馮春玲,魯士恒,賈寶楠,曹廣珍
(天津市金鼎線材制品科技開發公司,天津 300222)
國家軍用標準《航空操縱用鋼絲繩規范》的制定
馮春玲,魯士恒,賈寶楠,曹廣珍
(天津市金鼎線材制品科技開發公司,天津 300222)
分析了國內用于航空領域的鋼絲繩產品標準現狀,介紹了起草制定國家軍用標準《航空操縱用鋼絲繩規范》的必要性、可行性以及標準的主要編制內容和與現有標準的區別。指出現行行業標準生產的產品遠遠滿足不了目前為武器裝備科研生產配套所需鋼絲繩產品的結構規格、強度、韌性(扭轉和彎曲)、疲勞壽命以及伸長率等性能指標的要求。新標準將目前為軍工航空領域配套的產品結構規格均納入到《航空操縱用鋼絲繩規范》軍用標準中,也整合了有關產品的技術協議和企業內部標準等內容,可以最大限度地滿足航空領域軍工裝備產品的需求。
航空 操縱 鋼絲繩 標準 軍用 制定
目前,我國用于航空領域的鋼絲繩產品標準有兩個,即《航空用鋼絲繩》和《飛機操縱用鋼絲繩》。這兩個標準是各自在不同的歷史背景下起草制定的,兩個標準的同時存在對需求起到互補作用,能夠滿足不同機型的使用要求。然而,按這兩個行業標準生產的產品遠遠無法滿足目前為武器裝備科研生產配套所需鋼絲繩產品的結構規格、強度、韌性(扭轉和彎曲)、疲勞壽命以及伸長率等性能指標的要求,廠家只能按附加的技術協議進行生產配套。為此,中國冶金工業信息標準研究院在北京主持召開的2008—2009年冶金產品國家軍用標準計劃項目落實會上確定以天津市金鼎線材制品科技開發公司為主編單位,編制新的國家軍用標準《航空操縱用鋼絲繩規范》。新標準于2011年1月審查評議后形成了“報批稿”,上報國家審批、頒布。采用新的國家軍用標準《航空操縱用鋼絲繩規范》,可以最大限度地滿足航空領域軍工裝備產品的需求。
截至目前,鋼絲繩產品在我國有兩個用于航空領域的參照執行標準,即《航空用鋼絲繩》和《飛機操縱用鋼絲繩》。
《YB/T5197—2005航空用鋼絲繩》最初是根據20世紀60年代國內生產及使用情況,套用前蘇聯的航空用鋼絲繩標準起草制定的。后來陸續對該標準進行了調整更新,內容主要是對鋼絲繩的扭轉和打結取消了韌性較低的級別;對金屬股芯結構取消了繩徑負偏差要求;對鍍鋅鋼絲要求取消了硫酸銅考核,增加了鋅層B級要求等。增加了范圍、規范性引用文件、術語和定義;增加了6×37+FC結構和6×19+IWS-3.2規格;對原輔材料進一步明確了技術要求;調整了鋼絲及鋼絲繩直徑允許偏差;拆股鋼絲扭轉值提高了20%;提高了部分結構規格的疲勞次數;補充了檢試驗項目等。
《YB/T5196—2005飛機操縱用鋼絲繩》是參照國際標準ISO2020—84《飛機操縱用不松散柔性鋼絲繩技術條件》于20世紀80年代末期起草制定的,后來陸續增加了范圍、規范性引用文件、術語;增加了Φ1.2 mm和Φ7.2 mm規格;對原輔材料進一步明確了技術要求;鋼絲直徑允許偏差按規格范圍嚴格了劃分;完善了鋼絲繩伸長率的試驗方法,并按結構確定了伸長率要求;按比例確定了試驗取樣數量等內容。
這兩個標準是各自在不同的歷史背景下起草制定的,同等結構的規格除Φ3.2 mm外均不相同。上述標準主要是兼顧民用(如機械傳動、儀器儀表等用)產品需求,有些性能指標(如鋼絲扭轉和彎曲性能、鋼絲繩結構規格等)未能達到軍工的特殊要求。
(1)由于目前按上述兩個行業標準生產產品的廠家較多,產品已普遍應用到各行各業,所以在上述標準的最后版本修訂時,顧及了同行業生產廠家使用這兩個標準的延續性,特別是兼顧民用(如機械傳動、儀器儀表等用)產品需求的延續性,有些性能指標沒能達到軍工的特殊要求。
