張宇慶

摘 要：在飛行訓(xùn)練中，Cessna 172R飛機(jī)轉(zhuǎn)彎會(huì)在地面滑行階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎遲滯或不能轉(zhuǎn)向的故障，從而導(dǎo)致飛機(jī)偏出跑道的情況發(fā)生，嚴(yán)重影響飛行安全。本文通過(guò)介紹一起Cessna172R飛機(jī)偏離跑道事件，深入分析Cessna172R飛機(jī)轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒原理和失效的原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Cessna 172R飛機(jī)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)排故和預(yù)防故障有一定意義。

關(guān)鍵詞：Cessna172R;轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒;失效;磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：V226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0098-02

0 引言

某單位一架CESSNA 172R飛機(jī)在落地滑行時(shí)，向左偏出跑道，機(jī)組反映右蹬右腳蹬無(wú)反應(yīng)，對(duì)影響飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的所有部件進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)會(huì)影響飛機(jī)轉(zhuǎn)彎和剎車(chē)功能的故障或缺陷存在，隨后懷疑轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒內(nèi)部可能存在故障，導(dǎo)致右轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒內(nèi)彈簧卡阻，出現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎遲滯。本文通過(guò)對(duì)比故障轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒和全新轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒的各參數(shù)、性質(zhì)，分析轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒失效的原因，并提出預(yù)防措施。

1 轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)和原理

Cessna 172R飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒為“半剛性”連接件，后端連接于座艙內(nèi)腳蹬扭力管，前端接頭連接于前起落架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其構(gòu)造和轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒拉桿、彈簧在不同狀態(tài)下的正常位置如圖1所示，正常拉桿可以在外筒內(nèi)移動(dòng)，安裝時(shí)要求拉桿在伸出位，同時(shí)不能壓縮彈簧。

飛機(jī)在地面滑行正常轉(zhuǎn)彎時(shí)，一側(cè)的作動(dòng)筒在腳蹬機(jī)構(gòu)的作用下產(chǎn)生拉力，由于彈簧預(yù)緊力大于機(jī)輪轉(zhuǎn)彎摩擦力，該動(dòng)作筒運(yùn)動(dòng)如同剛體運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧不壓縮，另一側(cè)的動(dòng)作筒隨動(dòng)，此時(shí)前輪轉(zhuǎn)彎力矩由腳蹬帶動(dòng)作動(dòng)筒產(chǎn)生，轉(zhuǎn)彎角度為±10°。

在完全使用剎車(chē)或牽引桿拖動(dòng)飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，腳蹬未動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)彎力矩由外力或不平衡的主輪阻力矩產(chǎn)生，轉(zhuǎn)彎角度可增大為±30°，該狀態(tài)以左轉(zhuǎn)為例：左側(cè)動(dòng)作筒拉桿縮入作動(dòng)筒，右側(cè)動(dòng)作筒拉桿伸出，并壓縮彈簧，轉(zhuǎn)彎結(jié)束后在彈簧回復(fù)力作用下，轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒和彈簧回到初始位置。此時(shí)，轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒不提供轉(zhuǎn)彎動(dòng)力，僅隨前輪轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。

飛機(jī)在空中時(shí)，前起落架支柱伸出，防扭臂拉伸，起落架定中機(jī)構(gòu)鎖定，由于前起落架前定中機(jī)構(gòu)的作用，踩腳蹬時(shí)前輪不會(huì)隨之產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，所踩腳蹬一側(cè)的轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒外筒內(nèi)彈簧處于壓縮狀態(tài)，作動(dòng)筒拉桿伸出外筒，而另一側(cè)轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒外筒內(nèi)彈簧則保持在原位。

