某型發動機操縱系統油門鋼索斷裂原因分析及改進設計

闞玉平

摘要：某型發動機油門鋼索在使用過程中出現斷裂故障，為消除隱患，徹底解決該類故障，需對鋼索受力情況進行詳細分析，并逐條排查可能造成鋼索斷裂的原因。最終確認鋼索斷裂原因為疲勞壽命低。通過增大滑輪直徑、改善鋼索扭轉趨勢等措施，大幅提升鋼索疲勞壽命，對改進設計措施進行了驗證，改進后驗證結果滿足使用要求。

Abstract： A certain type of engine throttle cable has a fracture failure during use. In order to eliminate hidden dangers and completely solve this type of failure， it is necessary to conduct a detailed analysis of the force of the steel cable， and investigate the possible causes of the cable fracture one by one. Finally， it was confirmed that the reason for the cable fracture was low fatigue life. Through measures such as increasing the pulley diameter and improving the torsion trend of the steel cable， the fatigue life of the steel cable was greatly increased， and the improved design measures were verified. After the improvement， the verification results meet the requirements of use.

關鍵詞：油門鋼索;斷裂;疲勞壽命

Key words： throttle cable;fracture;fatigue life

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0118-02

0? 引言

發動機操縱系統用來實現發動機的起動、變換工作狀態及操縱發動機停車工作。發動機的操縱由座艙內的操縱手柄，通過飛機上的操縱系統、主動滑輪搖臂將轉矩傳至主動滑輪，再經過鋼索系統將扭矩傳至凸輪撥叉組件上的滑輪，滑輪通過油門拉桿、凸輪撥叉組件、拉桿組件、停車拉桿等實現發動機油泵調節器油門搖臂、停車搖臂的協調同步聯動。

1? 發動機操縱系統簡介

某型發動機操縱系統是一個軟硬混合式傳動系統。飛行員在駕駛艙內對油門操縱手柄的操作，通過飛機機身上安裝的鋼索滑輪傳動系統、發動機短艙處的連桿機構傳遞到發動機上的油泵調節器的油門搖臂，控制油門開關的大小以及發動機燃油的供應與關閉。油門操縱手柄前退時，增油鋼索受拉，油門向供油量增加方向移動;油門操縱手柄后拉時，減油鋼索受拉，油門向油量減小方向移動。

2? 故障分析及定位

某型機在飛行著陸后檢查發現該架機左發增油鋼索斷裂，外場使用過程中也曾數次出現該部位鋼索斷絲。為徹底解決該故障，對飛機發動機操縱系統進行分析，認為可能造成鋼索斷裂的原因為鋼索接頭與通過孔干涉、鋼索接頭與擋銷干涉、鋼索接頭與滑輪槽口干涉、鋼索張力大、鋼索疲勞壽命低、鋼絲繩材料缺陷、制造安裝過程受損、腐蝕、鋼索與通過孔相磨、鋼索與擋銷相磨等10個底事件。

2.1 故障分析

2.1.1 底事件1：鋼索接頭與通過孔干涉

鋼索接頭與通過孔干涉時，鋼索運動受阻，會導致油門卡滯，操縱力明顯增大。此時操縱油門手柄，鋼索所受拉力會顯著增大，當鋼索所受拉力大于其最小破斷拉力時可能出現鋼索斷裂。經現場檢查，故障鋼索接頭完好，遠離通過孔，未發現與通過孔干涉現象，同時操作人員陳述，未出現操縱力增大現象。因此，該底事件可以排除。

2.1.2 底事件2：鋼索接頭與擋銷干涉

鋼索接頭與擋銷干涉時，鋼索運動受阻，會導致油門卡滯，操縱力明顯增大。此時操縱油門手柄，鋼索所受拉力會顯著增大，當鋼索所受拉力大于其最小破斷拉力時可能出現鋼索斷裂。經現場檢查，故障鋼索接頭完好，接頭遠離擋銷，未發現與擋銷干涉現象，同時操作人員陳述，未出現操縱力增大現象。因此，該底事件可以排除。

2.1.3 底事件3：鋼索接頭與滑輪槽口干涉

鋼索接頭與滑輪槽口干涉時，鋼索運動受阻，會導致油門卡滯，操縱力明顯增大。此時操縱油門手柄，鋼索所受拉力會顯著增大，當鋼索所受拉力大于其最小破斷拉力時可能出現鋼索斷裂。經現場檢查，故障鋼索接頭完好，接頭遠離滑輪槽口，未發現與滑輪槽口干涉現象，同時操作人員陳述，未出現操縱力增大現象。因此，該底事件可以排除。

