關(guān)于某型飛機(jī)門框壁板故障的分析研究

鄒林飛，丁先良，付慧橋，于德俊

（1.江西洪都商用飛機(jī)股份有限公司，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

某型飛機(jī)是我國首款按照最新國際適航標(biāo)準(zhǔn)研制的大型客機(jī)，其中前機(jī)身和中后機(jī)身在航空工業(yè)某主機(jī)廠裝配。本文分析了某型飛機(jī)后登機(jī)門門框壁板故障產(chǎn)生的原因并提出了解決方案。

1 故障發(fā)生和檢查情況

在某型飛機(jī)某架后登機(jī)門門框壁板下架轉(zhuǎn)站位過程中，發(fā)生前邊框與起吊接頭連接處撕裂破損，進(jìn)而引起門框壁板墜落，造成后登機(jī)門門框壁板前、后邊框和部分零件受到不同程度的損傷。

故障發(fā)生后，對后登機(jī)門門框壁板進(jìn)行了全面檢查，產(chǎn)品損傷情況如下：

1）STGR9_LH～STGR10LH 長桁之間、齒形板某處，前邊框某腹板上有2 處破損（見圖1），其中損傷處1大小為50mm×20mm，損傷處2 大小為50mm×50mm；

2）長桁STGR9_LH～STGR10LH 之間、齒形板某處，后邊框某腹板面在緊固件孔處出現(xiàn)局部鼓包（鼓包向航向方向凸起、凸起量約1.5mm），詳見圖2；某后邊框損傷后，該緊固件實(shí)測孔徑φ6.35mm（理論孔徑φ6.35mm）；

圖2 后邊框受損情況

3）某副檻梁緣條在FR68 框前270mm 處有一長16mm 的裂紋，詳見圖3；

圖3 某副檻梁緣條受損情況

4）其他受損零件：某隔板在FR68 框前320mm處有一50mm×20mm×5mm 的變形，隔板5364C27005G71在FR68 框前340mm 處有一10mm×5mm×1mm 的變形，某隔板在FR68 框前370mm 處有一20mm×10mm×3mm 的變形，詳見圖4。

圖4 其他零件受損情況（典型）

除以上零件受損，未發(fā)現(xiàn)門框壁板其他零件有塑性變形、裂紋及其他損傷。為進(jìn)一步確認(rèn)產(chǎn)品損傷狀況，在門框壁板的后續(xù)排故過程中，也安排了相應(yīng)的檢查，檢查部位與結(jié)果如下：

1）拆除受損的前邊框后，對前邊框與蒙皮在STGR9_LH～STGR12_LH 長桁之間貼合區(qū)域向外擴(kuò)展50mm 范圍內(nèi)及前邊框與蒙皮貼合區(qū)域的蒙皮和加強(qiáng)墊板進(jìn)行了探傷檢查。檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2）對后邊框故障處按裝配規(guī)范核實(shí)孔徑并進(jìn)行探傷。檢查結(jié)果：孔徑合格，產(chǎn)品無裂紋。

2 故障問題核查

為查清故障產(chǎn)生原因，從產(chǎn)品吊裝方式、生產(chǎn)過程等方面進(jìn)行了全面核查。

2.1 吊裝方式核查

M 架后登機(jī)門門框下架借用產(chǎn)品前、后邊框上的齒形板安裝孔，分別與起吊接頭螺栓連接，采取吊具鋼索斜拉起吊接頭吊環(huán)的方式，見圖5。

圖5 M 架后登機(jī)門門框吊裝方式示意圖

2.2 生產(chǎn)過程核查

故障發(fā)生當(dāng)日，裝配班組按裝配工藝指令的工序“將壁板組件起吊下架，放置在后登機(jī)門門框壁板架外補(bǔ)鉚架上”要求，對M 架后登機(jī)門門框壁板執(zhí)行下架轉(zhuǎn)站位操作。

