某型飛機座艙蓋緩慢下掉故障研究

王 賽，管博文

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖）

某型飛機座艙蓋系統由座艙蓋使用操縱系統、座艙蓋氣/液壓系統和座艙蓋防冰系統組成，主要功能是操縱開啟或關閉座艙蓋，并可以將座艙蓋鎖定在開啟和關閉過程中任意一個位置，為進出座艙提供通道。

1 故障現象

某型飛機在外場使用維護階段，地勤維護人員發現座艙蓋緩慢下掉，不能進行牢固鎖定。經更換座艙蓋手動開啟機構后，座艙蓋下掉故障消失，定位為座艙蓋手動開啟機構操縱開關內部密封失效，導致座艙蓋不能鎖定在任意一個位置。

2 故障分析

根據歷史同類故障統計與分析，座艙蓋無法鎖定或下沉量大的主要原因是座艙蓋手動開啟機構內操縱開關活塞桿膠面在多次開關座艙蓋沖擊下，膠面于活塞桿根部粘接處脫膠，或膠面開裂自支桿與壓膠結合圓周處起源，逐漸擴展至活塞桿與閥口的工作面，最終導致系統內部密封性失效，座艙蓋無法鎖定。根據座艙蓋系統工作原理和座艙蓋緩慢下掉故障分析[4]，繪制座艙蓋緩慢下掉故障樹，具體如圖1 所示。

3 故障排查及定位

3.1 故障樹底事件排查

座艙蓋手動開啟機構返廠后，按照“產品外觀檢查- 試驗臺聯調聯試- 產品部件試驗- 分解詳細檢查”流程，逐次確定故障底事件，具體如下。

（1） 根據更換座艙蓋手動開啟機構故障消失現象，可以排除底事件X1 作動筒上下腔串油。

（2） 在不模擬座艙蓋重量條件下，通過試驗臺進行6 次座艙蓋操縱作動筒手動開、關試驗，試驗過程中，座艙蓋手動開啟機構液壓泵無空行程現象，因此可排除底事件X11 活門卡滯和X12 泵腔膠圈切損。

（3） 在試驗臺上模擬座艙蓋系統開關過程，根據故障復現現象，初步確定座艙蓋手動開啟機構操縱開關不密封，從試驗過程中下掉故障僅復現一次可排除底事件X6 活塞桿壓膠面密封處開裂。

（4） 將操縱開關從座艙蓋手動開啟機構上拆下，對操縱開關進行密封試驗，當供壓至3.6 MPa 時，操作開關接管嘴開始出現滲漏，根據故障現象，故障原因定位在操縱開關上。

（5） 進一步分解檢查操縱開關內活塞桿壓膠面表面質量完好，密封位置、內部活塞桿密封面處無異物，可排除底事件X7 活塞桿壓膠面非密封處開裂和底事件X4 異物卡滯。

（6） 進一步檢查發現，右腔活塞桿根部周向360度均產生5180F 膠料與金屬脫膠，左腔約180 度產生脫膠[2]，如圖2 所示，無法排除底事件X8 活塞桿壓膠面脫膠。

圖2 活塞桿壓膠面情況

（7） 檢查座子上膠圈無切損，可排除底事件X10 座子上膠圈切損。

（8） 測量座子與活塞之間的間隙，即軸襯與孔用彈性平擋圈之間無間隙，可排除底事件X5 操縱開關內部間隙異常。

（9） 測量2 件彈簧，均滿足S=15.6 mm，P≥116 N 且≤128 N，可排除底事件X9 彈簧擠壓力異常。

（10） 測量2 件活塞桿壓膠面高度，滿足設計要求，可排除底事件X2 活塞桿壓膠面高度異常。

（11） 測量2 件活塞桿骨架高度差為0，均滿足設計要求，可排除底事件X3 活塞桿骨架高度差異常。

綜合以上分析，座艙蓋下沉不能鎖定底事件排查結果為活塞桿壓膠面脫膠X8。

3.2 故障原因定位

為進一步確定故障原因，對活塞桿壓膠面進行受力和機理分析，具體如下。

3.2.1 受力分析

活塞桿壓膠面與活塞桿金屬根部脫膠，且右腔脫膠程度高于左腔脫膠程度，這與前期故障分析結果一致。在操縱開關搖臂上螺釘與氣動作動筒頂桿未接觸的狀態下，此時，操縱開關搖臂上螺釘能夠位移的主導因素來源于操縱開關中活塞桿移動。忽略所有摩擦力影響，假設座艙蓋操縱作動筒液壓下腔給操縱開關B 供壓Pb，座艙蓋作動筒液壓上腔給操縱開關D 供壓Pd，彈簧力分別為Ft1、Ft2，壓膠面力分別為Fj1、Fj2對該狀態下的活塞桿受力情況分析如下，內部受力狀態如圖3 所示。

圖3 操縱開關內部受力狀態

因此有：

座艙蓋手動開啟機構操縱開關中彈簧為標準件，彈簧初始長度為24 mm。根據操縱開關裝配關系，裝配后為壓縮狀態，彈簧長度為19 mm，彈簧壓縮量為5 mm，彈簧材料為65Si2MnWA，根據彈簧標準計算彈簧壓縮5 mm 時，k=14.6 N/mm，假設兩腔彈簧狀態無差異，則壓膠活門受彈簧壓力為Ft1=Ft2=73 N。