(2)目前我國尚未有規范的軍用飛機操縱用鋼絲繩標準,根據我國近幾年來武器裝備科研生產配套的需求和航空技術快速發展的需求,只限于使用我國現有的行業標準YB/T5196和YB/T5197遠遠滿足不了對于鋼絲繩產品的結構規格、強度、韌性(扭轉和彎曲)、疲勞壽命以及伸長率等性能指標的要求。因此,為了滿足用戶提出對某種產品性能提高的要求,除了制定企業內部標準外,還需要針對國家重點型號工程、專用機型配套產品等分別制定相關技術協議,廠家只能按技術協議生產配套。
(3)目前雖然針對不同的要求采用不同的標準或協議來滿足軍工單位對產品的使用要求,但大多數用戶廠家強烈建議要求將有關涉及航空領域用鋼絲繩產品歸屬至統一完善的軍用規范標準中。顯然制定國家軍用標準是非常必要的。
(1)標準主編單位天津市金鼎線材制品科技開發公司和參加單位621所、冶金工業信息標準研究院、172廠共同負責《航空操縱用鋼絲繩規范》的起草工作。上述單位具有多年標準相關專業技術工作的豐富經驗,具有行業領先的高級專業技術人才,具有豐富的標準相關產品的使用經驗,完全能夠勝任標準的起草和制定工作。
(2)標準主編和參加單位熟悉軍工單位及部隊對于軍用航空鋼絲繩產品的標準統一規范化要求,熟悉現行的兩個行業標準、一些國家重點型號工程配套的產品、為專用機型配套產品制定的技術協議及相關企業內部標準等內容。
(3)為確保新制定的標準具有較強的適用性,編制組成員進行了廣泛地調研。
(4)主編單位對一些準備納入標準的產品結構規格,按照不同材質投入大量樣品進行生產,并進行試驗驗證。
(5)主編單位了收集大量有關國外標準和同行業生產廠家的使用情況,同時對一些技術參數進行了分析和研究,并組織業內專家學者對起草的標準的內容逐條逐句進行了認真、細致、充分的討論,達成共識。
上述工作和條件措施可以保證《航空操縱用鋼絲繩規范》的編制成功實施。
(1)采用國際標準 ISO2020/1—1997(英文版)《航空—飛機操縱用預變形鋼絲繩第一部分:尺寸和負荷》和ISO2020/2—1997(英文版)《航空—飛機操縱用預變形柔性鋼絲繩 第二部分:技術規范》。結合我國國情,充分考慮軍工的特殊要求,最大幅度地增加設計選用依據和范圍。
(2)參考國外先進標準,體現規范的先進水平。為進一步加強我國標準規范與國際標準和國外先進標準的一致性程度,本著科學合理、先進性和適用性的原則,提高標準水平。除參照ISO 2020—1997(英文版)《航空—飛機操縱用預變形鋼絲繩》外,還參考了以下標準:MIL-DTL-83420M飛機操縱用柔性鋼絲繩通用規范;JISG 3535—1998航空用鋼絲繩;ОСТ2172-80航空鋼絲繩技術條件。
(3)標準定位在較高水平上,既體現出產品質量能為軍事航空裝備建設提供安全保障的配套能力和水平,又可以促進生產企業的工藝流程、設備、操作人員及管理人員上水平。
(4)盡力將目前為軍工航空領域配套的產品結構規格均納入到《航空操縱用鋼絲繩規范》軍用標準中,其中包括現行的兩個行業標準、一些國家重點型號工程配套的產品、為專用機型配套產品制定的技術協議以及相關企業內部標準等內容。
(5)對同等結構規格性能指標要求不同的品種采用就高不就低的原則,使制定的國軍標內容既全面,又有較強的軍工適用性。
(6)標準按中華人民共和國國家軍用標準模板要求進行起草并修改。
本規范產品的使用范圍主要是兩大類:其一是為武器裝備科研配套產品(主要用于飛機操縱、航空裝置、飛機發動機噴口反饋用航空鋼絲繩等),此類產品結構是點接觸結構,特性柔軟,便于操縱;其二是軍事訓練器材配套產品(主要用于航空拖靶等鋼絲繩),該類產品結構是線、面接觸結構,專門適用于機外拖曳狀況。但在起草本規范時,通過調研、探討實際情況,發現若將兩大類使用范圍同放在一個標準規范中,由于材質、加工工藝及交付狀態差異較大,混在一起體系不太合適。因此通過征詢用戶意見將較專用的軍事訓練器材配套用線、面接觸結構鋼絲繩的結構品種單獨形成標準體系。
考慮到本規范的適用范圍主要是飛機內部的操縱系統,所以將規范名稱改為《航空操縱用鋼絲繩規范》,規范規定了航空操縱用鋼絲繩的術語和定義、標記和代號、分類、技術要求、質量保證規定、交貨準備及說明事項。