具體過程如下：

1）將吊具的兩個(gè)起吊接頭分別安裝在后登機(jī)門門框壁板前、后邊框齒形板的孔位上，并用螺栓固定；

2）將吊具鋼索掛鉤掛在起吊接頭吊環(huán)上，啟動行車預(yù)拉緊吊具鋼索并目測至拉直狀態(tài)；

3）松開門框壁板上各類約束，將產(chǎn)品由型架橫向推出，使產(chǎn)品與工裝脫離；

4）啟動行車進(jìn)行產(chǎn)品起吊下架。

3 產(chǎn)品起吊點(diǎn)分析

3.1 起吊點(diǎn)位置合理性分析

起吊點(diǎn)的選擇是產(chǎn)品起吊整體技術(shù)方案的一部分，是結(jié)合產(chǎn)品起吊整體技術(shù)方案的技術(shù)可行性、實(shí)施安全性及操作便捷性進(jìn)行綜合評估后確定的。門框壁板齒形板位于產(chǎn)品重心垂直面上，選擇其作為門框壁板起吊點(diǎn)可保證起吊時(shí)不因翻轉(zhuǎn)而導(dǎo)致產(chǎn)品與工裝相磕碰。

3.2 起吊位置有限元仿真

通過有限元仿真在前邊框起吊接頭處施加一定載荷，框腹板面的應(yīng)力與應(yīng)變最大位置均位于起吊接頭下部螺栓安裝孔處（詳見圖6、圖7），即前邊框起吊接頭孔1 位置（詳見圖8）。最大主應(yīng)力為152.49MPa，最大變形0.1997mm。門框材料為7050，σb=510MPa,約為最大主應(yīng)力的3.44 倍[1-3]。

圖6 后登機(jī)門門框腹板最大主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7 后登機(jī)門門框腹板位移云圖（單位：mm）

圖8 后登機(jī)門前邊框起吊孔位

3.3 起吊位置受力計(jì)算

吊環(huán)接頭受力分析如圖9 所示，鋼索載荷為F，鋼索與鉛垂面夾角為θ，則：

圖9 吊環(huán)受力分析

Fx 由四個(gè)螺栓受拉傳遞，F(xiàn)y 由四個(gè)螺栓受剪傳遞，F(xiàn)x、Fy 產(chǎn)生的偏心力矩由螺栓拉壓傳遞。

Fy產(chǎn)生的偏心力矩按圖10 坐標(biāo)系分解，則：

Fx產(chǎn)生的偏心力矩按圖10 坐標(biāo)系分解，則：

圖10 接頭螺栓示意圖

總的力矩為：

針對孔1 位置單獨(dú)受力進(jìn)行計(jì)算：

x 方向載荷：

y 方向載荷：

參考 《實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)》306頁9.9.2 式可知,螺栓孔處剪應(yīng)力應(yīng)滿足：τ≤τb。

其中

上式中：

τb—材料許用極限剪應(yīng)力；

λ—接頭系數(shù)；

K—假設(shè)有效系數(shù)；

D—螺栓頭直徑；

P—螺栓拉伸載荷；

δ—連接板厚度。

由各螺栓受載分析可知,1 號螺栓x 方向受載最為嚴(yán)重，取該處進(jìn)行分析：

將f1x代入,可得鋼索極限載荷：

實(shí)際起吊鋼索與鉛垂面夾角θ=7.35°，登機(jī)門起吊接頭h=61.8mm；β=38.215°；a=110.8mm；b=27mm；門框材料為7050，τb=294MPa；λ 取1.15；考慮螺栓頭有旋轉(zhuǎn)，K 取0.5；D 為9.1mm；δ 為2.0mm。

則鋼索極限載荷為：

根據(jù)實(shí)際起吊方式，計(jì)算得出產(chǎn)品起吊鋼索載荷F 承載極限為6398N，約為產(chǎn)品自重（150kg）的4.2倍。由受力計(jì)算公式可知，加大D 值（即螺栓頭與腹板接觸面積）、減小起吊接頭吊環(huán)懸出量可提高起吊極限載荷。

