飛機金屬導管損傷原因分析及對策

唐有才，孔光明，唐元恒

（海軍航空大學青島校區(qū)，山東青島 266041）

0 前言

飛機上使用的金屬導管（以下簡稱“導管”）很多，主要分布在液壓、燃油、滑油、氧氣、冷氣和環(huán)境控制等管路系統(tǒng)，承擔著傳遞動力、輸送液體和氣體的工作。飛機上的導管一旦損傷破裂，輕則影響戰(zhàn)訓任務(wù)的順利完成，重則導致災(zāi)難事故的發(fā)生。如某部飛機在訓練中，因為液壓系統(tǒng)導管漏油，引起空中失火而造成二等事故（飛機損毀）。因此，分析導管損傷的原因、預(yù)防其損傷，對確保飛機管路系統(tǒng)正常工作及飛行安全意義重大。

1 飛機金屬導管損傷特點分析

據(jù)不完全統(tǒng)計，近4 a來某團飛機因裂紋和磨損深度超過標準值而更換的導管多達92根，而磨損深度雖未達到標準值卻被作為排故處理的多達126根。導管損傷特點如下：

（1）導管損傷隨飛行時間增長而增加，飛行時間在（300～400）h時故障發(fā)生率最大，占44.6%；超過400 h后，導管損傷失效率銳減。這是由于飛機在（350±50）h預(yù)防性維修工作時，有故障和缺陷的導管已被更換處理，說明導管損傷同使用時間有關(guān)。

（2）導管損傷主要分布在振動較強的機身（26～30）框左、右兩側(cè)及主起落架艙內(nèi)，共發(fā)生59起，占64.1%，說明振動是導管損傷的重要因素。

（3）從損傷方式看，損傷主要包括磨損、裂紋、壓坑和喇叭口損壞等，其中磨損超過規(guī)定是損傷的主要形式，共發(fā)生68起，占73.9%。說明導管固定不良、導管與周圍機件間隙不足是導管損傷又一個重要因素。

2 飛機金屬導管損傷原因分析

2.1 彎曲振動引起的導管損傷

2.1.1 振動原因分析

飛機導管產(chǎn)生彎曲振動的原因主要有2個：一是導管是靠卡箍固定在飛機機體上的，在飛行過程中，機體的振動不可避免（尤其是戰(zhàn)斗機更為強烈），迫使固定在機體上的導管發(fā)生振動。由于飛機各部位的振動頻率和振幅不同，造成導管因固定位置偏差發(fā)生彎曲振動。固定部位振動的強弱決定了彎曲振動的強弱，當固定卡箍之間的距離較遠或變化頻率相近時，導管發(fā)生彎曲振動更為強烈。這也是導管損傷主要分布在機身（26～30）框及主起落架艙內(nèi)的原因之一。二是導管存在彎曲，當管內(nèi)壓力有脈動時將引起導管發(fā)生彎曲振動。圖1為彎曲振動示意圖，在導管彎曲部位任取兩截面A—A和B—B，由于兩截面不平行，液面作用力FA和FB形成垂直于導管軸線的合力F。當管內(nèi)壓力P周期性變化時，F(xiàn)隨P周期性變化，引起導管彎曲振動。這種振動與相鄰支撐點距離及油壓脈動量成正比。尤其是液壓泵出口處到蓄壓器之間的一段導管，由于所承受的油壓脈動幅度更大，當導管走向不當、出現(xiàn)彎曲時，就會產(chǎn)生較大的彎曲振動。

這種振動在導管與周圍機件間隙過小時，就會發(fā)生相互碰撞而發(fā)生振動磨損。這種磨損常發(fā)生在振動比較強烈、固定不牢靠的導管和附件之間。這也說明飛機導管磨損是損傷主要形式的原因所在。

