某發動機操縱系統鋼索斷裂故障分析與改進設計

2018-11-29 06:52:28李子昂黃金海劉寧泉張向前付細能

教練機 2018年3期

關鍵詞：故障系統

范昱，李子昂，雷波，黃金海，劉寧泉，張向前，付細能

（航空工業洪都，江西南昌，330024）

0 引言

發動機操縱系統用以調節發動機一系列與速度、高度、功率狀態等有關的參數，以及相互關聯的各種參數，控制發動機工作以達到所規定的穩態和瞬態性能，并防止發動機在各種環境條件下和整個工作包線內超過它的任一極限值[1]。

發動機操縱系統的可靠性直接影響飛行安全，在設計及強度校核與仿真之后，耐久試驗是研制過程中必不可少的重要環節之一，該試驗的考核目的是驗證產品的使用壽命是否能滿足飛機首翻期內的使用需求。

1 發動機操縱系統方案簡介

為進一步改善座艙發動機操縱的人機功效及系統剛性，某型飛機發動機操縱系統相對原型機進行重新設計，采用軟式鋼索傳動，代替原來的多連桿硬式傳動，實現油門手柄的線性運動，從而達到改善人機功效及系統剛性的目的。

線性直推式發動機操縱系統主要由前艙油門操縱臺、離合裝置、后艙油門操縱臺、角位移傳感器（集成于后艙油門臺）、鋼索等組成。如圖1。

圖1 某發動機操縱系統組成示意圖

2 問題現象

某發動機操縱系統進行耐久試驗時發生一處鋼索斷裂，如圖2所示，該鋼索連接離合裝置和后艙油門操縱臺左發手柄滑塊。

圖2 斷裂鋼索處

3 故障分析及定位

3.1 第一級故障樹及分析

根據人、機、料、法等各環節，對連接鋼索斷裂的問題進行故障樹分析，確定一級故障樹，如圖3。

圖3 鋼索斷裂故障樹

針對故障樹中的5個事件進行排查。

＞事件X1：裝配不正確

調查產品結果如下：

1）產品出廠前通過了功能、性能檢查，并開具了產品合格證；

2）產品在試驗前安裝調試時，由產品主管設計和檢驗人員確認了裝配、安裝正確；

3）試驗臺架上產品的安裝孔位采用三維紅外定位打孔，孔位尺寸精度高，試驗臺架具有合格證；

4）產品按機上實際定位要求1：1安裝在試驗臺架，系統功能正常；

因此，可排除事件X1。

＞事件X2：鋼索質量問題

經調查，本批產品裝配使用的鋼索、鋼索收接頭、鋼球及使用情況如下：

1）鋼索為6x7-2.15+IWS（金屬股芯繩）航空用鋼絲繩（YB5197-1993），材料為碳素鋼；

2）在使用該鋼索收球頭和螺栓接頭前，按照HB5-16-83《帶接頭的鋼絲繩技術》條件，取鋼索破壞載荷的50%進行預先拉伸，每次拉伸1分鐘，鋼索沒有斷絲；

3）收完接頭、鋼球后，所有鋼索均做重復拉伸試驗，所用載荷為鋼索破壞力的50%，時間為5分鐘，鋼絲繩沒有斷絲；

4）本批帶接頭的鋼索100%進行了外觀檢查和尺寸測量，并且還抽取了3根帶接頭鋼索按HB5-12-83中的規定載荷進行了破壞性試驗，均滿足標準要求。

綜上，鋼索及鋼索組件質量符合相關標準，因此排除事件X2。

＞事件X3：操作不正確

試驗臺架的安裝與實際使用情況保持一致。試驗時由專業人員按照試驗大綱進行操作，并由產品主管設計陪同，未出現野蠻操作等現象，因此，可排除事件X3。

＞事件X4：鋼索強度不滿足設計需求

如圖6所示，手柄與鋼索固連，飛行員操作手柄前、后移動時，手柄帶動鋼索移動，鋼索通過滑輪改變運動方向，再經過離合裝置換向，形成一個回路，鋼索與滑輪之間為滾動摩擦。應用NX NASTRAN（NX NASTRAN源于美國國家航空航天局（NASA）的結構分析軟件NASTRAN，經過40多年的發展已經成為世界上著名的有限元求解程序之一，在世界范圍內擁有廣泛的用戶群體）對鋼索受力開展仿真工作如下：

1）設定約束條件

＞根據有關國軍標的要求，單發油門手柄操縱力應不大于3.5kgf，在分析時將操作力設為4kgf。

＞鋼索張緊力設為10kgf，該經驗值來源于國內某成熟三代機。

＞鋼索與滑輪滾動摩擦系數為0.2。

2）建立有限元模型

對設計三維數模進行處理，提取用于仿真的零部件，即鋼索和滑輪，如圖4所示。

3）設置材料屬性

按表1，對鋼索、滑輪應用材料屬性、單元屬性。

圖4 有限元網格劃分

表1 仿真材料屬性設置

4）定義接觸關系、載荷、約束等邊界條件

張緊力、驅動力載荷如圖5，滑輪除繞軸心旋轉的自由度外，其它自由度固定。

圖5 張緊力、驅動力載荷定義

5）解算靜強度

通過NX NASTRAN仿真分析結果顯示，鋼索最大應力值為335.34MPa，小于材料的屈服強度，如圖6。最大應力的位置如圖7。

圖6 仿真分析結果

圖7 最大應力位置

因此，可以排除事件X4。

＞事件X5：鋼索疲勞失效

發動機操縱系統鋼索的張緊力值約為10kgf，是借鑒國內某成熟機型的經驗值，推、拉油門手柄的力經測量約為4kgf（單個油門手柄），同時，鋼索是在600個循環周期左右發生斷裂的，符合“疲勞破壞發生在遠低于破壞載荷時發生破壞”的規律，因此，需進一步分析疲勞失效的原因。

