一起铆钉失效导致的发动机空中停车典型故障分析

张宗伟

（中国民航飞行学院，四川 广汉618300）

0 引 言

2018年某日，某CE525飞机执行某航行训练任务，爬升改平飞收油门过程中发生左发动机停车。事后调查，引起飞机发动机空中停车的原因，是机组空中操纵油门杆时，因油门杆慢车止动手柄连接铆钉脱落造成操纵油门杆位置时越过慢车位接近关车位，致使左发动机停车，铆钉失效这一机械故障是发动机空中停车的直接原因，如图1、图2所示。

故障发生后，对该机型紧急执行故障排查，机群7架飞机14台发动机油门杆操纵组件均不同程度出现与事发飞机类似的铆钉松动，其中2台发动机油门杆慢车止动手柄连接铆钉已经拉伸成图2所示形状，只是尚未脱落，发动机空中停车并不是偶然事件，是必然事件。

图1 失效油门杆

图2 失效铆钉

1 飞机设计制造中铆钉的选用

铆接是一种不可拆卸的连接，它是依靠铆钉杆镦粗形成镦头将工件连接在一起。由于其价格低廉，可靠性及强度较高，便于携带、施工等优点而成为一种应用广泛的永久性连接方法，在航空结构上得到广泛应用。据统计一架大型客机有100多万个铆钉和约30万个螺栓，如典型的空客330飞机机身和机翼上大约有40万件紧固件[1]。案例中油门操纵组件中慢车油柄与油门杆连接，就采用了铆钉固定慢车止动销钉，防止其工作中滑脱失效。飞机在设计时综合考虑了慢车油柄的固定方式，如图3所示[2]。

图3 油门杆组件

通过铆钉固定慢车手柄活动销钉，防止销钉滑脱失效，由于油门操纵台安装在狭窄的座舱，为了防尘和防异物滞留在飞机上，在油门杆活动位置均安装了弹性较好的胶皮密封，胶皮与油门杆贴合很好，但又不卡滞油门的操纵，实现有效防尘。为了减小与胶皮的摩擦，慢车止动手柄上的铆钉镦头的高度极低，只有极薄的一层，厚度约0.2 mm，与止动手柄平面基本持平，图2所示的失效铆钉右端就是镦头直接拉伸延长滑脱，壁厚不足0.2 mm。按照航空器结构修理的基本规则，镦头高度为0.5D, 直径为1.5D的鼓形（D为铆钉的直径），此处使用的铆钉直径D=0.125 in=3.175 mm，低于标准的铆接镦头，加上胶皮的遮挡，为飞机后面的操控埋下了安全隐患。

2 选择低于铆接标准的铆接镦头的原因分析

飞机在设计制造并制定运行维护方案时，都将慢车止动手柄连接铆钉当成非重要部件，主要是基于以下原因：1）铆钉受力不大。如图3所示，铆钉只是固定慢车止动手柄活动销钉，图2是脱落的铆钉与销钉，机组操纵慢车手柄时，主要是带动销钉在卡槽中上下移动，飞机设计时使用铆钉只是防止销钉活动时意外脱落，铆钉只是起限位固定作用，设计时不存在受力问题。2）铆钉镦头防卡滞。油门杆操纵是飞行中的关键点，任何操纵中的卡滞都可能酿成空中险情，飞机设计时过于关注镦头过高可能造成在推拉油门杆或慢车手柄时铆钉镦头与防尘脱皮摩擦（如果脱皮有破损或异物，就可能造成在铆钉镦头的干扰下油门操纵不便或卡滞）。

在该飞机的维护记录中，没有更换事发油门杆与慢车止动手柄连接铆钉的记录。甚至在飞机各类维护方案、飞机及发动机维护手册中没有对油门杆组件（包括慢车止动手柄连接铆钉）的检查要求。在维修方案中也没有对油门杆组件（包括慢车止动手柄连接铆钉）的专项定期检查要求。现有技术状态检查、机身300 h定期检修、机身1200 h定期检修、发动机300/600 h定期检修及其他例行工作单卡中，均没有对油门杆组件（包括慢车止动手柄连接铆钉）的检查要求。在更换发动机工作单中有对油门杆与发动机燃调连接钢索的校装要求，也没有对油门杆组件（包括慢车止动手柄连接铆钉）的检查要求。在12 000 h结构检查工作单中有对中央操纵台区域的详细检查，但未明确针对油门杆组件（包括慢车止动手柄连接）[3-4]。

综上所述，现有该型飞机及发动机相关维护手册及维修方案中没有对油门杆组件（包括慢车止动手柄连接铆钉）的检查要求；工作单卡中，除12 000 h结构检查工作单有对中央操纵台区域的详细检查要求外（但未明确对油门杆组件及慢车止动手柄连接铆钉的检查要求），其余定检及例行工作单中无该项检查要求。

事后该运行单位紧急调查该型飞机（共7架），慢车手柄上的固定铆钉均为此种铆接方式，其中有两架飞机的铆钉镦头已经拉伸至图2所示的状态，只是尚未脱落，还没有影响油门操控，因此，机群中出现发动机停车这一安全风险是不可避免的。

