民用飛機(jī)鉸鏈運(yùn)動機(jī)構(gòu)維修間隔制定研究

馮蘊(yùn)雯，張家樂，薛小鋒，路成，馮成慧

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安710072）

（2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究所，西安710089）

0 引 言

鉸鏈?zhǔn)且环N用來連接兩個(gè)結(jié)構(gòu)并允許兩者之間做相對轉(zhuǎn)動的機(jī)械裝置，被廣泛應(yīng)用于增升裝置、艙門等重要機(jī)構(gòu)［1］。通常情況下，鉸鏈連接處傳遞載荷大，應(yīng)力高且復(fù)雜，易破壞，對飛機(jī)安全產(chǎn)生較大影響。如B-2716飛機(jī)因運(yùn)動機(jī)構(gòu)故障使得襟翼未放出導(dǎo)致飛機(jī)無法起飛沖出跑道墜毀的重大事故［2］，而通過合理的維修可有效避免該故障的發(fā)生，因此為確保鉸鏈?zhǔn)竭\(yùn)動機(jī)構(gòu)在飛機(jī)運(yùn)營階段持續(xù)性正常工作，合理維修間隔的制定十分重要。

預(yù)定維修大綱制訂文件MSG-3是目前國內(nèi)外通用的制定維修大綱的指導(dǎo)性文件［3］，國內(nèi)外研究者基于該文件針對民用飛機(jī)部件維修間隔的確定方法做了大量的研究。其中兩大飛機(jī)制造商空客和波音擁有較為成熟的結(jié)構(gòu)維修間隔分析方法和流程。波音在B787結(jié)構(gòu)維修大綱的制定過程中，提出了一套以MSG-3為指導(dǎo)確定維修間隔的方法，通過收集、統(tǒng)計(jì)和分析相似機(jī)型、相似結(jié)構(gòu)維修任務(wù)的數(shù)據(jù)，再根據(jù)一定的分析計(jì)算確定結(jié)構(gòu)的維修間隔［4］。空客則根據(jù)MSG-3中的規(guī)定、供應(yīng)商提供的維修間隔建議和工作小組的工作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)三者一致時(shí)才確定出結(jié)構(gòu)的維修間隔［5］。J.Block等［6］以可靠性為中心的維修理論為指導(dǎo)，依據(jù)大量的飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)對預(yù)防性維修間隔的合理性進(jìn)行了評估；S.Porotsky等［7］比較了基于可靠性分布和結(jié)構(gòu)壽命分布的兩種預(yù)防性維修間隔制定方法的不同，并提出了一種獨(dú)特通用的維修間隔制定策略；吳昊［8］基于粗糙集理論對結(jié)構(gòu)維修間隔制定過程中考慮因素的權(quán)重進(jìn)行了合理分配，并通過民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件實(shí)例的分析驗(yàn)證了方法的可行性；李耀華等［9］通過考慮不同利用率對民用飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件環(huán)境損傷影響的敏感性，提出了結(jié)構(gòu)件維修間隔與利用率的匹配模型，確定了不同利用率下結(jié)構(gòu)的維修間隔，并以飛機(jī)中央盒段的上壁板內(nèi)表面結(jié)構(gòu)為例驗(yàn)證了模型的有效性；李景奎等［10-11］將部件可靠性與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合，建立了維修間隔優(yōu)化模型，求解得到部件最優(yōu)維修間隔，在保證部件可靠性的同時(shí)提高了利用率、減少了維修成本；劉濤等［12］根據(jù)部件的壽命分布形式，通過三參數(shù)威布爾極大似然估計(jì)法確定出系統(tǒng)部件的維修間隔。縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，部件維修間隔的確定離不開已有機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這也是目前國內(nèi)所欠缺的，且國內(nèi)關(guān)于維修間隔的研究也大多是從方法層面入手，缺乏較為完善的民用飛機(jī)部件維修間隔確定流程。

本文針對民用飛機(jī)鉸鏈?zhǔn)竭\(yùn)動機(jī)構(gòu)，基于適航條款、國軍標(biāo)和MSG-3相關(guān)內(nèi)容，提出一套較為完善的鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔制定流程，并以某型飛機(jī)后緣襟翼增升裝置機(jī)構(gòu)的下沉鉸鏈運(yùn)動機(jī)構(gòu)為例，對維修間隔的確定進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 規(guī)范分析

