航空器柔性钢索失效分析研究

李勇君，唐海军，陈卫华

（1.中国民用航空飞行学院遂宁分院，遂宁 629000；2.中国民航科学技术研究院，北京 100028）

航空器柔性钢索失效分析研究

李勇君1，唐海军2，陈卫华1

（1.中国民用航空飞行学院遂宁分院，遂宁 629000；2.中国民航科学技术研究院，北京 100028）

柔性钢索在航空器上常用于传递操纵位移和操纵力。为了提高航空器的飞行可靠性，有效保证

航空器及乘客的安全。基于钢索在航空器故障失效模式，采用由表及里、追本溯源、瞻前顾后的故障分析方法，从钢索材质、物理性能、工作状态等方面，研究航空器钢索断裂失效原因，并依据分析结论，提出相应的维修对策，结果表明：应用改进措施降低了钢索断裂失效的故障率，提高了系统的可靠性，有效的保证了航空器的飞行安全。

钢索；微动磨损；航空器；维修；对策

0　引言

钢索因其具有结构简单、重量轻、布局和安装容易、便于绕过障碍物等优点，在航空器上常用于传递操纵力和位移，用来控制舵面的偏转、发动机油门的加减等，从而使航空器能正常的飞行。航空器操纵钢索通常以一束钢丝按照螺旋形扭织成股，然后以一股为中心其余数股扭编成钢索，其工作时的受力状况相当复杂。飞行中，钢索还要承受航空器飞行带来的极端温度、湿度、操纵力变化。近年来，由于空气质量的逐年下降，空气中的酸性物质和灰尘呈不断上升趋势，这些物质在钢索上聚集后极易造成飞机钢索的腐蚀和磨损。在航空器上钢索往往用于比较重要的发动机、飞行控制面等系统的操纵，一旦钢索断裂失效，将危及飞行员、旅客的生命安全。因此研究钢索的失效原因，制定相应的维修对策，有助于延长钢索使用寿命，提高系统的安全性，保障飞行员、旅客的生命安全和国家财产的安全。

笔者以工作中的实际故障为研究对象，使用了“由表及里→追本溯源→瞻前顾后”[1]的故障分析方法，对可能引起钢索断裂故障的原因进行一一排除，查找造成钢索失效断丝的最终原因，并提出解决钢索失效的维修对策。

1　事件描述

机务人员在对某型航空器进行1200小时“升降舵配平调节机构的拆卸、清洁、检查及润滑”工作时，发现该航空器方向舵操纵钢索在机身站位FS142.00隔框导向滑轮处（图2中C处）出现较严重的断丝，在钢索磨损处有大量黑色粉末状物质，如图1所示。在对该型航空器整个机群进行检查后，发现24架航空器在相同位置出现钢索断丝现象，占机群总数的23.5%，另有多架飞机出现磨损迹象。该钢索直接连接飞机方向舵，若失效断裂，将直接威胁飞行安全。

图1　故障钢索

表1　钢索使用的基本信息

钢索安装布局如图2所示，该钢索规格为7×19特柔性钢索，钢索直径1/8英寸，正常状况下工作张力不高于60磅，C处钢索包角小于3°。

图2　钢索安装布局

目前，造成钢索断丝故障的原因主要表现为腐蚀、疲劳、磨损和过载。

腐蚀：腐蚀是飞机结构损伤的一种重要形式[2]。成都地区地处四川盆地，风速小，静风频率高。造成相对湿度大，污染物的扩散和稀释作用不明显。随着近年来空气质量的下降，成都地区大气颗粒物含量高、酸性物质浓度大。这些物质与水蒸气结合，形成具有酸性的溶液（SO42-、Cl-、NO3-），凝结于钢索表面，造成电解液腐蚀，进而出现钢索断丝。

疲劳和磨损：在交变应力作用下发生的破坏称为“疲劳”。钢索因其柔软，常与转向滑轮配合使用于需要改变力或位移的传递方向地方。在钢索与滑轮接触的位置，钢索不仅受到操纵的拉力和钢索与滑轮接触的摩擦力，还受到钢索弯曲产生的交变应力以及弯曲过程中钢丝之间的摩擦力[3]。在多种力的复合作用下，钢索易疲劳和磨损而失效断裂。

过载：处于操纵系统中的钢索，当其操纵对象出现卡阻、受力时，会因其操纵力超过钢索能承受的最大应力而造成钢索的断裂失效。

上述原因之中的一种单独作用或两种及以上复合作用下将造成钢索的失效断裂。

2　测试与分析

2.1钢索材质分析

为查找钢索断裂原因，断丝钢索送中国民航科学技术研究院航空安全研究所进行材质分析。经X-射线能谱分析表明，方向舵钢索材料是含(wt%)Si0.64、Cr19.53、Mn1.17、Ni9.18，余量为Fe的不锈钢，能谱曲线如图3所示。对比美军标MIL-DTL-83420[4]中规定的生产钢索的不锈钢牌号和汽车工程师协会标准SAE HS 1086[4]规定的不锈钢成分（如表2所示）可知，编制钢索的钢丝材料中，各成分的含量符合技术要求。

表2　化学成分含量测定结果（质量分数/%）

图3　材料的能谱曲线

2.2钢索物理性能测试

根据出现断丝的钢索规格和直径，在MIL-DTL-83420[5]中查阅钢索物理性能如表3所示。依据实验标准ASTM E8/E8M-09[6]中规定的实验方法，在断丝钢索的完整段截取数段钢索试件，进行拉伸试验。经测试，其各项物理性能值均符合标准中的规定。