規范按GB/T 1.1—2000的要求順序排列,并指明最新版本適用于本規范,以免在引用時發生歧義。
規范明確了GB/T 8706中規定的術語和定義適用于本規范。為了便于生產和使用方便,列出了5個采用的主要術語和定義。其中包括“最小破斷拉力”的定義,參照了MIL-DTL-83420M《飛機操縱用柔性鋼絲繩通用規范》中對此定義的解釋。
標記代號按GB/T8706—2006最新版本標準要求執行。本規范中鋼絲繩的捻向表示方法是先股后繩,如:右交互捻表示為sZ。鋼絲股芯用WSC表示,纖維芯用FC表示,主要是便于用戶訂貨時勿對繩芯的混淆。
本規范按結構分為 1×7、1×19、6×7-WSC、6×19-WSC、6×7-FC、6×19-FC、6×37-FC 七種結構。按鋼絲材質分為碳素鍍鋅鋼絲繩和不銹鋼絲繩。根據全國14個重點用戶和4個重點同行業生產廠家的調研結果,列入本規范的7種結構基本能夠滿足目前軍事航空領域的武器裝備科研配套對該產品的需要。鋼絲繩選用兩種材質,除滿足大多數使用碳素鍍鋅鋼絲繩要求外,還滿足了一些使用廠家對鋼絲繩有較高的耐蝕性要求。在品種規格上,1×7納標5個規格、1×19納標7個規格、6×7-WSC 納標 10個規格、6×19-WSC 納標20個規格、6×7-FC納標8個規格、6×19-FC納標7個規格、6×37-FC納標5個規格,共計62個規格。繩徑范圍從Ф0.7~Ф9.75mm。本規范列出了各種結構對應的公稱直徑范圍,有利于使用和設計部門的選擇。
6.6.1 關于材質要求
對碳素鋼材質,僅規定了用鋼標準GB/T699中45#~85#之間的牌號范圍和有害雜質的最高允許含量,而具體各種結構規格的鋼牌號由制造廠選擇。這是因為制繩鋼絲性能優劣并不完全決定于鋼號,而主要決定于制繩鋼絲是否達到各項性能指標。
關于碳素鋼絲的鋅層重量,本規范比ISO2020標準細化了鋼絲直徑分組對應的鋅層重量,且部分同規格范圍的鋼絲鋅層重量高于ISO2020標準5 g/m2以上。對鋅層還有特殊要求的,可在合同上注明作了規定。
對不銹鋼材質,本規范給出了兩種具體材質(06Cr18Ni9和 12Cr18Ni9奧氏體不銹鋼) 是與ISO2020標準相符的,也是經常用于生產不銹鋼絲繩的適用材料。也規定了根據需方要求可采用其它牌號的奧氏體不銹鋼。
鋼絲繩芯除鋼絲股芯(WSC)外,還有有機(或合成)纖維芯(FC)。本規范保留了YB/T5197—2005標準帶有有機(或合成)纖維芯結構鋼絲繩,主要是保證供貨的延續性。另外,還強調了鋼絲股芯(WSC)用材質與鋼絲繩外層股的材質一致性。
6.6.2 關于鋼絲繩捻制質量要求
針對鋼絲繩捻制質量的要求,ISO2020標準中規定的不夠完善,根據我國多年的實踐對本規范中鋼絲繩的捻制質量作了詳細的規定,包括鋼絲繩及股的捻制均勻性、不松散性能、光滑平整、殘余扭轉小等。
鋼絲繩的捻距除特殊要求外,柔性鋼絲繩的捻距不應超過繩徑的6.5倍,單股鋼絲繩的捻距及柔性繩股中鋼絲捻距不應超過股徑的11倍。其范圍比ISO2020標準減小了,目的是保證鋼絲繩的柔軟性。
鋼絲繩中鋼絲接頭距離規定不小于10 m,比ISO2020、YB/T5196和YB/T5197標準規定分別加長了4 m和2 m。
關于鋼絲繩涂表面油脂的規定,本標準規定了鋼絲繩在制造中可涂少量具有防腐性能的中性油脂,并提出了具體的涂敷油量的要求以及油脂性能符合SH/T0387的規定。對柔性鋼絲繩中的纖維繩芯用油脂性能應符合SH/T0388要求。
鋼絲繩直徑允許偏差是根據不同結構、不同規格確定的。1×7和1×19結構的較大規格比YB/T5197加嚴了。其余結構規格根據國情在YB/T5196和YB/T5197的基礎上適當調整,但與ISO2020和國外標準一致的規格,大多數加嚴了,并且針對每一種規格給出相應的允許偏差數值和繩端不松散直徑允許增大值,基本上滿足了有些客戶提出的要求。
