航空器操縱系統鋼索失效的種類及原因分析

聶　挺（中國民用航空飛行學院，四川　廣漢　618307）

航空器操縱系統鋼索失效的種類及原因分析

聶挺
（中國民用航空飛行學院，四川廣漢618307）

摘要：操縱系統鋼索的故障形式包括腐蝕、磨損、卡阻、斷裂等，由于操縱系統關系航空器的姿態和航向，特別是關鍵階段保持航空器姿態尤顯重要，而一旦操縱鋼索出現故障，將影響操縱力的傳遞，舵面有可能無法偏轉到預期的位置，航空器的姿態或航向將偏離目標，嚴重時，將導致航空器失去控制。本文從鋼索測試檢測與分析、鋼索載荷和應力兩個方面進行了詳細描述，得出了航空器操縱系統鋼索失效的相關結論，旨在拋磚引玉。

關鍵詞：航空器；操縱系統鋼索；失效

近期，某飛行訓練單位Cessna172機群操縱鋼索已發生異常磨損故障110多起，嚴重影響了飛行訓練和安全，操作系統失效是航空器“三防”（防操作系統失效、防空停、防起落架失效）工作的首要關注點。特別是2012年7月B-XXXX飛機升降舵鋼索斷裂故障，所幸鋼索斷裂時處于著陸接地階段，否則將會發生嚴重的飛行事故，該故障現已引起民航監管部門的高度重視。鋼索是具有多螺旋元組成復雜構件，能夠傳遞較長距離負載。這種負載包括交變載荷，因此在抗拉強度、疲勞強度等指標上具有很大的優勢，在常規情況下使用承載安全系數較大、使用安全性較高。但同時使用過程中鋼索承載來自于多方向性結構的作用扭轉力，也容易對鋼索本身造成一定的損傷，從而使得安全保障受到一定的威脅。鋼索失效的形式一般可分為磨損、變形、腐蝕、疲勞、斷裂等。

1　鋼索測試檢測與分析

Cessna172機群操縱鋼索采用6*7+WS結構形式，整體鋼索直經為25mm，分別由7股小鋼索組成、每小股由7根單鋼絲、單根鋼絲直徑0.28mm，標準破斷拉力不低于4.97kN。其符合于GB8902-1988國家標準的要求。從2012年7月B-XXXX飛機升降舵鋼索斷裂事件采集樣品經過測試，對鋼索的拉伸極限承載能力進行相應的測試，經過兩組樣品儀對比分析，發現拉伸極限承載能力為5.25kN和5.22kN，結果符合GB8902-1988國家標準。這完全說明鋼索斷裂的主要原因不是破斷力不足引起的。但是這一結果不能說明鋼索本身材料質量是否存在問題。由此我們對斷裂事件采集樣品進行了化學實驗，來檢測鋼索材料本身化學元素組成是否符合GB699-1999國家標準，通過檢測和對比，材料本身所包含的含碳、含硫、含磷等其它元素指標全部在標準范圍之內。將所采集的樣品材料放置在掃描電鏡之下進行觀察，發現鋼索表面呈現周向、環向摩擦的痕跡。通過仔細的斷口觀察，發現斷口明顯存在兩個分區，一是呈現橢圓形狀的拉伸后疲勞斷裂區，鋼索明顯呈現細長變形狀態、二是瞬間斷裂區，鋼索明顯并無拉伸跡象而呈現瞬間斷裂的特征。瞬間斷裂區域鋼索斷截面與鋼索中心軸線交互呈現45度傾角，斷口附近有摩擦的痕跡。同時斷口疲勞區能夠發現疲勞源發散的特征且疲勞源有一定特征的擦傷痕跡。通過金相觀察和檢測鋼索金相組織未見雜質異常，含碳、含硫、含磷等其它元素指標全部均在國家標準要求范圍之內。