綜合以上，應有：

通過以上分析，座艙蓋在開啟極限位置時，座艙蓋手動開啟機構上液壓操縱開關內活塞桿壓膠面始終處于受力狀態。

3.2.2 機理與仿真分析

現結合該型飛機操縱開關工作原理，分析兩腔活塞桿壓膠面的受力差異和開裂、脫膠原因，具體如下。

在座艙蓋鎖定狀態下，座艙蓋操縱系統的狀態如圖4 所示[1]，此時，座艙蓋操縱作動筒上腔為低壓液壓油，座艙蓋操縱作動筒下腔為高壓液壓油（此時的高壓主要由于座艙蓋的重力產生）。操縱開關壓膠面開裂或脫膠的活塞桿所在腔如圖4 中標注所示。

圖4 座艙蓋操縱系統鎖定狀態

在座艙蓋打開，液壓鎖定情況下，兩側腔的活塞桿壓膠面（以下簡稱壓膠面）被座子閥口擠壓變形，可以被分成內側和外側，外側的橡膠被向外擠壓。壓膠面受力趨勢仿真分析[3]如圖5 所示。

圖5 壓膠面受力變形趨勢

左側腔活塞桿上側受到一個極小的液壓力，下側受到約3.3 MPa 的液壓力和彈簧壓緊力，壓膠面凹陷量較大，暫且可以認為壓膠面內側和外側被閥口的壓緊力隔開。壓膠面內側收到的液壓力極小，因此產生的彈性應力較小；壓膠面外側受到約3.3 MPa 的液壓力，可以認為壓膠面外側被液壓力向內擠壓，與閥口對橡膠的向外擠壓力配合，貼緊閥口，由于活塞桿外側骨架表面積較大，因此產生的拉應力較小，且膠面密封情況較好。

右側腔活塞桿上側受到約3.3 MPa 的液壓力，下側受到一個極小的液壓力和彈簧壓緊力，壓膠面凹陷量較小，可以認為壓膠面內側和外側之間橡膠可以產生比左側腔更大的變形。壓膠面內側受到約3.3 MPa的液壓力，產生較大的彈性應力，由于活塞桿中心桿與橡膠結合的表面積較小，產生的彈性應力較大；壓膠面外側受到的液壓力極小，不會對橡膠產生對內的擠壓力，密封情況較差。此時中心桿與橡膠結合面容易產生應力集中，于是會產生脫膠，間歇性影響密封導致密封失效，或裂紋從應力集中處發育，并受液壓力產生的彈性應力及閥口的壓緊力拉扯呈螺旋線狀向外擴展，最終到達密封部位，使得密封失效。

3.2.3 膠面材料性能分析

該型飛機座艙蓋手動開啟機構活塞桿膠面膠料使用的是5180F，而蘇系列飛機該膠面膠料使用的是FX-17，兩者在拉伸強度等方面存在差異，FX-17 膠料比5180F 膠料抗拉伸強度要高，蘇系列飛機同產品故障遠低于該型飛機同類產品。

3.2.4 故障定位結論

通過對座艙蓋手動開啟機構在系統中工作原理、活塞桿膠面受力及活塞桿膠面膠料性能對比分析，可確定為操縱開關右側腔活塞桿壓膠面所受到的拉伸強度高于膠料自身拉伸強度，導致膠面無法承受外界的拉力而開裂脫膠。

4 改進措施

4.1 當前大修過程控制措施

4.1.1 加強產品修理過程管控

在座艙制蓋手動開啟機構修理過程中，一是嚴格控制5180F 膠料各項性能參數，確保各項參數最優；二是控制金屬壓膠件的硫化日期和裝配日期間隔，必須不大于2 個月，防止超期，壓膠面性能指標下降；三是加長對操縱開關保壓試驗時間、確保產品裝配的可靠性。

4.1.2 加強活塞桿膠面可靠性檢查

通過座艙蓋系統使用，對活塞桿膠面可靠性進行檢查，一是在座艙蓋系統調試環節，加強對座艙蓋在長時間開啟狀態下，座艙蓋不應下掉檢查；二是在座艙蓋手動開啟機構使用一段時間后，飛機出廠前，再次對座艙蓋長時間開啟狀態下檢查，確保座艙蓋不出現下掉現象。

4.2 后續改進措施

目前，結合該產品工作原理和修理經驗，主要改進方向包括膠料、活塞桿及其壓膠結構的改進。通過對結構改進前后進行受力仿真分析，改進結構后活塞桿壓膠面所受應力較改進前減小，同時膠面所受應力分散，受力云圖對比如圖6 所示。從結果能夠看出，改進后的結構對活塞桿金屬根部受力具有改善作用。

圖6 壓膠面應力云圖

結束語

綜上所述，座艙蓋緩慢下掉主要原因是座艙蓋手動開啟機構上液壓操縱開關內活塞桿壓膠面開裂，導致座艙蓋手動開啟機構內部密封失效。通過對該產品修理改進，外場故障較改進前明顯下降。要想從根本上解決活塞桿壓膠面開裂脫膠問題，還需通過進一步試驗及裝機驗證，不斷進行完善，提高產品性能可靠性。