1.1 MSG-3

運(yùn)營人/制造廠家預(yù)定維修大綱制定文件ATA MSG-3是民用飛機(jī)維修大綱制定的指導(dǎo)性文件，包括系統(tǒng)和動力裝置分析程序、飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析程序、區(qū)域分析大綱以及閃電/高強(qiáng)度輻射場分析程序［3］。根據(jù)MSG-3飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析程序，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)維修間隔的制定過程中主要包括以下4個(gè)步驟。

（1）確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。結(jié)構(gòu)維修分析適用于所有的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)結(jié)構(gòu)件失效或故障后對飛機(jī)的安全性造成的后果，將結(jié)構(gòu)劃分為重要結(jié)構(gòu)項(xiàng)目（Structural Significant Item，簡稱SSI）和其他結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。重要結(jié)構(gòu)的失效將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的正常使用，甚至危及飛機(jī)安全。其余結(jié)構(gòu)則為其他結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。進(jìn)一步根據(jù)設(shè)計(jì)理念又將SSI項(xiàng)目分為損傷容限項(xiàng)目和安全壽命項(xiàng)目。

（2）對確定的重要結(jié)構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行偶然損傷（Accidental Damage，簡稱AD）和環(huán)境損傷（Envi‐ronmental Deterioration，簡稱ED）分析，根據(jù)SSI項(xiàng)目的位置、邊界、故障分析等對比評定確定檢查要求。并通過對損傷來源的分析確定AD、ED的檢查門檻值和重復(fù)檢查間隔的確定要求。

（3）安全壽命項(xiàng)目所確定的安全壽命期限應(yīng)與適航限制部分相符合。

（4）損傷容限項(xiàng)目的疲勞損傷（Fatigue Damage，簡稱FD）檢查在門檻值之后進(jìn)行，其檢查間隔依照損傷容限評定結(jié)果制定，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的損傷形式選擇目視或者無損檢測的檢測方式。

1.2 適航條款

運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25.571結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定的總體要求為：對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)計(jì)和制造的疲勞評定結(jié)果必須保證在飛機(jī)的整個(gè)使用壽命期間，該結(jié)構(gòu)不會由于疲勞、腐蝕、制造缺陷或意外損傷而引起災(zāi)難性破壞［13］。條款明確了結(jié)構(gòu)使用的載荷譜、環(huán)境等要求，并對評定的目的、依據(jù)、內(nèi)容和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則給出了說明。

對于按照損傷容限設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)必須按照條款（b）進(jìn)行損傷容限評定和（e）要求的離散源評定［13］，主要包括以下3方面內(nèi)容。

感染型文本，顧名思義，旨在感染或者說服讀者并使其采取行動。商務(wù)文本中的售前文件幾乎全部都可以歸類為感染型文本。企業(yè)需要宣傳自己，不論是具體的產(chǎn)品和服務(wù)，還是業(yè)績，或者參與的活動和事件，對外宣傳和公布信息的目的就是讓目標(biāo)讀者認(rèn)同企業(yè)，認(rèn)同企業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)，認(rèn)同企業(yè)的價(jià)值觀，認(rèn)同企業(yè)的經(jīng)營方式，從而購買企業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)，或者購買企業(yè)的股票。

（1）損傷容限評定必須包括確定因疲勞、腐蝕或意外損傷引起的預(yù)期損傷部位和型式。

（2）剩余強(qiáng)度評定結(jié)果必須表明，結(jié)構(gòu)能夠承受規(guī)章規(guī)定的載荷情況。

（3）損傷后的結(jié)構(gòu)必須能夠承受飛行中可合理預(yù)期出現(xiàn)的靜載荷。

1.3 國家軍用標(biāo)準(zhǔn)

軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范：第6部分重復(fù)載荷、耐久性和損傷容限（GJB 67.6A）中3.2.4對結(jié)構(gòu)的初始缺陷假設(shè)和檢查方式給出了具體的說明［14］。對于緩慢裂紋擴(kuò)展和破損安全主要元件的孔和缺口處，如果結(jié)構(gòu)厚度小于等于1.27 mm，需假設(shè)1.27 mm長的穿透厚度初始缺陷。對于厚度大于1.27 mm的結(jié)構(gòu)，則假設(shè)1.27 mm半徑的圓角初始缺陷。且對于緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)上無法通過目視進(jìn)行檢查，破損安全結(jié)構(gòu)在主要傳力元件破壞后可以由目視檢測到損傷。且其在不修理的情況下，最小的使用周期應(yīng)為重復(fù)檢查間隔的2倍。