6.6.3 關于力學性能
鋼絲繩破斷拉力:航空操縱用鋼絲繩主要是用于飛機操縱系統以及航空等機械裝置,因此,鋼絲繩的破斷拉力是主要指標,是根據用戶長期使用后提出的要求和參考ISO2020國際標準、YB/T5196、YB/T5197行業標準以及企業標準等規定而確定的。為了便于制造廠家組織生產和用戶廠家選用方便,規范中對應的結構規格相應列出了鋼絲繩中鋼絲公稱抗拉強度。其中有幾種結構規格在原所屬YB/T5197—2005標準的基礎上提高了強度級別和破斷拉力數值,見表1。
鋼絲繩的伸長率:對用戶有伸長率要求的,本規范根據現實生產及用戶使用情況分別列出了鋼絲繩伸長率指標。本規范的考核方法及指標完全等同于YB/T5197—2005標準要求。
鋼絲繩的疲勞壽命:根據使用要求,對大部分柔性鋼絲繩進行了反復彎曲疲勞壽命規定。除了包括ISO2020、YB/T5196—2005、YB/T5197—2005 標 準 的結構規格外,針對碳素鍍鋅鋼絲繩的6×19-WSC結構,還新增了Ф3.5 mm、Ф4.5 mm、Ф7.5 mm三種規格的疲勞壽命要求。6×7-WSC結構Ф2.5 mm規格碳素鍍鋅鋼絲繩的疲勞壽命從YB/T5197—2005標準規定的10 000次提高到15 000次,且試驗時的施加張力從34 N提高到49 N。6×19-WSC結構Ф4.0 mm規格碳素鍍鋅鋼絲繩用兩種試驗條件(滑輪直徑分別為Ф37.69 mm和Ф40 mm、施加張力分別為107 N和127.4 N)來分別考核疲勞壽命,比ISO2020標準增加了一種滑輪直徑和施加張力均為增大的試驗條件,為的是滿足我國重點工程型號配套用繩設計要求。Ф9.5 mm規格碳素鍍鋅鋼絲繩的疲勞壽命在試驗條件不變的情況下,同時要滿足兩種壽命考核要求。其一是達到60 000次疲勞次數后,勞后破斷拉力應不低于其最小破斷拉力;其二是達到130 000次疲勞次數后,勞后破斷拉力應不低于其最小破斷拉力的60%。這種帶有附加考核要求的規定也是為滿足飛機操縱系統某種專用材料的設計要求。

表1 部分結構規格碳素鋼絲繩破斷拉力和抗拉強度比較表
鋼絲繩的驗證試驗:通過對試樣加載至鋼絲繩最小破斷拉力的80%并最少保持5 s,拆股檢查有無斷絲的方法來考核各股及絲捻制松緊度一致性程度,也保證了選用鋼絲繩的安全與可靠性。
柔性鋼絲繩的拆股試驗:雖然大多數用戶抽檢時只注重鋼絲繩最小破斷拉力和不松散等性能,不做鋼絲繩的拆股試驗,但為了確保鋼絲繩質量萬無一失,本規范仍然規定了柔性鋼絲繩應做拆股試驗的規定,對拆股后鋼絲各項力學性能作了如下規定:鋼絲繩中鋼絲實測抗拉強度應符合表2規定。

表2 拆股鋼絲抗拉強度 /MPa
直徑小于0.5 mm的碳素鋼絲應做打結拉力試驗。打結拉力應不小于該鋼絲公稱抗拉強度58%的載荷。
直徑大于或等于0.5 mm的碳素鋼絲應做反復彎曲試驗,鋼絲的最小反復彎曲次數應符合表3的規定。
增加鋼絲反復彎曲次數的考核主要是檢驗鋼絲在反復彎曲中承受塑性變形的能力。
碳素鋼絲的扭轉試驗考核比YB/T5197標準細化了直徑和強度級的分組。表4列出了本規范與YB/T5197標準鋼絲扭轉次數的對比。

表3 拆股碳素鋼絲最小反復彎曲次數

表4 拆股碳素鍍鋅鋼絲扭轉次數對比
本規范與YB/T5197標準類似直徑鋼絲的相同強度級別的扭轉次數均提高了3次。
不銹鋼絲繩的拆股單絲除做抗拉強度考核外,還應進行纏繞試驗,即以每分鐘不超過15轉的速度呈緊密螺旋狀自身纏繞兩圈,鋼絲不應斷裂。
6.7.1 檢驗項目、要求及方法
