PA44-180飛機油門鋼索固定鉚釘斷裂原因及預防措施

巴文亮 中國民航飛行學院新津分院

一、故障情況

2016年9月28日，國內某通航飛行學院PA44-180型飛機B-3592 飛機執行本場起落航線帶飛訓練，15:21飛機切過彭山機場高度900m調速時發現左發油門沒有響應，經過多次調整仍然沒有反應，左發動機功率始終保持在巡航功率（進氣壓力21英寸處）。機組報告塔臺：“3592左發油門操縱失效。”塔臺立即啟動應急預案，通知本場飛機脫離避讓，同時指揮該機在空域等待。該機到達本場進入五邊后，飛行指揮員指揮機組按照應急程序檢查單執行關閉左發程序實施單發著陸。15:59該機安全著陸滑回關車。后經機務檢查發現左發動機端固定油門鋼索支架四顆鉚釘全部斷裂（見圖1）。

圖1：鉚釘斷裂圖

二、原因分析

（一）斷口宏觀相貌

斷裂鉚釘表面基本完整，有輕微腐蝕及擠壓等損傷，但未見明顯磨損以及拉長等變形特征。斷裂位置均在釘頭截面過渡根部，斷口整體平坦，高差不大（見圖2）。四顆鉚釘通過固定支架鉚接在發動機汽化器進氣盒上，支架上部通過兩顆螺栓固定發動機油門鋼索。當操縱油門時，鉚釘將承受由油門操縱鋼索運動（或運動趨勢）所產生向上的應力，該應力對鉚釘形成了逆時針的力矩，最終在往復交變載荷下發生疲勞斷裂。

圖2：斷口宏觀相貌

（二）斷口微觀形貌

鉚釘斷口為多源斷裂特征。主源由多個小線源組成，位于斷口下方邊緣，起源于鉚釘頭截面過渡位置的表面，主源擴展區可見明顯的疲勞弧線特征。次源斷口上多處存在從邊緣起源的放射棱線，斷裂區可見二次裂紋形成間距較寬的疲勞條帶，邊緣為窄小的剪切韌窩瞬斷區（見圖3）。

圖3：斷口微觀形貌

（三）鉚釘斷裂結論

從外觀上看，通過能譜分析可知四顆鉚釘均為鎂鋁合金材料（見圖4），鉚釘表面與固定支架接觸位置未見明顯磨損痕跡，并無明顯塑性變形，說明鉚釘與支架不存在磨損等異常情況。鉚釘上承載的應力主要來至油門鋼索的運動產生的應力，應力方向朝著鉚釘頭方向。由于該應力是由固定支架傳遞于鉚釘上的，相當于一個逆時針的力矩作用；從數據分析上看，鉚釘斷裂于釘頭與釘身的截面過渡位置，斷口交平坦，高差不大。斷口均為多源特征，由多個小的線源組成，斷口上可見疲勞弧線特征，且間距較寬，應力較大。綜上所述鉚釘的斷裂原因為發動機油門鋼索在往復操作時因交變載荷作用造成四顆鉚釘大應力疲勞斷裂。

圖4：鉚釘材料能譜分析圖

三、PA44-180飛機鉚接工藝

機體構件通常都采用鉚接修理。鉚接修理是在構件損壞，用鉚釘（叫做結合件）鉚上一塊材料（叫做接補件），來使構件恢復承載能力的。以原構件損傷處斷面的破壞載荷為依據來計算補接件和結合件，使補接件和結合件的強度等于原構件的強度。如果修理后修理部件的強度低于原構件的強度，那將在構件承受載荷時可能因為修理部位首先損壞而使整個構件失去作用；反之，修理部件的強度大大超過原構件的強度，不僅會增大飛機的結構重量，還會引起局部剛度過大而使構件產生損壞?？傊?，鉚接修理應按照等強度原則修復，即補接件、結合件和原構件三者的強度是相等的。PA44-180飛機具體鉚接工藝如下：