2 鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔制定分析

鉸鏈?zhǔn)竭\(yùn)動機(jī)構(gòu)是飛機(jī)兩個(gè)區(qū)域之間的重要連接形式，且該機(jī)構(gòu)承受的載荷一般很大且復(fù)雜，例如增升裝置機(jī)構(gòu)中下沉式鉸鏈運(yùn)動機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鉸鏈機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hinge mechanism

為保證鉸鏈機(jī)構(gòu)在飛機(jī)的使用壽命期內(nèi)考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保持原有的功能，合理的預(yù)定維修工作的制定十分重要。鉸鏈運(yùn)動機(jī)構(gòu)中銷軸、軸承和耳片接頭是鉸鏈機(jī)構(gòu)承載和傳載的重要組成，其故障將影響整個(gè)機(jī)構(gòu)正常功能的實(shí)現(xiàn)，甚至危及飛機(jī)安全，因此將這些結(jié)構(gòu)劃分為重要結(jié)構(gòu)項(xiàng)目（SSI），并分別對它們進(jìn)行AD、ED、FD或安全壽命分析。

2.1 結(jié)構(gòu)維修間隔制定

偶然損傷是指因?yàn)橐恍╇S即發(fā)生的離散事件，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)固有的剩余強(qiáng)度水平降低，對于鉸鏈機(jī)構(gòu)來說，在飛機(jī)運(yùn)營過程中由于天氣原因，如雨天雨水的侵蝕，冰雹等因素造成的損傷。另外在結(jié)構(gòu)的制造、運(yùn)輸、裝配或維修過程中，人為因素也會造成結(jié)構(gòu)的偶然損傷。偶然損傷在飛機(jī)的整個(gè)運(yùn)營過程中是隨機(jī)發(fā)生的，其重復(fù)檢查間隔一般根據(jù)制造廠商和運(yùn)營商對類似飛機(jī)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)來制定，一般會選擇與預(yù)定維修檢查間隔對應(yīng)的單級或多級檢查作為重復(fù)檢查間隔，且首次檢查時(shí)間和重復(fù)檢查間隔時(shí)間相等。

疲勞損傷是一個(gè)與使用時(shí)間有關(guān)的累積過程，它是由結(jié)構(gòu)初始裂紋在交變載荷作用下引起開裂并持續(xù)擴(kuò)展造成的，疲勞損傷檢修間隔和檢查方式一般根據(jù)損傷容限評定來確定。根據(jù)適航條款CCAR25.571和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 67.6A，當(dāng)結(jié)構(gòu)以假設(shè)初始缺陷擴(kuò)展的方式進(jìn)行損傷容限分析時(shí)，檢查門檻值是指裂紋從初始到結(jié)構(gòu)斷裂經(jīng)歷的飛行循環(huán)數(shù)，并且考慮分散系數(shù)。重復(fù)檢查間隔是指裂紋從可檢到結(jié)構(gòu)斷裂經(jīng)歷的飛行循環(huán)數(shù)，并且考慮分散系數(shù)。根據(jù)GJB 67.6A單路傳力結(jié)構(gòu)分散系數(shù)取3，對于其他類結(jié)構(gòu)取2，如果受載是變化且復(fù)雜的還應(yīng)考慮環(huán)境系數(shù)。

2.2 機(jī)構(gòu)維修間隔制定

機(jī)構(gòu)維修間隔主要以制造廠商的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、技術(shù)分析、類似部件的使用經(jīng)驗(yàn)等為依據(jù)，通過對比分析選擇合適的維修間隔，避免維修工作不足或過量對機(jī)構(gòu)的安全性和可靠性產(chǎn)生不利影響。

鉸鏈機(jī)構(gòu)的維修間隔應(yīng)以SSI項(xiàng)目的故障發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，通過損傷容限評定明確結(jié)構(gòu)在使用過程中的潛在故障，且制定的工作間隔要小于發(fā)現(xiàn)潛在故障到功能故障發(fā)生的時(shí)間，并留有足夠余量便于采取措施避免、消除故障。除此之外還應(yīng)考慮銷軸消耗件的使用頻率、消耗件的庫存、運(yùn)行環(huán)境及氣候等。

