R飛機轉彎原理及作動筒失效分析

張宇慶

摘 要：在飛行訓練中，Cessna 172R飛機轉彎會在地面滑行階段出現轉彎遲滯或不能轉向的故障，從而導致飛機偏出跑道的情況發生，嚴重影響飛行安全。本文通過介紹一起Cessna172R飛機偏離跑道事件，深入分析Cessna172R飛機轉彎作動筒原理和失效的原因，總結經驗，對Cessna 172R飛機轉彎機構排故和預防故障有一定意義。

關鍵詞：Cessna172R;轉彎作動筒;失效;磨損

中圖分類號：V226 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0098-02

0 引言

某單位一架CESSNA 172R飛機在落地滑行時，向左偏出跑道，機組反映右蹬右腳蹬無反應，對影響飛機轉彎的所有部件進行了詳細的檢查，沒有發現會影響飛機轉彎和剎車功能的故障或缺陷存在，隨后懷疑轉彎作動筒內部可能存在故障，導致右轉彎作動筒內彈簧卡阻，出現右轉彎遲滯。本文通過對比故障轉彎作動筒和全新轉彎作動筒的各參數、性質，分析轉彎作動筒失效的原因，并提出預防措施。

1 轉彎作動筒結構和原理

Cessna 172R飛機前輪轉彎作動筒為“半剛性”連接件，后端連接于座艙內腳蹬扭力管，前端接頭連接于前起落架轉向機構，其構造和轉彎作動筒拉桿、彈簧在不同狀態下的正常位置如圖1所示，正常拉桿可以在外筒內移動，安裝時要求拉桿在伸出位，同時不能壓縮彈簧。

飛機在地面滑行正常轉彎時，一側的作動筒在腳蹬機構的作用下產生拉力，由于彈簧預緊力大于機輪轉彎摩擦力，該動作筒運動如同剛體運動，此時彈簧不壓縮，另一側的動作筒隨動，此時前輪轉彎力矩由腳蹬帶動作動筒產生，轉彎角度為±10°。

在完全使用剎車或牽引桿拖動飛機轉彎時，腳蹬未動，前輪轉彎力矩由外力或不平衡的主輪阻力矩產生，轉彎角度可增大為±30°，該狀態以左轉為例：左側動作筒拉桿縮入作動筒，右側動作筒拉桿伸出，并壓縮彈簧，轉彎結束后在彈簧回復力作用下，轉彎作動筒和彈簧回到初始位置。此時，轉彎作動筒不提供轉彎動力，僅隨前輪轉動而運動。

飛機在空中時，前起落架支柱伸出，防扭臂拉伸，起落架定中機構鎖定，由于前起落架前定中機構的作用，踩腳蹬時前輪不會隨之產生偏轉，所踩腳蹬一側的轉彎作動筒外筒內彈簧處于壓縮狀態，作動筒拉桿伸出外筒，而另一側轉彎作動筒外筒內彈簧則保持在原位。

2 故障件和全新件的對比、檢查、測試

出現故障的轉彎作動筒與全新轉彎作動筒比沒有顯著差異，如果其內部存在卡阻，首先在不破壞故障件的情況下，對轉彎作動筒進行X射線觀察，檢查作動筒內部的彈簧是否處于卡阻狀態，是否存在引起卡阻的痕跡或者異物，然后對作動筒進行軸向拉伸力學試驗，檢查彈簧的力學性能是否存在異常，最后，將轉彎作動筒，檢查外筒內壁、彈簧的狀況。

2.1 X射線檢測情況

將全新轉彎作動筒和使用過的作動筒同時放置在樣品臺上，進行X射線分析。墊片均位于卡環位置，沒有卡阻現象。檢查作動筒內壁，全新件和故障件具有相似的光滑程度，沒有卡阻后留下的凹凸起伏痕跡或引起卡阻的異物。比較彈簧與作動筒外筒內壁之間的間隙，發現故障件的間隙略小于全新件，將全新件與故障件分別旋轉90°后重新觀察，故障件中彈簧和外壁之間的間隙仍小于全新件。

2.2 力學檢測情況

將全新件和故障件一并進行拉伸力學測試。軸向拉伸力學測試在液壓伺服力學試驗機上進行，采用銷釘將轉彎作動筒連接到拉伸試驗機上。通過位移控制拉伸過程，拉伸速度為0.1mm/s，當位移達到20mm后，自動停止拉伸并卸載。

