某型機艙門操縱鋼索斷絲原因分析與改進研究

孫江同

（中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089）

鋼絲繩可傳遞長距離的負載，能夠承受多種載荷及交變載荷，具有較高的抗拉強度、疲勞強度和沖擊韌性，在高速條件下耐磨、抗震、運轉穩定性好，承載安全系數大，使用安全性高，廣泛應用于起重吊裝及操作系統。鋼絲繩是由許多螺旋元組成的復雜構件，拉伸與扭轉同時發生，且拉伸對扭轉變形的影響與扭轉對縱向變形的影響互等。由于其使用中的受力狀態較為復雜，因而極易造成鋼絲材質的損傷，其主要失效形式包括嚴重磨損、銹蝕、變形過量、疲勞、過載斷裂等。航空器的操縱系統中各類鋼索也廣為應用，其性能往往涉及到整個系統的安全。研究鋼索的失效原因，采取適當的維護措施，有助于延長其使用壽命，提高系統的安全性。某飛機在地面檢查時，發現艙門操縱系統中與彈簧組件相連的鋼索有斷絲現象，經拆解后觀察鋼索外觀特征可知，距鋼索螺紋接頭的收壓端頭約378mm 處產生斷絲現象。斷絲鋼索全貌見圖1。

1 鋼絲斷口觀察與分析

將鋼索斷絲處切斷進行拆解，7 股（每股19 根）鋼絲中，每股均有斷絲現象，斷裂位置沿鋼索軸向不盡相同。各股上的鋼絲斷裂情況為2 根、1 根、1 根、2 根、3 根、1 根；各股上的斷絲斷面較平齊，表面可見磨損痕跡。

將鋼索的斷絲分別拆分清洗后，在掃描電鏡下對斷絲逐個進行放大觀察，斷口形貌特征類似。斷口較平齊，表面較平坦，局部有磨損，無明顯塑性變形，見圖2。源區位于平坦區域邊緣，截面相對的兩側，有的斷絲源區附近有磨損，每側的源區附近可見臺階，呈多源形貌，放大觀察可見疲勞形貌，擴展區后段可見二次裂紋，瞬斷區較粗糙，可見高低臺階，放大為韌窩形貌，見圖3。斷口均未見冶金缺陷，說明鋼絲斷口均呈雙向彎曲疲勞特征，鋼索斷絲為雙向彎曲疲勞斷裂。通過裝配現場調查以及安裝數模分析，確定斷絲位置與滑輪配合接觸位置吻合。當艙門操縱機構運動時，鋼索沿滑輪輪槽作往復彎曲運動；鋼索一端連接彈簧組件，運動時拉動彈簧組件，承受變化的拉應力。結合斷口形貌觀察，初步認為鋼索斷絲系彎曲疲勞斷裂所致。

圖1 斷絲鋼索全貌

圖2 鋼索部分斷絲形貌

圖3 斷口全貌（源區箭頭所指）

2 鋼索斷絲故障樹分析

造成飛機鋼索斷絲的因素有鋼絲繩冶金缺陷、鋼絲繩磨損、鋼絲繩疲勞、鋼絲繩銹蝕、鋼絲繩變形、鋼絲繩過載。根據以上因素，繪制艙門鋼索斷絲故障樹。按照故障樹（見圖4），對造成艙門鋼索斷絲的各種因素進行分析。

2.1 鋼絲繩冶金缺陷

鋼絲繩產生于生產制造環節的冶金缺陷，通過質檢驗收部門可以防止有冶金缺陷的鋼絲繩裝機。另鋼絲繩斷口未見冶金缺陷。可以排除由于鋼絲繩冶金缺陷導致鋼索斷絲的因素。

2.2 鋼絲繩磨損

鋼絲繩磨損一般分為外部磨損、變形磨損、內部磨損3種情況，見圖5。艙門斷絲鋼索斷口全貌見圖3。

圖4 艙門鋼索斷絲故障樹

圖5 鋼絲磨損后斷面形狀

（1）外部磨損。當鋼絲繩繞過滑輪時會與滑輪繩槽發生摩擦，這種磨損是不可避免的，但是當鋼絲繩與滑輪存在一定的偏角時，鋼絲繩不僅與滑輪槽底發生摩擦，同時還會與滑輪的槽壁發生接觸和相對位移而造成滑動摩擦。偏角越大，則鋼絲繩與槽壁的接觸應力越大，鋼絲繩對槽壁的壓力也就越大，則摩擦力越大。摩擦力的增大，會急劇地增大鋼絲繩的磨損疲勞。經過計算，斷絲鋼索與其導向滑輪之間的偏角均在合理范圍內，鋼索只與滑輪槽底發生摩擦。另根據鋼索斷口全貌圖，斷面形狀不符合鋼絲外部磨損后繩徑變細，表面被磨平的斷面形狀，可以排除由于外部磨損導致鋼索斷絲的因素。