在質量一致性檢驗條款中列出了鋼絲繩的檢驗項目及其對應的要求章節和檢驗方法章節,并規定了取樣數量和取樣部位。比ISO2020標準中生產合格試驗認可條款中要求的檢試驗項目多增加了鋼絲繩拆股檢試驗,包括鋼絲外觀和鋼絲直徑檢查;碳素鍍鋅鋼絲的拉力和打結拉力試驗、扭轉試驗、反復彎曲試驗和鋅層重量試驗;不銹鋼絲的纏繞試驗等檢試驗要求。鋼絲繩的驗證試驗與ISO2020標準的剪切驗收試驗內容相同,考慮YB/T5196和國內其它標準用驗證試驗項目術語的習慣,本規范延用“驗證試驗”檢驗項目術語。
6.7.2 復驗與判定規則
復驗與判定規則,本規范與ISO2020標準同樣按組批進行檢試驗,對不滿足初次檢驗或試驗要求的項目應進行雙倍抽樣,復驗其中不合格項目。但本規范根據YB/T5196和YB/T5197,還增加了“若有一個試樣檢驗結果不合格,該組批判為不合格產品,但允許供方逐盤檢驗,合格者予以交貨。”的說明,避免了同組批組織生產非連盤鋼絲繩抽驗誤判的問題。
6.7.3 檢驗和試驗方法
檢驗和試驗方法基本上按ISO2020、YB/T5196和YB/T5197標準的規定。增加和修改部分說明如下:
(1)將鋼絲檢試驗方法和鋼絲繩檢試驗方法分類條款列出,便于明確鋼絲和鋼絲繩各自需要的檢試驗項目。
(2)鋼絲的檢試驗項目共8項,其中鋼絲的外觀、直徑及自身纏繞檢驗方法是在ISO2020、YB/T5196和YB/T5197標準要求的基礎上新增加的檢測項目。
(3)自身纏繞是針對不銹鋼絲以每分鐘不超過15轉的速度呈緊密螺旋狀自身纏繞兩圈不應斷裂的纏繞性試驗。用此方法來檢驗不銹鋼絲的韌性。
(4)鋼絲繩的檢試驗項目共10項,其中鋼絲繩的平整度和殘余回轉的檢驗方法是在ISO2020、YB/T5196和YB/T5197標準要求的基礎上新增加的檢測項目。
(5)鋼絲繩的外觀質量:除了用手感和目視檢查外,也可借助放大倍數為5倍的放大鏡檢查,避免了由于組成鋼絲繩的鋼絲直徑比較細而存在缺陷不易被發現的問題。
(6)鋼絲繩的直徑測量:增加了量具分度值不大于0.01 mm的要求,提高了測量鋼絲繩直徑的精確性。考慮了生產廠家和用戶在有爭議時的情況,鋼絲繩直徑的測量可在給鋼絲繩施加最小破斷拉力5%張力的情況下進行。
(7)鋼絲繩平直度的測量:在不施加張力的情況下,將6 m長的鋼絲繩放置在距離為60 mm的二條平行線之間的平面上,除繩末端500 mm外,鋼絲繩不得與任何一條平行線相碰。其方法與YB/T5197相同,但二條平行線之間的距離由75 mm改為60 mm,提高了平直度的要求。
(8)鋼絲繩平整度檢查:手感光滑,無任何明顯起伏變化和硬彎即為平整度合格。這樣規定在鋼絲繩產品的交付中可以減少不必要的爭議。
(9)殘余回轉的測量:去掉繩頭1~2 m后,在離繩頭大約20 cm處彎成一個約90°,緊握住此彎頭拉出6 m長試樣,然后,將鋼絲繩自由端放開,讓其在沒有張力的情況下自由回轉,其回轉數不得超過3 r/6 m。增加此條款目的是為了檢查鋼絲繩捻制時消除殘余扭轉應力的效果。
本規范把包裝、標志、運輸、貯存和質量證明書等要求均歸屬到此條目中,且根據我國國情及現實情況分別做了規定。對交付鋼絲繩附帶的質量證明書要求,除滿足GB/T2104—2008中規定條款外,還增加了要求制造商將試驗的真實結果等有關信息存檔至少8年。這樣有利于用戶對產品質量的可追溯性。
新編標準規范主要是參照ISO 2020、YB/T 5196和YB/T 5197標準,也參考了MIL-DTL-43420M、JIS G 3535、ΓОСТ2172、國防軍工重點型號工程需要的一些技術條件或技術協議、針對軍工需要制定的企業標準等制定的。其中主要技術指標都相當于ISO 2020、YB/T 5196和YB/T 5197的規定;有些指標要高于ISO 2020等標準的規定,如:繩徑公差、鋼絲繩不松散增大值、部分鋼絲繩最小破斷拉力及疲勞后破斷拉力等;有些指標ISO 2020沒有規定,而本標準作了規定,如:柔性鋼絲繩的拆股試驗、鋼絲的彎曲、扭轉試驗等。由此可見,本規范水平要高于IS O2020標準水平,也填補了我國軍工航空操縱用鋼絲繩規范的空白。