1.清潔鉚接件：去除鉚接件內外表面的滑油、油漆、銹蝕和灰塵等。

2.選擇鉚釘：根據鉚接件的材質、厚度和安裝位置確定采用的鉚釘類型。

3.確認鉚接形式：根據鉚接部位的不同，確定所采取的鉚接形式；根據鉚接件受力情況的分析，確定鉚釘的鉚距、邊距和排距。

4.拆除舊鉚釘：用中心沖在鉚釘頭上沖出一個中心眼，選擇直徑小于鉚釘柄的鉆頭，將鉚釘頭鉆掉，鉆孔深度以鉚釘頭的高度而定。用直徑小于鉚釘柄的沖子輕輕地將鉚釘柄沖出。鉚釘去除后，更換鉚釘時，要求使用與拆下件相同的鉚釘。更換埋頭鉚釘時，應使用相同類型和埋頭角的鉚釘。當鉚釘孔被拉長時，變形或其他損傷時，使用緊鄰的較大號碼的鉚釘作為替換。不能用強度偏低的材料制作鉚釘。

5.鉆孔：在鉚接件上需要鉚接鉚釘的位置鉆孔，以便插入鉚釘。孔徑的大小應比鉚釘柄直徑大。

6.鉚接：將鉚釘插入鉚釘孔，使用頂鐵和手錘等工具進行鉚接。鉚接過程中注意合理安排鉚釘墱頭的布置，控制錘擊的力量和速度，防止鉚接件的變形。

7.鉚接后質量檢查：包括蒙皮表面不準有劃傷、壓坑，接縫間隙要合乎規定；鉚釘孔徑應合乎規定，埋頭窩孔深淺度和埋頭鉚釘角度應合適；鉚釘桿不應過長或過短，墱頭的高、低和直徑的大、小應合乎規定，以及墱頭不應有裂紋和偏斜。

四、防鉚釘松動預防措施

鉚釘的正常鉚接情況如圖5-a所示。當構件承受載荷P時，鉚釘桿與鉚孔之間產生擠壓力P1，鉚釘頭與埋頭窩之間產生擠壓力P2（見圖5-b）。鉚釘頭在P2力的作用下向上移動，而鉚釘桿與鉚孔不易變形，因此構件的載荷P作用力主要在鉚桿和鉚孔上。鉚孔因受擠壓面積較小，在長時間承受較大擠壓力時將擴大成橢圓形而造鉚釘成松動。松動了的鉚釘在重復載荷作用下釘頭會產生裂紋，如不及時修理最終將導致鉚釘剪斷發生（見圖5-c）。

圖：5-c

不同的飛機容易出現鉚釘松動的部位不完全一樣，但總體來說，鉚釘松動多發生在受力較大的蒙皮、變形較大的構件、以及鉚接質量較差的部位。例如，在加強肋與翼梁腹板、蒙皮的連接處、起落架安裝處以及部分連接支架等位置鉚釘就比較容易發生松動。鉚釘的松動或脫落會使飛機表面變得粗糙，并使蒙皮等部件的固定變差，容易產生變形。此外，一部分鉚釘松動或脫落將使其他鉚釘受力增大，最終造成其他鉚釘的松動和脫落。為了防止鉚釘松動，在修理工作中應保證鉚接質量符合要求。經驗表明，鉚釘松動后鉚釘頭與埋頭窩將因摩擦而產生金屬粉末，這種粉末與污染物會附在鉚釘頭與鉚孔之間的縫隙內而呈現黑圈，或在背氣流的一邊形成黑色尾跡。因此，檢查飛機時如果發現鉚釘周圍有黑圈或尾跡，表明該鉚釘已經開始松動；如果鉚釘頭已突出構件表面，或發生卷邊翹起現象則表明鉚釘松動已經很嚴重了。對于松動的鉚釘應及時按規定更換，一般不允許把原鉚釘重新打緊。因為對于已經產生永久變形的鉚釘進行敲打，不僅難以恢復其原形而且還會加速其損壞。

五、結束語

飛機之所以更多的采用鉚接技術主要是由飛機本身的制造材料、飛機特殊的工作性質、飛機蒙皮薄度、飛機的重量等因素決定的。其次飛機的運行速度高、空間大等特點，對其可靠性提出了嚴苛要求。鉚釘以其工藝簡單、便于拆卸、可靠性強等特點，得以在飛機上大顯身手。因此，現在飛機結構修理的主要手段仍然是鉚接。