4 故障原因分析

通過對產(chǎn)品故障問題的核查及起吊點(diǎn)位置受力的分析，可基本還原故障的產(chǎn)生過程：

M 架后登機(jī)門門框壁板下架時(shí)，由于起吊行車難以保證處于兩吊環(huán)掛點(diǎn)的中心位置，而鋼索的結(jié)構(gòu)形式無法調(diào)節(jié)對中，連接前邊框上起吊接頭吊環(huán)的鋼索長度比連接后邊框的鋼索長度短；在啟動行車預(yù)拉緊鋼索的過程中，當(dāng)連接后邊框的鋼索處于拉直狀態(tài)時(shí)，前邊框吊環(huán)位置處連接鋼索的斜向上的預(yù)緊力F已足夠大（見圖11），并可能已引起吊環(huán)在圖11①處產(chǎn)生斜向上的位移，通過螺栓的拉力導(dǎo)致該處腹板撕裂（見圖1 中“損傷處2”）；繼而引起位置②處吊環(huán)向前邊框腹板擠壓產(chǎn)生剪切力，該處腹板受到剪切力后形成一個(gè)切口（見圖1 中“損傷處1”）；前邊框腹板在②處受擠壓的同時(shí)，通過螺栓傳遞的拉力，在位置③處受到斜向上的拉力，最終導(dǎo)致該處腹板撕裂缺損（見圖1 中“損傷處1”）；當(dāng)前邊框受斜向上的預(yù)緊力F 足夠大時(shí)，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的傳遞，后邊框在起吊接頭螺栓連接處亦受力過大而引起局部變形（見圖2 中“損傷處3”）。

圖11 起吊接頭示意圖

當(dāng)連接前、后邊框的鋼索均處于拉直狀態(tài)后，操作人員將產(chǎn)品從裝配工裝推出，產(chǎn)品完全脫離工裝的舉托限制時(shí)，已受損破裂的前邊框徹底撕開；門框壁板因前邊框一側(cè)完全脫開而失穩(wěn)，并從前邊框一側(cè)墜落與裝配工裝相碰，造成4 個(gè)零件受到不同程度的損傷。

綜上所述，M 架后登機(jī)門門框壁板故障產(chǎn)生應(yīng)在啟動行車預(yù)拉緊吊具鋼索并目測至拉直狀態(tài)的階段。故障產(chǎn)生的直接原因是行車預(yù)拉緊吊具鋼索過程中，兩側(cè)鋼索長度不一致，導(dǎo)致單邊鋼索受力過大而產(chǎn)生。故障產(chǎn)生的根本原因是吊具設(shè)計(jì)的起吊技術(shù)方案不合理，主要表現(xiàn)在：

1）起吊過程中，操作人員啟動行車預(yù)拉緊吊具鋼索并目測至拉直狀態(tài)，僅憑目測鋼索拉直程度，無法判斷預(yù)緊力大小；

2）起吊接頭與產(chǎn)品之間通過螺栓連接，螺栓頭與產(chǎn)品接觸面積有限，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；

3）連接前、后邊框上起吊接頭吊環(huán)鋼索的結(jié)構(gòu)形式無法調(diào)節(jié)對中，容易造成單邊受力。

5 已交付產(chǎn)品復(fù)查

N 架后登機(jī)門門框?yàn)槭状纹鸬酰捎谩鞍鼛дw捆扎+人工”方式起吊，未使用專用吊具。K 架和P 架采用“專用起吊接頭+包帶”方式起吊，未使用鋼索。由于包帶非專用吊具，故采用包帶起吊是在專用吊具交付使用前的應(yīng)急方案，在使用包帶起吊時(shí)，因包帶較鋼索達(dá)到繃直狀態(tài)所需的力要小，故K 架和P 架采用“專用起吊接頭+包帶”的起吊方式未導(dǎo)致產(chǎn)品損傷的問題發(fā)生。

莊大善人聽有“血光之災(zāi)”，額上的汗就冒了出來。他是想到了當(dāng)漢奸的胞弟莊槐。日本人在中國奸淫燒殺，無惡不作，人人得而誅之。胞弟竟助紂為虐，觸犯眾怒，必然身處險(xiǎn)境。風(fēng)傳新四軍深入敵后除惡鋤奸，莫非胞弟會給莊氏一族招來殺身之禍？