2.1.4 底事件4：鋼索張力大

飛機發動機操縱鋼索張力可通過松緊螺套調整，當外界溫度為20℃時，鋼索張力為196N。隨著環境溫度的升高，鋼索張力增大。當鋼索張力增大至其最小破斷力時，可導致鋼索斷裂。對飛機油門鋼索張力在外場進行了多次測量，鋼索張力均在規定范圍內。因此，該底事件可以排除。

2.1.5 底事件5：鋼索疲勞壽命低

經地面檢查，發現左發增油鋼索在機身47框左側三角梁內轉向滑輪處于左發動機艙機身側壁下部轉向滑輪間斷裂。左發增油鋼索斷裂后，油門操縱手柄失效。左發油門操縱手柄在減油鋼索的張力作用下，向前移至起飛位，發動機燃油調節器油門搖臂在減油鋼索的張力和油門開關復位彈力作用下，向減小供油量的方向運動，直至發動機停車。

鋼索斷裂部分鋼絲末端呈散開狀，存在彎折變形，端口位置參差不齊，斷裂鋼絲斷口較為平齊，宏觀上可見明顯的疲勞弧線、放射棱線等典型疲勞斷裂特征，部分斷口上存在兩個或三個疲勞源;疲勞均始于鋼絲表面，包括鋼索外表面平面損傷部位及鋼絲與鋼絲之間的擠壓損傷部位。微觀可見清晰疲勞條帶特征，表明鋼索斷裂性質為疲勞斷裂。因此，該事件不能排除。

2.1.6 底事件6：鋼索材料缺陷

鋼絲繩本身材料差異較大，如果鋼絲材料雜質含量高、鋼絲繩加工質量低，會導致鋼索性能參數降低，長期工作后會出現鋼索斷絲現象。對出現斷絲的鋼絲繩進行全面復查，采購的鋼絲繩符合入廠復驗項目的規定。鋼絲繩的試驗方法與結果滿足相關規定。因此，鋼絲繩的采購、驗收項目、試驗方法和結果、保管和貯存符合相關要求。因此，該底事件可以排除。

2.1.7 底事件7：制造安裝過程受損

鋼索制造、保管、運輸及安裝過程中可能出現意外損傷，造成鋼索存在斷絲隱患。經生產現場檢查，鋼絲繩保管和貯存符合規定，可保證產品不被銹蝕、不變形和不被碰傷;油門鋼索的生產制造工藝文件內容完整、工序內容完整、要求明確、試驗數據正確，符合設計圖樣及技術文件的要求;油門鋼索的裝配及調整指令完整、流程正確，符合工藝、設計文件要求，不存在斷絲隱患。因此，該底事件可以排除。

2.1.8 底事件8：腐蝕

發動機油門操縱鋼索腐蝕會顯著降低鋼索使用壽命，在使用過程中易造成鋼索斷裂。通過對故障件鋼索進行檢查，鋼絲表面的保護層完好，未見腐蝕痕跡。因此，該底事件可以排除。

2.1.9 底事件9：鋼索與通過孔相磨

鋼索運功過程中，如果與結構通過孔相磨，會導致鋼索磨損，造成鋼索斷絲。現場檢查飛機，斷裂鋼索結構通過孔未發現磨損痕跡，鋼索斷裂部位遠離結構通過孔位置，復查多架機相同位置，鋼索與結構通過孔間隙均大于3mm，未發現磨損痕跡。因此，該底事件可以排除。

2.1.10 底事件10：鋼索與擋銷相磨

鋼索運動過程中，如果與結構擋銷相磨，會導致鋼索磨損，造成鋼索斷絲。現場檢查飛機，斷裂鋼索的擋銷未發現磨損痕跡。復查多架機相同位置，鋼索與擋銷間隙均在0.5mm～3mm范圍，符合設計要求。因此，該底事件可以排除。

2.2 故障定位

通過系統分析、油門鋼索制造符合型檢查、飛機現場檢查及故障件理化分析，可以排除油門鋼索接頭與通過孔干涉、鋼索接頭與擋銷干涉、鋼索接頭與滑輪槽口干涉、鋼索張力大、鋼索材料缺陷、制造安裝過程受損、腐蝕、鋼索與通過孔相磨、鋼索與擋銷相磨造成鋼索斷裂等原因。綜合分析，飛機機身左側轉向滑輪直徑偏小，鋼索與前后滑輪不共面，致使鋼索在？準19mm滑輪處受較大應力，長期使用導致疲勞斷裂，是導致此次油門鋼索斷裂的根本原因。