常用的維修間隔一般由日歷時(shí)間、飛行小時(shí)、飛行循環(huán)數(shù)或字母檢來表示，鉸鏈運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般采用飛行循環(huán)數(shù)或字母檢來表述維修間隔。鉸鏈運(yùn)動機(jī)構(gòu)維修間隔制定流程如圖2所示。首先根據(jù)類似飛機(jī)機(jī)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)對SSI項(xiàng)目進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)的AD和ED分析，并將結(jié)果列入結(jié)構(gòu)維修大綱中。然后判斷SSI結(jié)構(gòu)是否是損傷容限項(xiàng)目，軸承一般為按照安全壽命思想設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行維修大綱制定過程中沒有疲勞相關(guān)的檢查工作，但確定的安全壽命期限應(yīng)在CCAR25.1529［13］適航限制中進(jìn)行說明。耳片和銷軸均為損傷容限結(jié)構(gòu)，通過損傷容限分析得到各個(gè)結(jié)構(gòu)的檢查間隔，對于單路傳力耳片結(jié)構(gòu)一般無法通過目視檢查看到損傷，多路傳力耳片結(jié)構(gòu)在主傳力路徑破壞后可以采用目視檢查。銷軸由于耳片遮蔽導(dǎo)致?lián)p傷不易發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中一般采用較耳片強(qiáng)而硬的材料提高檢查間隔，并進(jìn)行合適的表面處理來提高耐磨性，且一般作為消耗件使用。

圖2 鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)維修間隔制定流程Fig.2 Establish process of hinge mechanism structure maintenance interval

3 鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔制定案例分析

以某型民用飛機(jī)后緣襟翼增升裝置機(jī)構(gòu)中下沉式鉸鏈?zhǔn)辗胚\(yùn)動機(jī)構(gòu)為例，對該鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔的制定進(jìn)行說明。該鉸鏈機(jī)構(gòu)由單路傳力的單耳、雙耳、銷軸和自潤滑關(guān)節(jié)軸承組成，耳片和銷軸按照假設(shè)初始缺陷擴(kuò)展方式的損傷容限分析，結(jié)果如表1所示。

表1 耳片和銷軸損傷容限分析結(jié)果Table 1 Damage tolerance analysis results of lugs and pin

已知該機(jī)型的服役期壽命為60 000 fh，1A檢查間隔為600 fh，1C檢查間隔為4 800 fh。從表1可以看出：耳片和銷軸的檢查門檻值均大于飛機(jī)的服役期壽命，但重復(fù)檢查間隔較小，因此應(yīng)制定強(qiáng)制疲勞維修任務(wù)，并將軸承（安全壽命件）的到期更換期限列入適航限制項(xiàng)目［15］，軸承的更換期一般應(yīng)小于服役期壽命的一半，同時(shí)根據(jù)1C的檢查間隔和維修經(jīng)濟(jì)性，鉸鏈機(jī)構(gòu)的FD檢查門檻值應(yīng)定為5C即24 000 fh。

根據(jù)表1損傷容限分析結(jié)果，雙耳的重復(fù)檢查間隔小于單耳和銷軸，因此根據(jù)雙耳重復(fù)檢查間隔17 824 fh，鉸鏈機(jī)構(gòu)的FD重復(fù)檢查間隔應(yīng)定為3C即14 400 fh。

根據(jù)類似增升裝置鉸鏈機(jī)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)，AD和ED檢查門檻值和檢查間隔一般定為5個(gè)日歷年，該機(jī)型后緣襟翼鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔如表2所示。

表2 后緣襟翼鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔Table 2 Maintenance interval of trailing edge flap hinge mechanism

從表2可以看出：偶然損傷和環(huán)境損傷的檢查門檻值、重復(fù)檢查間隔均為5個(gè)日歷年，疲勞損傷的檢查門檻值為5個(gè)C檢（24 000 fh），重復(fù)檢查間隔為3個(gè)C檢（14 400 fh）。

4 結(jié) 論

（1）本文提出了鉸鏈機(jī)構(gòu)維修間隔的制定流程，以襟翼下沉鉸鏈機(jī)構(gòu)為例證明該流程是可行的，可以為飛機(jī)維修大綱的制定提供支持。

（2）機(jī)構(gòu)偶然損傷和環(huán)境損傷的檢查門檻值、重復(fù)檢查間隔均為5個(gè)日歷年，疲勞損傷的檢查門檻值為24 000 fh，重復(fù)檢查間隔為14 400 fh。