2.1.2 應(yīng)力與裂紋特點分析

發(fā)生彎曲振動時，導管將受到反復彎曲作用，而在其橫截面內(nèi)承受周期性變化的拉伸和壓縮應(yīng)力（圖2）。由于彎曲振動所引起的最大正應(yīng)力處于導管橫截面上且距中性軸較遠的位置（導管外表面A，B處），因此導管因彎曲振動而產(chǎn)生的裂紋，通常沿圓周方向且從外壁逐步向內(nèi)擴展。裂紋萌生部位通常處于導管的固定點和連接接頭附近，以及導管的彎曲度較大和表面有壓坑、劃傷或腐蝕的部位。因此，這些地方平時需要加強檢查。

圖1 彎曲振動

2.2 徑向振動引起的導管損傷

2.2.1 振動原因分析

導管在流體壓力作用下，沿徑向方向往外擴張，若流體壓力發(fā)生周期性的變化，那么導管的徑向變形也會隨之發(fā)生周期性變化。這種現(xiàn)象稱為導管的徑向振動。

2.2.2 應(yīng)力與裂紋特點分析

假設(shè)導管的截面為圓形，導管壁沿圓周方向的應(yīng)力在脈動壓力作用下均勻分布，這種情形下，導管不易損傷。

若導管的截面為橢圓形，在壓力作用下，導管試圖恢復到原來的狀態(tài)（圖3），管壁曲率半徑最大的位置（B處），變形量和應(yīng)力也是最大，容易產(chǎn)生裂紋。如某訓練團飛機環(huán)控系統(tǒng)的一段導管，在加工安裝過程中，導管彎曲處橢圓度過大，再加上發(fā)動機的振動和壓縮空氣的脈動，多次發(fā)生折斷，而斷裂部位就在管壁曲率最大的地方。

由于導管內(nèi)壁相對外壁承受的應(yīng)力大，而且內(nèi)壁容易受到液（氣）體的腐蝕，所以徑向振動引起的疲勞裂紋往往先從導管彎曲度較大（橢圓度過大）的導管內(nèi)壁兩側(cè)產(chǎn)生，再向外擴展的縱向裂紋。

圖2 導管彎曲振動表面應(yīng)力分布

2.3 飛機及系統(tǒng)設(shè)計引起的導管損傷

圖3 橢圓形截面導管變形及應(yīng)力分布

2.3.1 機體設(shè)計單薄使振動較強

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機都為高超音速飛機，機體設(shè)計單薄，動力裝置采用雙轉(zhuǎn)子渦噴或渦扇型發(fā)動機，因而機體振動較強，尤其是起飛著陸時機體振動更強，導致固定在其上的導管發(fā)生振動。維修中也常常發(fā)現(xiàn)導管的固定卡箍松動及振落現(xiàn)象，這樣就會引起導管更強烈的振動而損傷。如案例中該團飛機機身右側(cè)（26～28）框中部液壓回油導管多次發(fā)生固定卡箍飛掉，造成與機身27框相磨而損壞。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計緊湊使導管之間間隙小、走向不合理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，導管安裝空間狹小，導致導管與其他導管或附件之間的間隙小，這樣在工作時就易發(fā)生磨損，在拆裝時也容易損傷導管。另一方面，許多導管布局、走向不合理，常常是哪里有空間就在哪里安裝，使導管彎彎曲曲，有的彎曲度很大，這樣不僅增大沿程和局部損失，還加大了流體壓力脈動以及對管壁的沖擊力。此外，安裝時導管的變形和卡箍固定不當，使導管之間間隙更小甚至無間隙，這樣就會引起導管磨損。如該團飛機機身左側(cè)28框附近拋放阻力傘冷氣導管與周圍導管間隙過小、且安裝走向不合理，導致同液壓回油與液壓增壓導管相磨而失效。另外，由于有的維護窗口設(shè)計過小，機務(wù)人員在拆裝導管或附件時無法看清，只能憑感覺操作，很容易損壞導管和管接頭。

2.4 維護不良引起的導管損傷

2.4.1 導管拆裝不正確

（1）拆裝導管時圖省事，在不拆下固定卡箍的情況下就強行操作。這種拆裝方式對金屬導管危害最大，因為它不僅使導管內(nèi)部產(chǎn)生較大裝配應(yīng)力，還可能造成導管或部件接頭不對正，增大了螺帽與襯套之間的摩擦力，使得襯套隨螺帽一起轉(zhuǎn)動，造成磨壞導管端部或擰壞螺紋。