3? 改進設計方案

鋼索是由許多螺旋元組成的復雜構件，在工作時受力狀態較為復雜，鋼索拉伸與扭轉同時存在，主要受力包括預緊力、工作拉力、彎曲應力。鋼索的預緊張力在系統狀態確定后，基本保持不變;工作拉力只有當操縱發動機油門時才會產生，且是間歇出現的;彎曲應力是在轉向滑輪處，當鋼索與滑輪接觸后，由于鋼索的彎折而產生。發動機工作時，鋼索與滑輪由非接觸狀態到接觸狀態交替變化，所以鋼索的彎曲應力也是循環變化的。鋼索的彎曲應力與滑輪直徑成反比，滑輪直徑越小，鋼索的彎曲應力越高。針對鋼索受力情況及機上實際安裝情況，制定改進設計措施如下：

3.1 增大滑輪直徑

重新設計三角梁內滑輪支架、左右發動機艙內機身側壁下部滑輪支架。將左右三角梁內轉向滑輪由“？準34mm”、“？準35mm”、“？準46mm”、“？準52mm”均改為“？準56mm”。將左右發動機艙機身側壁下部轉向滑輪由“？準19mm”改為“？準56mm”并上移25mm，滑輪材料均選用酚醛塑料。通過以上改進，將發動機操縱系統轉向滑輪直徑均增大至50mm以上，有效減小了鋼索所受彎曲應力。

3.2 改善鋼索扭轉趨勢

將左右發動機末級滑輪由單輪改為雙輪，重新設計系統末級滑輪支架，保證從三角梁轉向滑輪出來的鋼索與末級滑輪共面，協調更改松緊螺套位置，減輕鋼索扭轉趨勢。

4? 改進驗證

為了驗證改進方案的正確有效，進行發動機操縱系統改進后油門鋼索疲勞壽命驗證試驗，分為機身47框處設計改進驗證試驗、全機狀態設計改進試驗和裝機試車驗證。

4.1 機身47框處臺架驗證

模擬機身47框處發動機操縱系統改進后機上安裝狀態，選取系統末級滑輪作為驅動輪。根據飛行中發動機實際使用工況。選取三種狀態進行試驗驗證：模擬發動機轉速從77%～87%油門鋼索行程進行試驗（試驗行程15°）;模擬發動機從0.42額定到額定狀態油門鋼索行程進行試驗（試驗行程45°）;模擬發動機從慢車狀態至起飛狀態油門鋼索行程進行試驗（試驗行程74°）。試驗結果表明：改進后左右機身47框處油門鋼索疲勞壽命均可達100萬次以上。

4.2 全機臺架驗證

模擬全機發動機操縱系統油門鋼索改進后機上安裝狀態，選取油門桿作為驅動輪。根據飛行中發動機操縱系統實際使用工況，模擬發動機從慢車狀態至起飛狀態油門鋼索行程進行試驗（試驗行程55°）。試驗結果表明：改進后全機油門鋼索疲勞壽命均可達72萬次以上。

4.3 裝機試車驗證

改進后對發動機操縱系統油門鋼索經調試、檢查，鋼索與滑輪的位置協調正確，鋼索與通過孔、周圍機件的間隙符合要求，油門桿運動靈活。進行發動機地面試車檢查，發動機操縱系統能正常操縱發動機起動、停車及轉換發動機工作狀態，發動機操縱系統跟隨性良好，左右發同步性滿足要求。

5? 結論

通過理論分析及試驗驗證，某型機油門鋼索斷裂原因為：三角梁內轉向滑輪直徑偏小，鋼索從機身47框左側三角梁內轉向滑輪，經左發動機艙機身側壁下部？準19mm轉向滑輪，到系統末級滑輪處，連續經歷空間異面轉向，油門鋼索在該處受拉伸力、彎曲應力以及扭轉力的符合作用，存在彎曲疲勞，易在鋼索與？準19mm轉向滑輪接觸處產生較大的交變應力，導致鋼索疲勞斷裂。通過將滑輪直徑增大，將左右發動機艙機身側壁下部轉向滑輪上移25mm;更改轉向滑輪與末級滑輪之間的松緊螺套位置，同時將系統末級滑輪由單輪改為雙輪聯動形式，可有效提高油門鋼索疲勞壽命。

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