拉伸試驗機的原始數據為機器自動記錄的位移/載荷曲線，消除機器漂移（拉伸開始階段，墊片、銷釘等機械連接部位的初始位移）后，獲得彈簧軸向拉伸的位移/載荷曲線如圖2所示，其中黑色和紅色曲線分別為故障件和全新件的拉伸曲線，曲線的波動與采樣頻率有關，是拉伸試驗的正常現象。從圖3中可以看出，在同樣的變形條件下，兩根彈簧的載荷/位移曲線近似為線性，其實載荷和終止試驗時的載荷值接近，符合彈簧變形特征。對兩條曲線進行線性擬合后得到如下公式：

故障件：y=219+20.58x

全新件：y=215.5+20.74x

兩件中彈簧的彈性系數分別為20.58N/mm和20.74N/mm，兩件基本相當。公式的右邊的第一項與彈簧的預緊力有關，故障件和全新件均約為210N。

2.3 分解檢查情況

將全新件和故障件分解打開，測量彈簧直徑和外筒內徑，測量結果如表1所示。從表1中可以發現，在排除測量誤差因素后，故障轉彎作動筒的彈簧外徑大于新件的彈簧外徑，接近作動筒的內徑。

取出彈簧，觀察靠近彈簧座位置的端部位置，發現越靠近端部位置，銹蝕痕跡越嚴重。此外，銹蝕位置有明顯的摩擦痕跡，摩擦痕跡沿彈簧徑向方向呈螺旋線展開。存在摩擦痕跡的位置附近均有銹蝕痕跡，但有銹蝕痕跡的位置卻不一定都有摩擦痕跡，而全新件的相同位置無任何類似痕跡。外筒內壁的摩擦痕跡，摩擦痕跡間距約為5.4mm，與彈簧間距相當，筒壁上的摩擦痕跡也是呈現螺旋線分布。

采用能譜分析方法，對彈簧材料和銹蝕痕跡進行定性和半定量的化學成分分析，結果如圖3和圖4所示，彈簧所用材質為一般錳含量的彈簧鋼（錳含量約為0.7wt%），不具備防腐能力。盡管彈簧涂有防腐漆，但仍能觀察到銹蝕痕跡。銹蝕顆粒的能譜曲線（圖4）表明，引起銹蝕的原因主要是空氣中的氧氣，銹蝕可能與環境潮濕有關。

2.4 分析總結

依據作動筒內彈簧的工作原理，轉彎作動筒內部的墊片和彈簧卡阻可能是引起的飛機偏出跑道原因。X射線檢測結果表明，彈簧座處于正常位置。這可能是由于，在轉彎作動筒拆裝和運輸過程中，連桿的振動可能導致墊片解除了事件發生時的卡阻位置，回到正常狀態。同時，X射線檢查表明，失效部件中彈簧與筒壁之間的間隙較小。轉彎作動筒的軸向拉伸力學測試表明，新件和舊件中彈簧的彈性系數基本相當。也因此，表明彈簧本身沒有問題，卡阻可能是主要原因。打開后檢測外筒內壁和彈簧，發現舊件彈簧的外徑與作動筒內徑接近，同時彈簧上有許多銹蝕痕跡，小計量的碎屑分析表明，引起銹蝕的原因主要是空氣中的水分。

在轉彎作動筒正常制造過程中，彈簧與外筒之間有一定的間隙配合。彈簧的外徑在供貨狀態，可能存在一定的波動范圍，當兩者之間的配合間隙較小。而且安裝此類作動筒（彈簧與外筒之間的間隙較?。┑娘w機，在潮濕季節或者環境使用有一定階段后，彈簧出現不同程度的銹蝕，使彈簧的外徑進一步增加，最終導致彈簧與外壁之間的摩擦，摩擦力改變了彈簧的受力方向，使彈簧除軸向受力外，側向也同時受力，從而形成螺旋線形成的摩擦痕跡。側向力加劇或者惡化摩擦效果，筒壁內同時積累了一定數量的碎屑，導致彈簧與筒壁發生了卡阻現象。

根據力學試驗結果，彈簧的預緊力約為210N，當發生卡阻時，彈簧并不在正常的預緊力位置。可以根據鋼索拉力的大小或者拉桿的位置，判斷彈簧是否在彈簧是否在正常的預緊力位置。

3 轉彎作動筒失效的原因分析

3.1 飛機偏離跑道事件的轉彎失效的原因

根據檢查測試的結論分析，本次事件的原因是右轉彎作動筒內部彈簧或墊片卡阻，造成右轉彎遲滯，整個事件分為空中和落地滑行兩個階段。

第一時段：飛機空中在進行右轉彎時，右側拉桿彈簧壓縮后墊片已出現卡阻。

第二時段：飛機落地后，由于右側轉彎作動筒的彈簧、