基于试验的飞机发动机操纵钢索寿命研究

王 俊，卢 润

（中航飞机股份有限公司，陕西 西安 710089）

1 问题背景

某飞机发动机操纵系统是一个软硬混合式传动系统，飞行员通过对油门操纵手柄进行操作，带动安装在飞机机身上的钢索滑轮传动系统，实现油门开关联动，达到对发动机燃油供应控制的目的[1]。在使用过程中，发动机操纵系统钢索在某部位出现断裂，导致飞机发动机操纵系统失效，发动机不能正常使用。为解决该问题，对失效部位钢索使用寿命情况开展研究，探索操纵系统滑轮与钢索在不同滑轮直径与钢索包角配合状态下的使用寿命，得出一般规律，为后续制定改进方案提供依据[2]。

2 断口分析

操纵钢索使用过程中拉伸与扭转同时发生，由于使用过程受力状态较为复杂，容易造成损伤，具体表现出的失效形式为严重磨损、锈蚀、变形过量、疲劳、过载断裂等[3]。因此，本研究首要任务是理清问题钢索的失效原因。

对断裂钢丝检查发现，其中一处断裂位置发现钢丝绕股中的一根绕丝断裂，且一侧断丝翘起，另一处断裂位置同一绕股中存在两根断丝，其中一根两侧均翘起，在断丝处拆解后发现，该绕股的芯丝也存在一处断丝，详细情况见图1。

图1 失效部位钢索断丝形貌

将存在两处断丝的钢索拆分清洗后，宏观观察发现钢丝表面可见轻微损伤伤痕，有明显的磨损痕迹，在扫描电镜下进行观察，断裂位置整体较平齐，源区均位于断口相对应的两侧边缘，且从两侧扩展的深度不同，见图2。源区均位于断口相对应的两侧边缘，说明钢丝断裂均是从两侧起源扩展的；两侧扩展的深度不同，一侧较大，另一侧较小，说明钢丝断裂过程中断面面积较大的一侧扩展深度较大，断面面积较小的一侧扩展深度较小，也说明钢丝在使用过程中两侧受到的应力大小或变形程度不同。

断丝断面发现断裂有明显疲劳特征，均是从两侧起源，继而疲劳扩展，未见冶金缺陷。综合分析认为：钢索断丝是在使用过程中产生的双向弯曲疲劳断裂，弯曲应力为主要断裂因素[4]。

图2 断口全貌

3 试验验证

研究结果表明，钢索的弯曲应力与滑轮直径成反比，滑轮直径越小，钢索的弯曲应力越大[3]。确定钢索断裂形式为使用过程中产生的双向弯曲疲劳断裂后，结合已有研究结果，将滑轮直径与钢索包角这两个对弯曲应力影响最大的因素作为变量，设计试验定性研究钢索疲劳断裂情况。

通过梳理机上现有滑轮使用状态，梳理出机上现有9 种常用滑轮直径及其使用状态下的常用包角，详见表1，根据控制变量法，对包角状态较多的直径φ56 ㎜和直径φ19 ㎜的滑轮做确定滑轮直径，改变钢索包角状态的验证；对钢索包角为90°的φ52、φ46 和φ35 滑轮做确定钢索包角，改变滑轮直径的验证；并对φ70 滑轮，包角180°做补充验证，以此来探索滑轮直径及钢索包角对钢索使用过程中疲劳寿命的影响。

表1 测试滑轮状态表

根据表1 中滑轮直径及钢索包角对应关系，设计试验台验证在不同滑轮直径及钢索包角使用状态下钢索疲劳断裂次数，试验相关要求如下：

（1）滑轮制造要求与机上一致，钢索与其包角满足装机状态要求。

（2）以钢索上某点的一次往复运动为一个循环，一个循环记2 次弯曲疲劳。

（3）试验配备辅助滑轮用来转向以保证钢索在试验滑轮处的包角符合要求。

（4）每次试验开始前，根据图3 确定钢索张力，试验过程中，检查张力值在图3 试验温度允许的中值和最大值之间不进行调整，张力小于允许范围时将张力调整至图3 试验温度允许的中值和最大值之间。

图3 钢索张力与温度关系图

（5）当某滑轮处钢索断裂时，更换断裂钢索后继续试验，后续不在考察，当考察钢索均断裂或认为无考察必要时结束该试验，按要求记录每个滑轮处钢索情况。

（6）钢索检查频率：10 万次内每1 万次检查一次钢索断丝情况和张力；60 万次以后每2.5 千次检查一次钢索断丝情况和张力。

验证试验在设计的试验台上开展，试验用仪器设备见表2，根据表1 中对应关系，在试验台上完成所有对应关系验证试验。

表2 试验用仪器设备

4 试验结果

本次试验以验证滑轮直径-钢索包角不同配合使用状态下钢索疲劳寿命为目的，针对不同组合开展验证，每次验证以钢索出现断丝为止（断丝状态见图4），之后更换钢索及试验状态后继续开展，试验结果统计情况见表3。

表3 试验结果统计表

5 结论

通过对试验数据分析，得出了“滑轮直径相同，钢索包角越大，疲劳寿命越短；钢索包角相同，滑轮直径越小，疲劳寿命越短”的定性疲劳分析结果，结果对后续制定改进方案具有积极意义。

根据试验结果，结合飞机对发动机操纵系统的要求统一分析，可对本次研究涉及的测试滑轮提出后续改进意见，详见表4。

表4 测试滑轮改进意见表