產(chǎn)品起吊下架為產(chǎn)品制造的中間環(huán)節(jié)，產(chǎn)品下架后還需對產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)鉚，且拆除起吊接頭，在起吊接頭安裝處安裝齒形板前后還需對該部位進(jìn)行檢查，已交付的前三架份齒形板均安裝正常，故已交付的產(chǎn)品不存在問題隱患。

6 產(chǎn)品故障排除

針對M 架后登機(jī)門門框壁板損傷情況，工藝人員編制了《M 架后登機(jī)門門框壁板組件排故工藝技術(shù)方案》并通過相關(guān)專業(yè)人員評審，評審認(rèn)為：“該方案對問題產(chǎn)品排故前指定的檢查部位充分，針對故障零件報(bào)廢、返工的處理原則合理，制定的報(bào)廢零件更換工藝步驟可行，返工零件處理符合程序要求，產(chǎn)品排故后檢查要求明確，該方案可指導(dǎo)問題產(chǎn)品的排故實(shí)施”。

在排故方案評審?fù)ㄟ^之后，編發(fā)了《后登機(jī)門門框前邊框等零件拆除》補(bǔ)充指令及《后登機(jī)門門框前邊框等零件故障處理》補(bǔ)充指令對后登機(jī)門門框前邊框故障進(jìn)行了處理；針對后登機(jī)門門框后邊框故障，提交工程處理，工程處理意見為：新增兩個(gè)特制件進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

7 起吊技術(shù)方案改進(jìn)

7.1 起吊點(diǎn)的選擇

后登機(jī)門門框壁板起吊時(shí)仍選取前、后邊框STGR9-STGR10 長桁之間齒形板位置為起吊點(diǎn)，因?yàn)樵撐恢锰幱诋a(chǎn)品重心的垂直平面內(nèi)，起吊時(shí)產(chǎn)品不會因重心與起吊點(diǎn)不在同一平面內(nèi)而發(fā)生偏擺。

7.2 吊具的改進(jìn)

后登機(jī)門門框壁板的起吊吊具用吊帶垂直起吊式替換了鋼索斜拉式，且在行車與吊具間增加測力器。如圖12 所示。

圖12 改進(jìn)后起吊方式示意圖

1）改進(jìn)后吊具的起吊點(diǎn)與產(chǎn)品的重心位置保持在同一平面內(nèi)，將斜拉起吊改為垂直起吊，既便于起吊過程中產(chǎn)品保持平穩(wěn)，也便于起吊時(shí)兩側(cè)受力保持一致；

2）將原有的鋼索結(jié)構(gòu)改為吊帶形式，在起吊預(yù)緊時(shí)既便于達(dá)到繃直狀態(tài)，也便于判斷；

3）在螺栓與產(chǎn)品間增加鋼質(zhì)墊板（墊板與產(chǎn)品面加粘橡皮），增大了螺栓與產(chǎn)品的接觸面積，緩解了在起吊接頭螺栓連接處的應(yīng)力集中；

7.3 吊具改進(jìn)后起吊點(diǎn)受力分析

采用新的起吊方案后，后登機(jī)門門框壁板被垂直起吊，此時(shí)θ=0°，螺栓與門框壁板連接處增加一塊厚度5mm，倒角R=5mm 的墊塊，K 取0.5，D 取30mm，δ為2.0mm。由后登機(jī)門起吊接頭可知，h=61.8mm、β=38.215°、a=110.8mm、b=27mm；門框材料為7050，τb=294MPa、λ 取1.15。

則產(chǎn)品單邊極限載荷：

起吊方式改進(jìn)后的極限載荷為21646N，約為產(chǎn)品自重（150KG）的14.5 倍，且改進(jìn)的起吊方式避免了單邊受力，起吊時(shí)安全系數(shù)更大。

7.4 吊具改進(jìn)后的有限元仿真

依據(jù)修改后吊具的受力情況，導(dǎo)入改進(jìn)后的吊具數(shù)模，在前邊框起吊接頭處施加一定載荷，框腹板面的應(yīng)力與應(yīng)變最大位置仍然位于起吊接頭下部螺栓安裝孔處（詳見圖13、圖14），即前邊框起吊接頭孔1位置（詳見圖8）。最大主應(yīng)力為47.56MPa，最大變形0.038mm。門框材料為7050，τb=510MPa,約為最大主應(yīng)力的10.72 倍。依據(jù)改進(jìn)后后登機(jī)門門框腹板的有限元仿真分析結(jié)果，改進(jìn)后吊具的安全性有了較大的提升。

