PA44-180飞机油门钢索固定铆钉断裂原因及预防措施

巴文亮 中国民航飞行学院新津分院

一、故障情况

2016年9月28日，国内某通航飞行学院PA44-180型飞机B-3592 飞机执行本场起落航线带飞训练，15:21飞机切过彭山机场高度900m调速时发现左发油门没有响应，经过多次调整仍然没有反应，左发动机功率始终保持在巡航功率（进气压力21英寸处）。机组报告塔台：“3592左发油门操纵失效。”塔台立即启动应急预案，通知本场飞机脱离避让，同时指挥该机在空域等待。该机到达本场进入五边后，飞行指挥员指挥机组按照应急程序检查单执行关闭左发程序实施单发着陆。15:59该机安全着陆滑回关车。后经机务检查发现左发动机端固定油门钢索支架四颗铆钉全部断裂（见图1）。

图1：铆钉断裂图

二、原因分析

（一）断口宏观相貌

断裂铆钉表面基本完整，有轻微腐蚀及挤压等损伤，但未见明显磨损以及拉长等变形特征。断裂位置均在钉头截面过渡根部，断口整体平坦，高差不大（见图2）。四颗铆钉通过固定支架铆接在发动机汽化器进气盒上，支架上部通过两颗螺栓固定发动机油门钢索。当操纵油门时，铆钉将承受由油门操纵钢索运动（或运动趋势）所产生向上的应力，该应力对铆钉形成了逆时针的力矩，最终在往复交变载荷下发生疲劳断裂。

图2：断口宏观相貌

（二）断口微观形貌

铆钉断口为多源断裂特征。主源由多个小线源组成，位于断口下方边缘，起源于铆钉头截面过渡位置的表面，主源扩展区可见明显的疲劳弧线特征。次源断口上多处存在从边缘起源的放射棱线，断裂区可见二次裂纹形成间距较宽的疲劳条带，边缘为窄小的剪切韧窝瞬断区（见图3）。

图3：断口微观形貌

（三）铆钉断裂结论

从外观上看，通过能谱分析可知四颗铆钉均为镁铝合金材料（见图4），铆钉表面与固定支架接触位置未见明显磨损痕迹，并无明显塑性变形，说明铆钉与支架不存在磨损等异常情况。铆钉上承载的应力主要来至油门钢索的运动产生的应力，应力方向朝着铆钉头方向。由于该应力是由固定支架传递于铆钉上的，相当于一个逆时针的力矩作用；从数据分析上看，铆钉断裂于钉头与钉身的截面过渡位置，断口交平坦，高差不大。断口均为多源特征，由多个小的线源组成，断口上可见疲劳弧线特征，且间距较宽，应力较大。综上所述铆钉的断裂原因为发动机油门钢索在往复操作时因交变载荷作用造成四颗铆钉大应力疲劳断裂。

图4：铆钉材料能谱分析图

三、PA44-180飞机铆接工艺

机体构件通常都采用铆接修理。铆接修理是在构件损坏，用铆钉（叫做结合件）铆上一块材料（叫做接补件），来使构件恢复承载能力的。以原构件损伤处断面的破坏载荷为依据来计算补接件和结合件，使补接件和结合件的强度等于原构件的强度。如果修理后修理部件的强度低于原构件的强度，那将在构件承受载荷时可能因为修理部位首先损坏而使整个构件失去作用；反之，修理部件的强度大大超过原构件的强度，不仅会增大飞机的结构重量，还会引起局部刚度过大而使构件产生损坏。总之，铆接修理应按照等强度原则修复，即补接件、结合件和原构件三者的强度是相等的。PA44-180飞机具体铆接工艺如下：