標準規范編制單位通過大量調研和實際樣品生產、分析、測試和驗證,結果表明新編制的《航空操縱用鋼絲繩規范》軍用標準滿足了廣大軍工單位及部隊對于軍用航空鋼絲繩產品的標準統一規范化的要求,基本上將目前為軍工航空領域配套的產品結構規格均納入到標準中。制定的國軍標內容既全面,又有較強的軍工適用性。新標準規范通過了標準審查組認真、細致的審查,已經形成“報批稿”上報國家審批、頒布,為我國軍工武器裝備科研配套產品的生產奠定了堅實的基礎。
Formulation of National Military Standard"Wire Rope for Aviation Manipulation Standard"
Feng Cunling,Lu Shiheng,Jia Baonan,Cao Guangzhen
(Tianjin JINDING Wire Product Science and Technology Development Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)
The authors analyzed present situation of wire rope for aviation products standard in our country,introduced the necessity and feasibility of drafting the national military standard"wire rope for aviation manipulation standard",main manipulated contents and the differences to existing standard.They also pointed out that the current industry standard products can not meet the requirements of product specifications,strength,toughness(torsion and bending),fatigue life and extensibility and performance requirements for wire rope products needed for application of weapons and equipment scientific research and production.The presentproducts structure specifications for military aviation field are incorporated into the new standard"wire rope for aviation manipulation standard",and the related products'technical agreement and internal standard also.So it can furthest meet the demand of military aviation equipments and products.
aviation,manipulation,wirerope,standard,military,formulation
馮春玲,女,正高級工程師,天津市金鼎線材制品科技開發公司副總經理,總工程師,曾主持研發多項新產品,兩項專利發明人,曾發表多篇論文并獲獎,2008年確定為天津市工業系統專業帶頭人。
(收稿 2012-02-20 編輯 潘娜)