（2）拆裝導管時不注意固定，擰動螺帽時導管一起轉(zhuǎn)動，造成導管扭曲，或由于碰撞造成導管壓坑、劃傷等。

（3）未對正喇叭口就強行安裝，且安裝不考慮導管的長度、角度、螺紋是否合適即隨意裝配，擰緊導管接頭的緊固力矩嚴重超標，致使接頭管嘴容易斷裂。如該飛行團飛機球形蓄壓器和副翼助力電磁開關(guān)之間的導管，由于空間狹小、難以安裝，在安裝過程中導管經(jīng)常發(fā)生變形和損傷，導致該導管多次破裂。

2.4.2 導管制作不良

（1）導管彎制時，未嚴格按照工藝標準執(zhí)行，使得導管彎度過小，不僅導致導管外表面變薄強度下降，存有較大的內(nèi)應(yīng)力，同時也增加導管彎曲振動強度。

（2）使導管的彎曲部位出現(xiàn)較大的橢圓度，從而增加了導管徑向振動強度。如某型飛機的助力系統(tǒng)中，連接緩沖瓶與單向活門的導管，受到液壓泵出口高壓脈沖的作用，加之導管彎制時橢圓度約為9.6%（設(shè)計手冊規(guī)定承受壓力脈動的導管應(yīng)≤6%），造成導管產(chǎn)生縱向裂紋長達9 mm。

2.4.3 導管固定不良

（1）導管卡箍的固定緊度不適當（特別是鋁管），致使導管表面被夾傷、變形。

（2）為了操作方便，不按規(guī)定安裝導管的固定卡箍，或者隨意改變卡箍和變動卡箍的位置，增加導管振動甚至出現(xiàn)共振而損壞。如該團某飛機2根液壓導管，在機身左側(cè)28框中部因沒有固定而處于懸空狀態(tài)，加之在該處安裝的導管多，導致這2根導管在振動作用下磨損嚴重而更換。

2.4.4 導管被腐蝕

（1）導管表面粘上的水分、油泥和塵土等沒有及時清除，加之飛機地處沿海地區(qū)，使導管表面腐蝕，尤其是導管表面損傷導致保護層損傷，腐蝕更加嚴重。如該飛行團飛機副翼上的電磁開關(guān)回油導管，曾因在磨損處被腐蝕導致穿孔而大量漏油。

（2）沒有做好防污染工作，致使管路中的流體進入固體顆粒、水分和空氣等而被污染，尤其是固體污染物加速了導管內(nèi)壁的磨損和劃傷。

3 預(yù)防飛機金屬導管損傷的措施

為了有效預(yù)防飛機金屬導管損傷，應(yīng)從優(yōu)化設(shè)計、減弱振動以及做好維護工作等方面入手。由于導管的振動是導管損傷的重要原因，因此，減弱導管振動的措施都能有效預(yù)防導管的損傷。

3.1 優(yōu)化管路系統(tǒng)設(shè)計

盡管飛機結(jié)構(gòu)單薄緊湊沒法改變，但是可以對管路系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以減弱導管振動和提高導管的維修性。

（1）導管的固定卡箍可以設(shè)置在機體結(jié)構(gòu)強、振動小的部位，管路走向盡可能呈流線型，并減少接頭和彎曲，導管與鄰近部附件之間距離符合規(guī)定。

（2）在滿足管路系統(tǒng)性能要求的前提下，在壓力脈動嚴重和容易產(chǎn)生流體撞擊的部位，加裝蓄壓器，并使用帶緩沖裝置的元件，減弱壓力脈動，防止產(chǎn)生壓力沖擊。

（3）盡可能將維護口蓋設(shè)計的大一些和多一些，在安裝難度大的地方，可考慮使用非金屬軟管；并使需要經(jīng)常拆裝的導管和附件盡可能安裝在外部，以方便拆裝，提高系統(tǒng)的維修性。

