劉力

摘 要：該文分析了Cessna172R飛機剎車作動筒活塞桿在操作中的受力情況，斷裂原因，結(jié)合實例說明了疲勞損傷的特性以及對航空器安全的影響，并對活塞桿的疲勞損傷提供預防參考措施，對其今后的維護工作提出參考方法。

關(guān)鍵詞：疲勞損傷 活塞桿 應(yīng)力突變 時控件

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0066-02

疲勞損傷在航空領(lǐng)域一直是難題，而且危害性極大。某日，一架Cessna172R飛機在滑行過程中，機組反映左剎車失效，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該機左剎車作動筒活塞桿與叉形接頭連接的螺紋根部斷裂。

1 受力分析

1.1 活塞桿的運動分析

Cessna172R飛機剎車作動筒活塞桿在飛行操作中主要表現(xiàn)為兩種運動：一種是活塞桿在剎車作動筒內(nèi)的上下往復運動，主要表現(xiàn)在剎車操作時；另一種是活塞桿帶動剎車作動筒的前后來回轉(zhuǎn)動，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)向操作時。而在實際操作中，活塞桿往往是作這兩種運動的復合運動，即腳蹬作動時是伴隨著剎車和轉(zhuǎn)向這兩個過程，如圖1。

1.2 活塞桿的受力分析

通過活塞桿的運動分析可以看出，在操作時其主要受到兩種力的作用：一種是壓應(yīng)力，主要表現(xiàn)在剎車操作時；另一種是彎曲應(yīng)力，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)向操作時。實際操作中，活塞桿是同時受這兩種力的作用，并且在長期往復的操作中，作用力的大小、位置、方向不斷變化，如圖2。

2 疲勞損傷

2.1 疲勞損傷的特點

疲勞損傷是指由于重復荷載作用而引起的結(jié)構(gòu)材料性能衰減的過程，是循環(huán)載荷過程中的損傷累積，表現(xiàn)為疲勞裂紋的發(fā)生、發(fā)展、形成宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過程。

疲勞損傷的特點：載荷應(yīng)力是交變的；載荷的作用時間較長；斷裂是瞬時發(fā)生的。對于航空器，尤其是在操縱系統(tǒng)等重要結(jié)構(gòu)上，這種突發(fā)的不可預期的破壞是災(zāi)難性的。

2.2 材料疲勞特性

材料的疲勞特性可以分為低周疲勞、高周疲勞和無限壽命三種。低周疲勞階段，材料所受的交變應(yīng)力較大，所以發(fā)生破壞時，循環(huán)次數(shù)較少，并有塑性變形；高周疲勞階段，材料所受的交變應(yīng)力較小，在經(jīng)過較多的循環(huán)次數(shù)后總會發(fā)生破壞；無線壽命階段，材料所受的交變應(yīng)力很小，低于材料的持久疲勞極限應(yīng)力，無論應(yīng)力循環(huán)多少次，材料都不會被破壞。

2.3 活塞桿疲勞斷裂分析

通過對多架次的Cessna172R飛機剎車動作筒活塞桿的檢查和飛行數(shù)據(jù)統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，當飛行空中時間和空地時間分別在 5000小時及以上，起落次數(shù)在10000次及以上時，活塞桿發(fā)生塑性變形的可能性較大?？梢?，活塞桿是在低周疲勞階段，受到的交變應(yīng)力較大，破壞時相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)較少。同時也反映出操作人員在長期操作中有使用不當和用力過猛的情況。塑性變形如圖3：

在對發(fā)生斷裂的活塞桿的失效分析報告當中可以看出，變形和斷裂一般是發(fā)生在第一螺紋根部，從上面的受力分析可以知道，這里的橫截面發(fā)生突變，由應(yīng)力公式：

P=F/A（P：截面瞬時平均應(yīng)力）

可知，當橫截面A變小時，應(yīng)力P會增大，這就導致了應(yīng)力突變和應(yīng)力集中的發(fā)生。而疲勞裂紋和疲勞斷裂就常發(fā)生在形狀結(jié)構(gòu)急劇變化的會產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域。

在對斷裂斷口的分析中可以看出，斷口平坦細膩，上面有主、次兩個疲勞區(qū)，有明顯的疲勞弧線和疲勞條帶特征。由此也可以看出活塞桿的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，其斷裂與活塞桿所受的雙向彎曲應(yīng)力有關(guān)。如圖4。

3 預防維護

目前國內(nèi)外應(yīng)對航空器疲勞損傷的研究和分析主要是在航空新型材料的研究設(shè)計，航空器結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計等方面。對于機務(wù)一線人員來講，要掌握正確的預防維護方法和措施來減少和避免航空器結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的由于疲勞損傷而導致的材料斷裂、系統(tǒng)失效的發(fā)生。

3.1 無損檢測

對長期受到較大的交變應(yīng)力作用的部件，應(yīng)定期檢測其使用和磨損情況，對于疑似有塑性變形和裂紋的地方，可以通過磁粉或者滲透等無損檢測方法進行檢測監(jiān)控。

3.2 活塞桿預防維護參考措施

在剎車或轉(zhuǎn)向時按照規(guī)范操作，動作柔和，盡量避免在短時間內(nèi)頻繁的操作系統(tǒng)；將活塞桿檢查加入定期維護工作中以加強監(jiān)控；對于飛行空中時間和空地時間分別在5000小時及以上，起落次數(shù)在10000次及以上的飛機進行重點檢查監(jiān)控；考慮將活塞桿列入時控件并定期更換檢測；詢問飛機廠家改進的設(shè)計方案，改進材料的使用方案和改進的操作、維護方案等。

4 結(jié)語

本文通過Cessna172R飛機左剎車失效的故障，了解了故障的原因是剎車活塞桿的斷裂，分析了活塞桿在工作中的運動和受力情況，得出了其斷裂是由于疲勞損傷造成的結(jié)論。最后針對活塞桿的維護，從規(guī)范操作和加強檢查監(jiān)控等方面提出了一些參考建議，希望對以后的維護工作有參考意義。對于文章中的錯誤以及不妥之處，敬請閱者提出批評、建議，以便修改。

參考文獻

[1] 《Cessna172R飛機維護手冊》.

[2] 航空安全技術(shù)中心活塞桿失效分析報告.

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[4] 陳傳堯.疲勞和斷裂[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

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[6] 無損檢測基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.