表3　钢索物理性能

综合2.1节和2.2节的测试结果，排除了钢索因生产制造不合格而造成的钢索疲劳特性、耐磨性、耐腐蚀等性能的降低，而造成钢索失效断裂。

2.3钢丝断面分析

在扫描电镜下的宏观形貌如图4所示。从宏观形貌图可以看出，钢丝表面未见明显的腐蚀坑点，但存在明显的擦伤，如图4(b)所示。钢丝断面与钢丝轴线呈15°角。在图4(c)和图4(d)钢丝断面放大图中未见疲劳断裂形貌和明显的杂质等冶金缺陷，但在钢丝断面上存在方向一致的划痕。从钢索断丝宏观形貌可以看出方向舵钢索的断丝是由于磨损所致。

2.4钢索工作状态分析

钢索与导向滑轮正常操纵时的工作状态如图5所示，经检查，导向滑轮转动灵活，无卡阻现象，无明显异常磨损。钢索断丝仅存在整个操纵行程的某一固定位置的钢索与滑轮接触处（如图6所示），磨损范围集中在10mm之内。操纵行程中其他位置无断丝，仅在与滑轮接触处出现磨亮迹象。

图4　断丝的宏观形貌

图5　钢索和导向滑轮

图6　钢索断丝位置

笔者使用高清摄像机对另一架航空器上出现轻微磨损的钢索进行了观察，拍摄了钢索在地面滑行、起飞、平飞、降落等整个飞行过程的工作状态。在对视频进行分析后发现，当方向舵钢索磨损位置操纵至位于导向滑轮处时，方向舵位于中立位，航空器水平直线飞行。在工作过程中，由于航空器飞行中不稳定气流、发动机震动、操纵力等的作用，钢索以一定的频率上下抖动。特别是在平飞阶段，钢索长时间的以一个较稳定频率高速抖动。

2.5断裂原因分析

综上所述，钢索的失效断裂与微动磨损特征相符。微动磨损（Fretting Wear）指接触表面由小位移的往复运动引起的表面损伤，这种微动运动是由外界振动引

【】【】起的。微动磨损的形态学特征是：a.表面出现黑色氧化物磨屑，图1中钢索磨损处存在大量黑色粉末现象与之相符；b.磨损表面出现与微动方向的一致划痕，在图4(c)、图4(d)中可以看到明显的磨损划痕。

当航空器地面滑行、起飞、降落时，由于飞行员为了调整飞机滑行方向和飞机飞行姿态，钢索虽然也会与滑轮微动相磨，但由于相磨位置不固定，效果不明显，钢索未出现断丝。当飞机水平直线平飞时，由于方向舵长时间固定于中立位，钢索与滑轮接触位置固定，钢索在发动机振动、方向舵气流的激励下不停抖动，长时间的微动磨损而断丝。由此可以推断钢索的断裂失效是因长时间的微动磨损引起。

3　维修对策

影响微动磨损的因素主要有：

1）振幅和接触压力

当振幅超过某一值时，磨损量随振幅的增加呈近似线性的关系增长。低振幅时，磨屑一般可保持在接触面之间，从而阻止了金属之间的直接接触。在振幅保持不变的情况下，接触压力增大，磨损速率增加。

2）环境湿度和水溶液介质

湿度的影响主要是它的润滑作用，是磨屑易于从接触面溢出，加速磨损。对于不锈钢等依靠钝化膜抗蚀的材料来说，微动磨损使保护膜破坏，降低保护作用。在腐蚀性电解质溶液中的磨损率较大气环境会明显提高[7]。

针对上述影响因素，对磨损位置处的维修对策：

1）降低导向滑轮的高度，以减少钢索的接触压力。

2）导向滑轮B至方向舵D的钢索段，在钢索过机身隔框处增加限位片，减少钢索的抖动，如图7所示。

图7　钢索限位装置

3）经常清除钢索上凝结的水分和沉积的灰尘，使钢索保持干燥、清洁。对于非严重腐蚀环境运行的飞机，尽量不在钢索上涂抹防腐用的油脂。

4）钢索断丝与微动磨损的时间积累有关系，减少钢索的检查时间间隔，可提前发现钢索失效，可保证飞行安全。

4　结论

1）钢索的失效断裂是由微动磨损引起的。

2）依据改进措施对飞机进行改进，并修订钢索的维护方案，经在整个机群验证，钢索断丝故障率有了明显降低，措施有效。

[1] 孙聪,王向明.飞机结构典型故障分析与设计改进[M].北京：航空工业出版社,2007：5-7.

[2] 陈群志,刘文珽,陈志伟,等.腐蚀环境下飞机结构日历寿命研究现状与关键技术问题[J].中国安全科学学报,2000,22(11)：42-47.

[3] 刘庭耀,赵晓辉.飞机操纵系统钢索断裂原因分析[J].失效分析与预防,2009.4(4)：247-250.

[4] U.S.Departments and Agencies of Defense,Wire Rope Flexible for Aircraft Control[S]. MIL-DTL-83420L,2005.

[5] SAE and ASTM. Metals and Alloys in the Unified Numbering System[S].SAE HS 1086,2012.

[6] ASTM. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials[S], ASTM E8/E8M-09,2010.

[7] 刘道新.材料的腐蚀与防护,西安：西北工业大学出版社[M].2005.12：188-192.

Failure analysis of fl exible cable in aircraft control system

LI Yong-jun1, TANG Hai-jun2, CHEN Wei-hua1

加工与制造

V25

A

1009-0134(2016)07-0060-04

2016-05-18

中国民航飞行学院基金项目：Cessna172R飞机关键金属结构件腐蚀研究（J2015-70）；Cessna172R飞机襟翼系统故障分析（Q2015-121）

李勇君（1983 -），男，安徽临泉人，工程师，工学硕士，研究方向为航空器维修与适航。