（2）變形磨損。根據鋼索斷口全貌圖，斷面形狀不符合鋼絲變形磨損后斷面是擠壓處向兩旁伸展成翅形、鋼絲寬度擴展的斷面形狀，可以排除由于變形磨損導致鋼索斷絲的因素。

（3）內部磨損。根據鋼索斷口全貌圖，斷面形狀不符合鋼絲內部磨損后斷口呈齒形，表面圓滑凹形的斷面形狀，可以排除由于內部磨損導致鋼索斷絲的因素。

2.3 鋼絲繩疲勞

鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。鋼絲繩疲勞破壞的過程是：在循環載荷作用下，繩中鋼絲的局部最高應力處，最弱的及應力最大的鋼絲內部晶粒上形成微裂紋，然后裂紋慢慢發展，最終導致疲勞斷絲。所以，疲勞破壞經歷了裂紋形成、擴展和突然斷裂三個階段。

（1）彎曲疲勞。鋼索的斷絲位置起始于距帶螺紋接頭的收壓端約378mm 處，斷絲范圍約為100mm，其余部位經檢查未見斷絲現象。經過裝配分析計算，鋼索斷絲位置在艙門關閉時，距直徑Φ67mm 滑輪左端約261mm，在艙門打開時，斷絲位置剛好與直徑Φ67mm 滑輪位置重合。鋼索斷絲位置在艙門開啟關閉的運動過程中與滑輪配合接觸位置吻合。

鋼索的彎曲應力可以按巴赫公式計算：

式中，Ec為鋼索的拉伸彈性模量，它不僅低于鋼絲材料的彈性模量，而且具有一定的非線性，一般來說航空鋼索的平均拉伸彈性模量約為1.5×105MPa，d 為鋼絲直徑；D為轉向滑輪槽底直徑。可見對于同一根鋼索，導向滑輪直徑越小其彎曲應力越大，這與鋼索斷絲位置在運動過程中經過Φ67mm 滑輪相吻合，Φ109mm 滑輪處未發現鋼索斷絲。

因此不能排除鋼索在滑輪處由于彎曲疲勞導致鋼索斷絲這一因素，6×19+IWS-9.5 鋼索最佳滑輪直徑為90.49mm，小于這個直徑的滑輪將會加劇鋼索的彎曲疲勞斷裂。

（2）拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。鋼索與艙門大彈簧相連，受彈簧拉伸應力，彈簧在艙門開合過程中會產生交變的拉伸應力，變化的拉伸應力更容易引起金屬疲勞；同時飛機在飛行過程中大彈簧不可避免的會發生振動的情況，使鋼索同樣發生振動，因此不能排除由于拉伸、扭曲、振動引起的疲勞導致鋼索斷絲這一因素。

2.4 鋼絲繩銹蝕嚴重

經過檢查未發現鋼絲繩有銹蝕情況，排除由于銹蝕導致鋼索斷絲這一因素。

2.5 鋼絲繩變形

檢查斷絲鋼索，未發現鋼絲繩有因為壓扁、扭結以及股松弛產生的變形情況，排除由于變形導致鋼索斷絲這一因素。

2.6 鋼絲繩過載

與大彈簧相連鋼索需承受的最大載荷為17052N，鋼絲繩6×19+IWS-9.5 的許用拉力為61000N，排除由于過載導致鋼索斷絲這一因素。

3 故障排查結論

目前與大彈簧相連鋼索的牌號為6×19+IWS-9.5，其疲勞壽命試驗推薦滑輪直徑為90.49mm，而與其配合的滑輪中最小直徑為Φ67mm，這會急劇縮短其彎曲疲勞產生的時間。經裝配分析計算，鋼索經過直徑Φ67mm 的滑輪時，其偏角為0°30′，在艙門打開時，其徑向彎曲應力約為50N，幾乎可以忽略不計。艙門大彈簧有些許震動就會導致鋼索在滑輪輪槽內上下擺動，加劇疲勞的產生。綜上所述，認為剛索斷絲系鋼索的直徑與滑輪的直徑不匹配，以及鋼索的往復運動、交變拉應力以及軸向扭動，在與滑輪軌道槽接觸處形成復雜的交變應力，致使鋼絲疲勞斷裂。其中鋼索的直徑與滑輪的直徑不匹配是導致鋼絲疲勞斷裂加劇的重要原因。

4 結語

飛機操縱鋼索斷絲的成因多樣，建立完整的故障樹，逐一分析排查，可準確定位故障原因。根據分析，某機型艙門鋼索斷絲原因為疲勞斷裂，后續可主要圍繞減小鋼索直徑，增大滑輪直徑，增加鋼索豎直方向的約束以消除雙向彎曲等方面進行的改進工作，延長鋼索使用壽命。