1.清洁铆接件：去除铆接件内外表面的滑油、油漆、锈蚀和灰尘等。

2.选择铆钉：根据铆接件的材质、厚度和安装位置确定采用的铆钉类型。

3.确认铆接形式：根据铆接部位的不同，确定所采取的铆接形式；根据铆接件受力情况的分析，确定铆钉的铆距、边距和排距。

4.拆除旧铆钉：用中心冲在铆钉头上冲出一个中心眼，选择直径小于铆钉柄的钻头，将铆钉头钻掉，钻孔深度以铆钉头的高度而定。用直径小于铆钉柄的冲子轻轻地将铆钉柄冲出。铆钉去除后，更换铆钉时，要求使用与拆下件相同的铆钉。更换埋头铆钉时，应使用相同类型和埋头角的铆钉。当铆钉孔被拉长时，变形或其他损伤时，使用紧邻的较大号码的铆钉作为替换。不能用强度偏低的材料制作铆钉。

5.钻孔：在铆接件上需要铆接铆钉的位置钻孔，以便插入铆钉。孔径的大小应比铆钉柄直径大。

6.铆接：将铆钉插入铆钉孔，使用顶铁和手锤等工具进行铆接。铆接过程中注意合理安排铆钉墱头的布置，控制锤击的力量和速度，防止铆接件的变形。

7.铆接后质量检查：包括蒙皮表面不准有划伤、压坑，接缝间隙要合乎规定；铆钉孔径应合乎规定，埋头窝孔深浅度和埋头铆钉角度应合适；铆钉杆不应过长或过短，墱头的高、低和直径的大、小应合乎规定，以及墱头不应有裂纹和偏斜。

四、防铆钉松动预防措施

铆钉的正常铆接情况如图5-a所示。当构件承受载荷P时，铆钉杆与铆孔之间产生挤压力P1，铆钉头与埋头窝之间产生挤压力P2（见图5-b）。铆钉头在P2力的作用下向上移动，而铆钉杆与铆孔不易变形，因此构件的载荷P作用力主要在铆杆和铆孔上。铆孔因受挤压面积较小，在长时间承受较大挤压力时将扩大成椭圆形而造铆钉成松动。松动了的铆钉在重复载荷作用下钉头会产生裂纹，如不及时修理最终将导致铆钉剪断发生（见图5-c）。

图：5-c

不同的飞机容易出现铆钉松动的部位不完全一样，但总体来说，铆钉松动多发生在受力较大的蒙皮、变形较大的构件、以及铆接质量较差的部位。例如，在加强肋与翼梁腹板、蒙皮的连接处、起落架安装处以及部分连接支架等位置铆钉就比较容易发生松动。铆钉的松动或脱落会使飞机表面变得粗糙，并使蒙皮等部件的固定变差，容易产生变形。此外，一部分铆钉松动或脱落将使其他铆钉受力增大，最终造成其他铆钉的松动和脱落。为了防止铆钉松动，在修理工作中应保证铆接质量符合要求。经验表明，铆钉松动后铆钉头与埋头窝将因摩擦而产生金属粉末，这种粉末与污染物会附在铆钉头与铆孔之间的缝隙内而呈现黑圈，或在背气流的一边形成黑色尾迹。因此，检查飞机时如果发现铆钉周围有黑圈或尾迹，表明该铆钉已经开始松动；如果铆钉头已突出构件表面，或发生卷边翘起现象则表明铆钉松动已经很严重了。对于松动的铆钉应及时按规定更换，一般不允许把原铆钉重新打紧。因为对于已经产生永久变形的铆钉进行敲打，不仅难以恢复其原形而且还会加速其损坏。

五、结束语

飞机之所以更多的采用铆接技术主要是由飞机本身的制造材料、飞机特殊的工作性质、飞机蒙皮薄度、飞机的重量等因素决定的。其次飞机的运行速度高、空间大等特点，对其可靠性提出了严苛要求。铆钉以其工艺简单、便于拆卸、可靠性强等特点，得以在飞机上大显身手。因此，现在飞机结构修理的主要手段仍然是铆接。