2 故障件和全新件的對(duì)比、檢查、測(cè)試

出現(xiàn)故障的轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒與全新轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒比沒(méi)有顯著差異，如果其內(nèi)部存在卡阻，首先在不破壞故障件的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒進(jìn)行X射線(xiàn)觀察，檢查作動(dòng)筒內(nèi)部的彈簧是否處于卡阻狀態(tài)，是否存在引起卡阻的痕跡或者異物，然后對(duì)作動(dòng)筒進(jìn)行軸向拉伸力學(xué)試驗(yàn)，檢查彈簧的力學(xué)性能是否存在異常，最后，將轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒，檢查外筒內(nèi)壁、彈簧的狀況。

2.1 X射線(xiàn)檢測(cè)情況

將全新轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒和使用過(guò)的作動(dòng)筒同時(shí)放置在樣品臺(tái)上，進(jìn)行X射線(xiàn)分析。墊片均位于卡環(huán)位置，沒(méi)有卡阻現(xiàn)象。檢查作動(dòng)筒內(nèi)壁，全新件和故障件具有相似的光滑程度，沒(méi)有卡阻后留下的凹凸起伏痕跡或引起卡阻的異物。比較彈簧與作動(dòng)筒外筒內(nèi)壁之間的間隙，發(fā)現(xiàn)故障件的間隙略小于全新件，將全新件與故障件分別旋轉(zhuǎn)90°后重新觀察，故障件中彈簧和外壁之間的間隙仍小于全新件。

2.2 力學(xué)檢測(cè)情況

將全新件和故障件一并進(jìn)行拉伸力學(xué)測(cè)試。軸向拉伸力學(xué)測(cè)試在液壓伺服力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用銷(xiāo)釘將轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒連接到拉伸試驗(yàn)機(jī)上。通過(guò)位移控制拉伸過(guò)程，拉伸速度為0.1mm/s，當(dāng)位移達(dá)到20mm后，自動(dòng)停止拉伸并卸載。

拉伸試驗(yàn)機(jī)的原始數(shù)據(jù)為機(jī)器自動(dòng)記錄的位移/載荷曲線(xiàn)，消除機(jī)器漂移（拉伸開(kāi)始階段，墊片、銷(xiāo)釘?shù)葯C(jī)械連接部位的初始位移）后，獲得彈簧軸向拉伸的位移/載荷曲線(xiàn)如圖2所示，其中黑色和紅色曲線(xiàn)分別為故障件和全新件的拉伸曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的波動(dòng)與采樣頻率有關(guān)，是拉伸試驗(yàn)的正?，F(xiàn)象。從圖3中可以看出，在同樣的變形條件下，兩根彈簧的載荷/位移曲線(xiàn)近似為線(xiàn)性，其實(shí)載荷和終止試驗(yàn)時(shí)的載荷值接近，符合彈簧變形特征。對(duì)兩條曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合后得到如下公式：

故障件：y=219+20.58x

全新件：y=215.5+20.74x

兩件中彈簧的彈性系數(shù)分別為20.58N/mm和20.74N/mm，兩件基本相當(dāng)。公式的右邊的第一項(xiàng)與彈簧的預(yù)緊力有關(guān)，故障件和全新件均約為210N。

2.3 分解檢查情況

將全新件和故障件分解打開(kāi)，測(cè)量彈簧直徑和外筒內(nèi)徑，測(cè)量結(jié)果如表1所示。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在排除測(cè)量誤差因素后，故障轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒的彈簧外徑大于新件的彈簧外徑，接近作動(dòng)筒的內(nèi)徑。

取出彈簧，觀察靠近彈簧座位置的端部位置，發(fā)現(xiàn)越靠近端部位置，銹蝕痕跡越嚴(yán)重。此外，銹蝕位置有明顯的摩擦痕跡，摩擦痕跡沿彈簧徑向方向呈螺旋線(xiàn)展開(kāi)。存在摩擦痕跡的位置附近均有銹蝕痕跡，但有銹蝕痕跡的位置卻不一定都有摩擦痕跡，而全新件的相同位置無(wú)任何類(lèi)似痕跡。外筒內(nèi)壁的摩擦痕跡，摩擦痕跡間距約為5.4mm，與彈簧間距相當(dāng)，筒壁上的摩擦痕跡也是呈現(xiàn)螺旋線(xiàn)分布。