圖13 吊具改進(jìn)后后登機(jī)門門框腹板最大主應(yīng)力云圖

圖14 吊具改進(jìn)后后登機(jī)門門框腹板最大位移云圖

8 驗(yàn)證試驗(yàn)

8.1 改進(jìn)后起吊驗(yàn)證

現(xiàn)場采用改進(jìn)后的起吊方案在M 架后服務(wù)門門框下架進(jìn)行了驗(yàn)證，起吊過程較原起吊方式在產(chǎn)品平穩(wěn)度、操作便捷性和安全性等方面均有較大提升，滿足門框壁板起吊需求。產(chǎn)品下架后，立即對產(chǎn)品起吊接頭處的孔徑尺寸和腹板面平整度進(jìn)行了檢查，滿足要求。

8.2 開展起吊預(yù)緊許用力試驗(yàn)

針對改進(jìn)后的起吊驗(yàn)證中吊帶繃緊無量化數(shù)值的問題，在后登機(jī)門門框壁板裝配工裝上，選取前、后邊框零件模擬實(shí)際情況進(jìn)行定位裝夾，并在邊框上安裝起吊接頭，通過改進(jìn)后的起吊吊具及拉力測力器垂直拉升起吊接頭，實(shí)測吊帶至繃緊狀態(tài)時(shí)測力器數(shù)值為700N，遠(yuǎn)小于產(chǎn)品單邊極限載荷。后續(xù)架次將在指令中明確門框壁板起吊預(yù)緊許用力控制在700～800N范圍內(nèi)，保證起吊安全。

8.3 開展起吊預(yù)緊許用力試驗(yàn)

為驗(yàn)證受力分析極限載荷所使用的計(jì)算公式準(zhǔn)確性，通過模擬原起吊工況條件，開展某型飛機(jī)后登機(jī)門門框壁板邊框起吊點(diǎn)許用力及破壞力試驗(yàn)，試驗(yàn)安裝簡圖如圖15 所示。

圖15 試驗(yàn)安裝簡圖

按試驗(yàn)技術(shù)方案，在加力絲桿加載至N1（3000N）時(shí)，目測檢查試驗(yàn)件表面未產(chǎn)生塑性變形；繼續(xù)加載至N2（6400N）時(shí)，目測檢查試驗(yàn)件表面未產(chǎn)生塑性變形；在加載至10000N 過程中，自加載至8000N 始，試驗(yàn)件有響聲，加載至10000N 時(shí)，響聲劇烈，并立即停止加載，卸載后目測檢查試驗(yàn)件表面未產(chǎn)生塑性變形和裂紋，滲透探傷也未發(fā)現(xiàn)裂紋。

通過破壞力試驗(yàn)，驗(yàn)證了受力分析極限載荷所使用的計(jì)算公式偏保守，原起吊方式理論鋼索極限載荷為6398N，實(shí)際加載至10000N 時(shí)，試驗(yàn)件仍未產(chǎn)生塑性變形和裂紋。由此可推，起吊方式改進(jìn)后采用相同計(jì)算公式所得理論極限載荷21646N 同樣為保守計(jì)算值，在規(guī)定起吊預(yù)緊許用力值條件下，起吊時(shí)安全系數(shù)將更大。

9 結(jié)語

本文對某型飛機(jī)M 架后登機(jī)門門框壁板起吊下架前邊框撕裂故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，論證了起吊點(diǎn)的選擇并對起吊點(diǎn)進(jìn)行了極限載荷受力分析，通過極限載荷計(jì)算公式對起吊方案進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后的起吊方案在M 架后服務(wù)門門框壁板進(jìn)行了起吊下架驗(yàn)證。驗(yàn)證分析表明，改進(jìn)后的起吊方案能夠滿足門框壁板起吊要求，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量。