基于試驗(yàn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱鋼索壽命研究

王 俊，盧 潤

（中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710089）

1 問題背景

某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)是一個(gè)軟硬混合式傳動(dòng)系統(tǒng)，飛行員通過對油門操縱手柄進(jìn)行操作，帶動(dòng)安裝在飛機(jī)機(jī)身上的鋼索滑輪傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油門開關(guān)聯(lián)動(dòng)，達(dá)到對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)控制的目的[1]。在使用過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)鋼索在某部位出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)失效，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常使用。為解決該問題，對失效部位鋼索使用壽命情況開展研究，探索操縱系統(tǒng)滑輪與鋼索在不同滑輪直徑與鋼索包角配合狀態(tài)下的使用壽命，得出一般規(guī)律，為后續(xù)制定改進(jìn)方案提供依據(jù)[2]。

2 斷口分析

操縱鋼索使用過程中拉伸與扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生，由于使用過程受力狀態(tài)較為復(fù)雜，容易造成損傷，具體表現(xiàn)出的失效形式為嚴(yán)重磨損、銹蝕、變形過量、疲勞、過載斷裂等[3]。因此，本研究首要任務(wù)是理清問題鋼索的失效原因。

對斷裂鋼絲檢查發(fā)現(xiàn)，其中一處斷裂位置發(fā)現(xiàn)鋼絲繞股中的一根繞絲斷裂，且一側(cè)斷絲翹起，另一處斷裂位置同一繞股中存在兩根斷絲，其中一根兩側(cè)均翹起，在斷絲處拆解后發(fā)現(xiàn)，該繞股的芯絲也存在一處斷絲，詳細(xì)情況見圖1。

圖1 失效部位鋼索斷絲形貌

將存在兩處斷絲的鋼索拆分清洗后，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)鋼絲表面可見輕微損傷傷痕，有明顯的磨損痕跡，在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，斷裂位置整體較平齊，源區(qū)均位于斷口相對應(yīng)的兩側(cè)邊緣，且從兩側(cè)擴(kuò)展的深度不同，見圖2。源區(qū)均位于斷口相對應(yīng)的兩側(cè)邊緣，說明鋼絲斷裂均是從兩側(cè)起源擴(kuò)展的；兩側(cè)擴(kuò)展的深度不同，一側(cè)較大，另一側(cè)較小，說明鋼絲斷裂過程中斷面面積較大的一側(cè)擴(kuò)展深度較大，斷面面積較小的一側(cè)擴(kuò)展深度較小，也說明鋼絲在使用過程中兩側(cè)受到的應(yīng)力大小或變形程度不同。

斷絲斷面發(fā)現(xiàn)斷裂有明顯疲勞特征，均是從兩側(cè)起源，繼而疲勞擴(kuò)展，未見冶金缺陷。綜合分析認(rèn)為：鋼索斷絲是在使用過程中產(chǎn)生的雙向彎曲疲勞斷裂，彎曲應(yīng)力為主要斷裂因素[4]。

圖2 斷口全貌

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

研究結(jié)果表明，鋼索的彎曲應(yīng)力與滑輪直徑成反比，滑輪直徑越小，鋼索的彎曲應(yīng)力越大[3]。確定鋼索斷裂形式為使用過程中產(chǎn)生的雙向彎曲疲勞斷裂后，結(jié)合已有研究結(jié)果，將滑輪直徑與鋼索包角這兩個(gè)對彎曲應(yīng)力影響最大的因素作為變量，設(shè)計(jì)試驗(yàn)定性研究鋼索疲勞斷裂情況。

通過梳理機(jī)上現(xiàn)有滑輪使用狀態(tài)，梳理出機(jī)上現(xiàn)有9 種常用滑輪直徑及其使用狀態(tài)下的常用包角，詳見表1，根據(jù)控制變量法，對包角狀態(tài)較多的直徑φ56 ㎜和直徑φ19 ㎜的滑輪做確定滑輪直徑，改變鋼索包角狀態(tài)的驗(yàn)證；對鋼索包角為90°的φ52、φ46 和φ35 滑輪做確定鋼索包角，改變滑輪直徑的驗(yàn)證；并對φ70 滑輪，包角180°做補(bǔ)充驗(yàn)證，以此來探索滑輪直徑及鋼索包角對鋼索使用過程中疲勞壽命的影響。

表1 測試滑輪狀態(tài)表

根據(jù)表1 中滑輪直徑及鋼索包角對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證在不同滑輪直徑及鋼索包角使用狀態(tài)下鋼索疲勞斷裂次數(shù)，試驗(yàn)相關(guān)要求如下：

（1）滑輪制造要求與機(jī)上一致，鋼索與其包角滿足裝機(jī)狀態(tài)要求。

（2）以鋼索上某點(diǎn)的一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)為一個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)記2 次彎曲疲勞。

（3）試驗(yàn)配備輔助滑輪用來轉(zhuǎn)向以保證鋼索在試驗(yàn)滑輪處的包角符合要求。

（4）每次試驗(yàn)開始前，根據(jù)圖3 確定鋼索張力，試驗(yàn)過程中，檢查張力值在圖3 試驗(yàn)溫度允許的中值和最大值之間不進(jìn)行調(diào)整，張力小于允許范圍時(shí)將張力調(diào)整至圖3 試驗(yàn)溫度允許的中值和最大值之間。

圖3 鋼索張力與溫度關(guān)系圖

（5）當(dāng)某滑輪處鋼索斷裂時(shí)，更換斷裂鋼索后繼續(xù)試驗(yàn)，后續(xù)不在考察，當(dāng)考察鋼索均斷裂或認(rèn)為無考察必要時(shí)結(jié)束該試驗(yàn)，按要求記錄每個(gè)滑輪處鋼索情況。

（6）鋼索檢查頻率：10 萬次內(nèi)每1 萬次檢查一次鋼索斷絲情況和張力；60 萬次以后每2.5 千次檢查一次鋼索斷絲情況和張力。

驗(yàn)證試驗(yàn)在設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)上開展，試驗(yàn)用儀器設(shè)備見表2，根據(jù)表1 中對應(yīng)關(guān)系，在試驗(yàn)臺(tái)上完成所有對應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)用儀器設(shè)備

4 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)以驗(yàn)證滑輪直徑-鋼索包角不同配合使用狀態(tài)下鋼索疲勞壽命為目的，針對不同組合開展驗(yàn)證，每次驗(yàn)證以鋼索出現(xiàn)斷絲為止（斷絲狀態(tài)見圖4），之后更換鋼索及試驗(yàn)狀態(tài)后繼續(xù)開展，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了“滑輪直徑相同，鋼索包角越大，疲勞壽命越短；鋼索包角相同，滑輪直徑越小，疲勞壽命越短”的定性疲勞分析結(jié)果，結(jié)果對后續(xù)制定改進(jìn)方案具有積極意義。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合飛機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)的要求統(tǒng)一分析，可對本次研究涉及的測試滑輪提出后續(xù)改進(jìn)意見，詳見表4。

表4 測試滑輪改進(jìn)意見表