3.2 第二級故障樹及分析

為進一步分析鋼索疲勞失效的影響因素，走訪國內鋼索研制廠家得知，主要因素有：鋼索與滑輪直徑比、鋼索在滑輪上的包角、鋼索張緊力和鋼索扭轉及二次彎曲，轉化為故障樹，如圖8。

圖8 鋼索疲勞失效故障樹

針對故障樹中的4個事件進行分析。

＞事件X1：鋼索與滑輪直徑比過小

鋼索在系統中的走向分布情況如圖9～圖11。

圖9 后艙油門臺左手柄鋼索走向分布

圖10 后艙油門臺右手柄鋼索走向分布

圖11 后艙油門臺左手柄鋼索回路在離合裝置中的走向分布

1）鼓輪與鋼索的直徑比分析

鼓輪用于固定鋼索并傳遞鋼索運動，鋼索接頭固定在鼓輪槽中某一點以便傳遞鋼索系統的載荷，離合裝置內共有4個尺寸相同的鼓輪，鼓輪槽底直徑∮74.45，鼓輪與鋼索直徑比為74.45÷2.15=34.6,鋼索使用載荷÷鋼索破壞載荷=190N÷3800N=0.05,與飛機設計手冊推薦要求相比，鼓輪與鋼索的直徑比大于鋼索研制廠家推薦的經驗值20，鼓輪直徑對本次故障的影響較小。

2）導向輪與鋼索的直徑比分析

導向輪用于改變鋼索走向。某發動機操縱系統共有28個尺寸相同的鋁合金導向輪，輪槽底直徑∮22，導向輪與鋼索直徑比為22÷2.15=10.2,小于鋼索研制廠家推薦的經驗值20，是導致鋼索疲勞失效的可能原因。

為驗證該因素，某發動機操縱系統改用∮1.8的鋼索進行試驗（其它條件不變），進行了5組試驗，試驗情況見表2。

表2 鋼索與滑輪直徑比對鋼索疲勞壽命影響的驗證（直徑比由10.2增大到12.2）

由表2數據可以看出，在增加滑輪與鋼索直徑比后，鋼索壽命有大幅提高。

＞事件X2：鋼索在滑輪上的包角過大

滑輪包角是指滑輪上與鋼索相切兩點之間的角度，如圖12，包角過大影響鋼索壽命和系統摩擦力；包角越小對鋼索壽命影響越小及系統摩擦力越小，在滿足系統傳動要求的前提條件下應盡量減小滑輪包角。相關資料只有關于包角的定性說明，沒有包角與鋼索壽命及摩擦力的量化推薦值，鋼索研制廠家也無可借鑒的定量經驗，因此，在改進設計時應盡量減少包角。

＞事件X3：鋼索張緊力過大

圖12 包角定義

鋼索張緊是為了消除系統空行程和從一定程度上防止鋼索從輪槽中脫出，張緊力的確定應綜合考慮鋼索直徑、長度、跨度等因素，但張緊力的大小在現有標準中沒有可以參考的定量要求，某發動機操縱系統使用的張緊力是參照國內某三代機的成熟經驗值，該型機已具備大量使用經驗，因此，張緊力值合理。

＞事件X4：鋼索扭轉及二次彎曲

扭轉指鋼索受到外力而使其產生旋轉的趨勢；次彎曲指鋼索受壓的一側，在經過另外的滑輪時又受拉的情況，二次彎曲對鋼索使用壽命有較大影響。經分析，離合裝置的分鋼索存在扭轉及二次彎曲，如圖13所示，前艙油門臺與離合裝置連接的鋼索（圖中為綠色）在71mm范圍內通過中心軸線不共面、不平行的3個導向滑輪；后艙油門臺與離合裝置連接的鋼索（圖中為紅色）在110mm范圍內連續通過中心軸線不共面、不平行的4個導向滑輪，該處鋼索承受扭轉及二次彎曲最嚴酷，耐久試驗時鋼索斷裂就發生在此處（如圖2和圖7）。

圖13 離合裝置內鋼索二次彎曲及扭轉（導向滑輪上的數值為包角）

3.3 故障原因定位

鋼索斷裂的主要原因是導向滑輪與鋼索直徑比較小；同時鋼索存在扭轉及二次彎曲。

4 改進方案設計

針對導向滑輪與鋼索直徑比較小、存在扭轉及二次彎曲的原因，對產品進行改進設計，主要包括以下幾點：

1）加大導向滑輪直徑，操縱臺結構作相應更改；

2）改進結構，取消部分導向滑輪，以消除鋼索的扭轉及二次彎曲應力；

3）更改導向滑輪及鋼索材料；

4.1 加大導向滑輪直徑，操縱臺結構作相應更改

為提高導向滑輪與鋼索直徑比，對包角較大的導向滑輪：前艙油門臺導向滑輪由原來兩個∮22更改為一個∮68，滑輪與鋼索直徑比由22÷1.8=12.2，提高到68÷1.8=37.8；后艙油門臺左、右手柄的導向滑輪由原來兩個∮22另更改為左手柄一個∮73.2，右手柄一個∮83.7，左手柄鋼索提高到 73.2÷1.8=40.7，右手柄鋼索提高到83.7÷1.8=46.5。材料由鋁合金改為酚醛縮合物浸漬的纖維織物滑輪，改進后滑輪與鋼索直徑均高于推薦的經驗值20。見圖14、圖15。