Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆疲劳损伤的分析及维护

刘力

摘 要：该文分析了Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆在操作中的受力情况，断裂原因，结合实例说明了疲劳损伤的特性以及对航空器安全的影响，并对活塞杆的疲劳损伤提供预防参考措施，对其今后的维护工作提出参考方法。

关键词：疲劳损伤 活塞杆 应力突变 时控件

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0066-02

疲劳损伤在航空领域一直是难题，而且危害性极大。某日，一架Cessna172R飞机在滑行过程中，机组反映左刹车失效，经检查发现该机左刹车作动筒活塞杆与叉形接头连接的螺纹根部断裂。

1 受力分析

1.1 活塞杆的运动分析

Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆在飞行操作中主要表现为两种运动：一种是活塞杆在刹车作动筒内的上下往复运动，主要表现在刹车操作时；另一种是活塞杆带动刹车作动筒的前后来回转动，主要表现在转向操作时。而在实际操作中，活塞杆往往是作这两种运动的复合运动，即脚蹬作动时是伴随着刹车和转向这两个过程，如图1。

1.2 活塞杆的受力分析

通过活塞杆的运动分析可以看出，在操作时其主要受到两种力的作用：一种是压应力，主要表现在刹车操作时；另一种是弯曲应力，主要表现在转向操作时。实际操作中，活塞杆是同时受这两种力的作用，并且在长期往复的操作中，作用力的大小、位置、方向不断变化，如图2。

2 疲勞损伤

2.1 疲劳损伤的特点

疲劳损伤是指由于重复荷载作用而引起的结构材料性能衰减的过程，是循环载荷过程中的损伤累积，表现为疲劳裂纹的发生、发展、形成宏观裂纹、发生破坏的全过程。

疲劳损伤的特点：载荷应力是交变的；载荷的作用时间较长；断裂是瞬时发生的。对于航空器，尤其是在操纵系统等重要结构上，这种突发的不可预期的破坏是灾难性的。

2.2 材料疲劳特性

材料的疲劳特性可以分为低周疲劳、高周疲劳和无限寿命三种。低周疲劳阶段，材料所受的交变应力较大，所以发生破坏时，循环次数较少，并有塑性变形；高周疲劳阶段，材料所受的交变应力较小，在经过较多的循环次数后总会发生破坏；无线寿命阶段，材料所受的交变应力很小，低于材料的持久疲劳极限应力，无论应力循环多少次，材料都不会被破坏。

2.3 活塞杆疲劳断裂分析

通过对多架次的Cessna172R飞机刹车动作筒活塞杆的检查和飞行数据统计中发现，当飞行空中时间和空地时间分别在 5000小时及以上，起落次数在10000次及以上时，活塞杆发生塑性变形的可能性较大。可见，活塞杆是在低周疲劳阶段，受到的交变应力较大，破坏时相应的循环次数较少。同时也反映出操作人员在长期操作中有使用不当和用力过猛的情况。塑性变形如图3：

在对发生断裂的活塞杆的失效分析报告当中可以看出，变形和断裂一般是发生在第一螺纹根部，从上面的受力分析可以知道，这里的横截面发生突变，由应力公式：

P=F/A（P：截面瞬时平均应力）

可知，当横截面A变小时，应力P会增大，这就导致了应力突变和应力集中的发生。而疲劳裂纹和疲劳断裂就常发生在形状结构急剧变化的会产生应力集中的区域。

在对断裂断口的分析中可以看出，断口平坦细腻，上面有主、次两个疲劳区，有明显的疲劳弧线和疲劳条带特征。由此也可以看出活塞杆的断裂性质为疲劳断裂，其断裂与活塞杆所受的双向弯曲应力有关。如图4。

3 预防维护

目前国内外应对航空器疲劳损伤的研究和分析主要是在航空新型材料的研究设计，航空器结构的改进设计等方面。对于机务一线人员来讲，要掌握正确的预防维护方法和措施来减少和避免航空器结构和系统的由于疲劳损伤而导致的材料断裂、系统失效的发生。

3.1 无损检测

对长期受到较大的交变应力作用的部件，应定期检测其使用和磨损情况，对于疑似有塑性变形和裂纹的地方，可以通过磁粉或者渗透等无损检测方法进行检测监控。

3.2 活塞杆预防维护参考措施

在刹车或转向时按照规范操作，动作柔和，尽量避免在短时间内频繁的操作系统；将活塞杆检查加入定期维护工作中以加强监控；对于飞行空中时间和空地时间分别在5000小时及以上，起落次数在10000次及以上的飞机进行重点检查监控；考虑将活塞杆列入时控件并定期更换检测；询问飞机厂家改进的设计方案，改进材料的使用方案和改进的操作、维护方案等。

4 结语

本文通过Cessna172R飞机左刹车失效的故障，了解了故障的原因是刹车活塞杆的断裂，分析了活塞杆在工作中的运动和受力情况，得出了其断裂是由于疲劳损伤造成的结论。最后针对活塞杆的维护，从规范操作和加强检查监控等方面提出了一些参考建议，希望对以后的维护工作有参考意义。对于文章中的错误以及不妥之处，敬请阅者提出批评、建议，以便修改。

参考文献

[1] 《Cessna172R飞机维护手册》.

[2] 航空安全技术中心活塞杆失效分析报告.

[3] 关于CE-172R飞机刹车作动筒活塞杆断裂失效分析交流.

[4] 陈传尧.疲劳和断裂[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[5] 材料力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[6] 无损检测基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.