3 铆钉失效分析

由于制成航空器铆钉的铝合金材料本身就可能存在冶金缺陷或加工缺陷，并且在服役过程中也可能受到损伤，因此在特定条件下将会发生过量塑性变形、老化、破断、磨损和腐蚀等形式的失效，丧失预期性能。连接铆钉受到剪切、拉伸、弯曲等3种不同方式的应力，当几种应力都施加在铆钉上，尤其是超负载的情况下，铆钉很容易产生拉伸、磨损，从最薄弱的镦头开始变形，直至拉伸失效。长时间处在交变载荷条件下，在铆钉轴向拉应力下受圆周方向上剪切力作用，产生了变形、松脱。飞机结构部件是按照特定的动载荷、静载荷、变形和使用功能要求设计的。油门杆与慢车止动销钉的设计也是按照这个思路进行。慢车止动手柄通过上部两个螺钉、下部铆钉及复位弹簧固定在油门杆滑槽中（如图3）。正常情况下，慢车止动手柄与止动卡槽相接触将油门杆锁定在慢车位。只有当向上提起慢车止动手柄克服弹簧力并越过止动卡槽，油门杆才能向后拉至停车位并在复位弹簧的作用下再次锁定。在油门操纵组件中，慢车手柄紧贴油门杆上下移动，手柄、销钉、复位弹簧形成一个受力组件，慢车止动手柄通过上部两个螺钉、下部铆钉固定的销钉及复位弹簧固定在油门杆滑槽中，固定销钉的铆钉是不断承受拉伸和剪切力矩，最后从铆钉最薄弱的镦头处变形及到松脱。

1）铆钉承受剪切力，销钉在止动卡槽内运动，在长时间的使用，飞机从2005年引进，飞行时间接近12 000 h，7000余次起落，粗略地估算，慢车油门至少会操纵7000×2=14000次，如果加上地面试车，这个数值还会更大，这个数量也从旁证明了铆钉受力确实不大，但销钉在卡槽中活动，大量往复运动，销钉稍有卡滞，将会传导摩擦力给固定铆钉，活动不畅更会使铆钉承受一定的剪切力。

2）铆钉承受拉伸力，慢车油门与油门杆一齐联动，随着长时间的使用，慢车手柄与油门杆之间的间隙愈发增大，在操纵慢车手柄时，销钉外张间隙造成的张力使固定铆钉承受拉伸力。

3）特殊的服役条件——粗猛操作。该机型作为飞行学院高级训练机，教员带学生飞行，飞机受到大量非熟练学员的操纵，作为生手，在操纵时相对手法生硬，加上初次飞行，动作更可能僵硬，操纵油门杆对铆钉的冲击更大。

总之，大量的慢车油门操控、反复运动形成的交变载荷使慢车油门与油门杆间隙变大，进而增大铆钉的拉伸交变载荷。铆钉失效是多种因素累积的结果，是与训练时间和飞机起落次数相关的一种破坏方式。长时间处在慢车操纵冲击负载条件下，在铆钉轴向拉应力下受圆周方向上剪切力作用。慢车油门操作时的动力与铆钉铆接预紧力之间产生多种复合应力，由于铆钉受力很小加上慢车操纵间隔时间较长，这是一种高周循环和低周应力共同作用的微动疲劳。这种疲劳通常出现在载荷很小或应力分布较为均匀、应力集中不严重的情况下，疲劳断裂应力远低于铆钉的静拉伸强度，甚至远低于铆钉材料的屈服极限。当然粗猛操作会进一步增大交变载荷，降低铆接的可靠性。在油门杆操纵及提拉慢车止动手柄过程中会对铆钉产生一定的剪切力，使镦头发生变形并被挤压后逐渐缩小，铆钉出现松动，油门杆和止动手柄之间产生间隙。在长期操纵过程中，剪切力产生的轴向分量使铆钉逐渐从固定孔中退出并最终脱落，导致铆钉疲劳拉伸失效，铆钉脱落后，油门杆与慢车止动手柄产生相对偏转，使油门杆不能正常锁定在慢车位。

4 飞机设计及运行建议

1）飞机设计建议。针对此次铆钉失效，维修单位对出现松动的铆钉及时进行了更换，同时增加了镦头的高度，增加抗拉强度。同时维修单位及时向厂家及管理机构反馈，修订飞机设计，查找设计缺陷或漏洞，保证安全，查找飞机上类似的位置重要、相对隐蔽、存在突发问题可能的部件。同时也建议在飞机设计制造中，在关键位置上的材料及紧固件的选择上应该考虑更细一点，考虑更多一点，更谨慎一些（如本例故障就存在隐蔽性强的特点，事前不易发现，一旦发生，往往导致灾难性后果）。合理设计飞机结构，综合考量，增加安全裕度，尽量避免或减少安全风险。在一些特殊的工况条件下，若忽略铆钉设计选择的特殊性，就可能产生质量隐患，进而引发飞行事故。当然，飞机使用10 000 h以后，十几年的运行使机群出现本案例中的安全问题，从飞机设计角度也佐证了选择此种铆接方式的有效性。当前正值国产大飞机制造的关键阶段，通过对飞机使用维护中发现的结构设计问题进行梳理，举一反三，不断夯实国产飞机的安全基础。

2）飞机运行建议。随着飞机的逐步老龄化，以及飞机服役环境的变化，飞机在运行中会产生许多意想不到的缺陷或漏洞，所以飞机运行过程中应加强检查，及时清理更换损坏部件（如本例故障就需要加强对铆钉专项目视检查，及时更换状态差的铆钉）。同时要举一反三，对飞机关键位置再梳理，排查安全隐患。特别是在飞机老龄化补充检查大纲中更应充分分析飞机存在的隐患，制定合理有效的维护方案，保证飞机运行安全。