（4）針對目前大多數(shù)金屬導管沒有規(guī)定使用壽命，一般是損傷后才更換的現(xiàn)狀，建議對受力大、工作環(huán)境惡劣的金屬導管也像軟導管一樣規(guī)定使用壽命，以便定期更換。

3.2 確保導管維修質(zhì)量

（1）加強教育與培訓。一是要對機務(wù)人員加強導管維護重要性的教育，努力培養(yǎng)優(yōu)良的機務(wù)作風。二是每年至少進行一次管路系統(tǒng)維護特點、拆裝方法和注意事項的培訓，尤其是當補充新的維修人員時必須進行專題教育?？刹扇∞k班、以老帶新和現(xiàn)場教學等形式。

（2）保持導管固定良好。一是保證導管與固定卡箍之間距離符合技術(shù)要求，固定卡箍按飛機出廠位置安裝，不能隨意改變兩卡箍間的距離，避免增加導管的振動。二是導管固定在卡箍內(nèi)緊度應(yīng)適當，導管的軸線應(yīng)與卡箍凹糟的軸線相重合，不應(yīng)偏斜，以免導管的初應(yīng)力過大；而且凹糟內(nèi)應(yīng)有橡膠減震墊，不允許使用皮革、膠布代替，保證良好的減震性能，減小管壁受力。

（3）正確實施導管拆裝。一是拆裝導管時將接管嘴固定好，避免導管和接管嘴隨著螺帽一起轉(zhuǎn)動、扭壞導管。二是拆裝導管接頭時，注意觀察襯套和導管有無隨螺帽轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象發(fā)生。如果襯套與導管隨螺帽轉(zhuǎn)動，則需要清洗螺帽內(nèi)部或更換已變形的螺帽或襯套，減小襯套與螺帽的摩擦力，并將喇叭口重新壓緊。三是安裝導管時，為防止滑絲先用受將螺帽擰上幾扣螺紋，然后再用扳手擰緊；而且當導管中心線與接管嘴中心線錯開太多時，不允許強行安裝。

（4）嚴格按照要求制作導管。一是修理廠制作導管時，選用導管要與原導管規(guī)格、材料一致，按照規(guī)定的工藝程序進行操作。二是在彎制導管時，導管內(nèi)填滿細沙，一次成型，不得反復彎曲，預(yù)防導管彎曲處出現(xiàn)橢圓。三是單根導管的彎曲處不得超過4處，承受壓力脈動的導管圓度誤差應(yīng)≤6%，其他導管應(yīng)≤12%。

（5）做好導管維護保養(yǎng)。一是在維護工作中，不允許隨意拉壓、踩踏導管，更不能用金屬工具敲打?qū)Ч?。二是加強導管及卡箍固定情況的檢查，確保固定良好。三是當發(fā)現(xiàn)導管接頭漏油（氣），要分析原因，不允許單純用擰緊的方法排除，防止喇叭管口壁受擠壓變薄，強度減弱，甚至產(chǎn)生裂紋。四是要及時擦除導管表面的油污及塵土，注意保護導管保護層的完整；當導管脫漆時要及時補漆，雨后及時做好放水、通風、晾曬工作，防止水分、酸堿物質(zhì)對導管內(nèi)外部的侵蝕；為有效預(yù)防導管內(nèi)部腐蝕，注意保持油（氣）清潔，避免塵土、空氣和水分進入系統(tǒng)。另外，通電導線不允許捆扎在導管上，避免短路跳火擊穿導管。

4 結(jié)束語

綜上所述，飛機金屬導管的損傷主要是由于振動強烈、存在設(shè)計缺陷和維修不良等方面共同作用的結(jié)果，其中磨損是導管損傷的主要形式。導管損傷較易發(fā)生在振動強烈、壓力脈動大、導管間隙小、彎曲變形大和固定點等部位，如若管路系統(tǒng)被腐蝕和污染，加劇導管損傷，且不易發(fā)現(xiàn)，危害更大。經(jīng)理論分析和維修實踐表明，通過改進和優(yōu)化管路系統(tǒng)設(shè)計，并在維修工作中確保導管維修質(zhì)量，就可以有效預(yù)防導管損傷。