2　鋼索載荷和應力

根據鋼索設計要求其預張力P0= 183.38N，張力在鋼索中產生的拉伸應力根據以下公式進行計算：

（KL為拉伸應力不均勻系數，一般取值1.2；P鋼索張力；A為鋼索橫斷面積之和）

鋼索在一定程度上設計預張力基本恒定，只能承受拉力還不能承受壓力，因此預張力毫無意外地在鋼索中產生。只有航空器具體操作時，鋼索才產生相應的工作張力。因此相對而言鋼索工作張力并不是處于持續狀態，而是具有間歇性的特點。由此我們分析，鋼索出現斷裂特征是由于疲勞狀態下過量疲勞應力所產生的，在常規情況下的疲勞應力并未見可導致失效，因而我們可以推斷鋼索斷裂的原因，在于鋼索疲勞應力在工作狀態下增加引起的。工作狀態中，鋼索與滑輪進入接觸狀態，會導致鋼索的彎曲應力的產生，這種彎曲應力方向具有不確定性，我們可根據巴赫公式來進行相關的計算，公式如下：

其中：Ec為鋼索的拉伸彈性模量，一般為1.5×105MPa，d為鋼絲直徑；D為轉向滑輪槽底直徑。

根據公式我們可以看出，鋼索的彎曲應力和滑輪直徑呈現反比例關系，也就是說滑輪直徑越大，鋼索的彎曲應力越小，這樣我們可以推斷，轉向滑輪直徑最小處是鋼索最容易遭受疲勞應力增加而導致鋼索發生疲勞斷裂的原因。

3　措施改進

通過以上分析，我們針對鋼索使用應采取相應措施來預防鋼索斷裂失效的情況發生。一方面我們在采用各種滑輪、鼓輪、扇形輪的時候，盡量的滿足比較大的直徑。另一方面，在鋼索強度滿足使用的前提之下，我們需要控制鋼索直徑的大小，換而言之，我們需要采用比較小的鋼索直徑相對于比較安全。三方面為了降低整個鋼索疲勞應力增加，我們可以在設計的時候盡量的避免摩邊角出現，從而減少滑輪與滑輪摩邊角的存在而導致的過度疲勞應力。四方面在航空器操作系統當中，系統操縱力也是導致鋼索疲勞應力增加的主要原因，因此系統操縱力需要得到相應的控制，其與鋼索磨損呈現正比例關系，因此降低系統操縱力也是在航空器操作過程當中應該注意的問題。另外一個方面，需要提醒的是鋼索與滑輪槽接觸面的良好接觸有助于摩擦力的降低，從而使得鋼索能夠延長壽命、減少疲勞，這是常規知識不必細述。

結語

通過以上分析，我們可以清楚地了解到操縱系統鋼索的故障形式包括腐蝕、磨損、卡阻、斷裂等，而本文重點在于對鋼索磨損斷裂的情況進行了透徹的陳述，并且通過鋼索測試檢測與分析、鋼索載荷和應力來詳細的分析，找出了鋼索磨損斷裂主要控制原因，并提出了相關方面的措施。在實際的操作過程當中，我們強調多種因素的綜合分析、多種渠道的原因查找、多種措施的同時改善，這樣有助于航空器操縱系統鋼索失效問題的徹底解決，對航空器安全提供保證。

參考文獻

[1]凌晨，吳澎.淺談鋼絲繩失效原因[J].冶金標準化與質量，2008（05）.

[2]王玲君.鋼絲繩使用常見損傷及電磁無損檢測[J].冶金標準化與質量，2008（04）. [3]魏金波，段欣.鋼索索力和抗彎剛度識別的序列二次規劃法[J].江西科學，2009 （04）.

[4]繆建成，陳關龍，金隼.小直徑柔性鋼索預緊張力的測量與計算[J].力學與實踐，2006（02）.

[5]李鳴華.鋼索張力檢測研究[J].臺州學院學報，2003（03）.

中圖分類號：V227

文獻標識碼：A