采用能譜分析方法，對(duì)彈簧材料和銹蝕痕跡進(jìn)行定性和半定量的化學(xué)成分分析，結(jié)果如圖3和圖4所示，彈簧所用材質(zhì)為一般錳含量的彈簧鋼（錳含量約為0.7wt%），不具備防腐能力。盡管彈簧涂有防腐漆，但仍能觀察到銹蝕痕跡。銹蝕顆粒的能譜曲線(xiàn)（圖4）表明，引起銹蝕的原因主要是空氣中的氧氣，銹蝕可能與環(huán)境潮濕有關(guān)。

2.4 分析總結(jié)

依據(jù)作動(dòng)筒內(nèi)彈簧的工作原理，轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒內(nèi)部的墊片和彈簧卡阻可能是引起的飛機(jī)偏出跑道原因。X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果表明，彈簧座處于正常位置。這可能是由于，在轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒拆裝和運(yùn)輸過(guò)程中，連桿的振動(dòng)可能導(dǎo)致墊片解除了事件發(fā)生時(shí)的卡阻位置，回到正常狀態(tài)。同時(shí)，X射線(xiàn)檢查表明，失效部件中彈簧與筒壁之間的間隙較小。轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒的軸向拉伸力學(xué)測(cè)試表明，新件和舊件中彈簧的彈性系數(shù)基本相當(dāng)。也因此，表明彈簧本身沒(méi)有問(wèn)題，卡阻可能是主要原因。打開(kāi)后檢測(cè)外筒內(nèi)壁和彈簧，發(fā)現(xiàn)舊件彈簧的外徑與作動(dòng)筒內(nèi)徑接近，同時(shí)彈簧上有許多銹蝕痕跡，小計(jì)量的碎屑分析表明，引起銹蝕的原因主要是空氣中的水分。

在轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒正常制造過(guò)程中，彈簧與外筒之間有一定的間隙配合。彈簧的外徑在供貨狀態(tài)，可能存在一定的波動(dòng)范圍，當(dāng)兩者之間的配合間隙較小。而且安裝此類(lèi)作動(dòng)筒（彈簧與外筒之間的間隙較?。┑娘w機(jī)，在潮濕季節(jié)或者環(huán)境使用有一定階段后，彈簧出現(xiàn)不同程度的銹蝕，使彈簧的外徑進(jìn)一步增加，最終導(dǎo)致彈簧與外壁之間的摩擦，摩擦力改變了彈簧的受力方向，使彈簧除軸向受力外，側(cè)向也同時(shí)受力，從而形成螺旋線(xiàn)形成的摩擦痕跡。側(cè)向力加劇或者惡化摩擦效果，筒壁內(nèi)同時(shí)積累了一定數(shù)量的碎屑，導(dǎo)致彈簧與筒壁發(fā)生了卡阻現(xiàn)象。

根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，彈簧的預(yù)緊力約為210N，當(dāng)發(fā)生卡阻時(shí)，彈簧并不在正常的預(yù)緊力位置?？梢愿鶕?jù)鋼索拉力的大小或者拉桿的位置，判斷彈簧是否在彈簧是否在正常的預(yù)緊力位置。

3 轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒失效的原因分析

3.1 飛機(jī)偏離跑道事件的轉(zhuǎn)彎失效的原因

根據(jù)檢查測(cè)試的結(jié)論分析，本次事件的原因是右轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒內(nèi)部彈簧或墊片卡阻，造成右轉(zhuǎn)彎遲滯，整個(gè)事件分為空中和落地滑行兩個(gè)階段。

第一時(shí)段：飛機(jī)空中在進(jìn)行右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右側(cè)拉桿彈簧壓縮后墊片已出現(xiàn)卡阻。

第二時(shí)段：飛機(jī)落地后，由于右側(cè)轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒的彈簧、