张宇庆

摘 要：在飞行训练中，Cessna 172R飞机转弯会在地面滑行阶段出现转弯迟滞或不能转向的故障，从而导致飞机偏出跑道的情况发生，严重影响飞行安全。本文通过介绍一起Cessna172R飞机偏离跑道事件，深入分析Cessna172R飞机转弯作动筒原理和失效的原因，总结经验，对Cessna 172R飞机转弯机构排故和预防故障有一定意义。

关键词：Cessna172R;转弯作动筒;失效;磨损

中图分类号：V226 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0098-02

0 引言

某单位一架CESSNA 172R飞机在落地滑行时，向左偏出跑道，机组反映右蹬右脚蹬无反应，对影响飞机转弯的所有部件进行了详细的检查，没有发现会影响飞机转弯和刹车功能的故障或缺陷存在，随后怀疑转弯作动筒内部可能存在故障，导致右转弯作动筒内弹簧卡阻，出现右转弯迟滞。本文通过对比故障转弯作动筒和全新转弯作动筒的各参数、性质，分析转弯作动筒失效的原因，并提出预防措施。

1 转弯作动筒结构和原理

Cessna 172R飞机前轮转弯作动筒为“半刚性”连接件，后端连接于座舱内脚蹬扭力管，前端接头连接于前起落架转向机构，其构造和转弯作动筒拉杆、弹簧在不同状态下的正常位置如图1所示，正常拉杆可以在外筒内移动，安装时要求拉杆在伸出位，同时不能压缩弹簧。

飞机在地面滑行正常转弯时，一侧的作动筒在脚蹬机构的作用下产生拉力，由于弹簧预紧力大于机轮转弯摩擦力，该动作筒运动如同刚体运动，此时弹簧不压缩，另一侧的动作筒随动，此时前轮转弯力矩由脚蹬带动作动筒产生，转弯角度为±10°。

在完全使用刹车或牵引杆拖动飞机转弯时，脚蹬未动，前轮转弯力矩由外力或不平衡的主轮阻力矩产生，转弯角度可增大为±30°，该状态以左转为例：左侧动作筒拉杆缩入作动筒，右侧动作筒拉杆伸出，并压缩弹簧，转弯结束后在弹簧回复力作用下，转弯作动筒和弹簧回到初始位置。此时，转弯作动筒不提供转弯动力，仅随前轮转动而运动。

飞机在空中时，前起落架支柱伸出，防扭臂拉伸，起落架定中机构锁定，由于前起落架前定中机构的作用，踩脚蹬时前轮不会随之产生偏转，所踩脚蹬一侧的转弯作动筒外筒内弹簧处于压缩状态，作动筒拉杆伸出外筒，而另一侧转弯作动筒外筒内弹簧则保持在原位。

2 故障件和全新件的对比、检查、测试

出现故障的转弯作动筒与全新转弯作动筒比没有显著差异，如果其内部存在卡阻，首先在不破坏故障件的情况下，对转弯作动筒进行X射线观察，检查作动筒内部的弹簧是否处于卡阻状态，是否存在引起卡阻的痕迹或者异物，然后对作动筒进行轴向拉伸力学试验，检查弹簧的力学性能是否存在异常，最后，将转弯作动筒，检查外筒内壁、弹簧的状况。

2.1 X射线检测情况

将全新转弯作动筒和使用过的作动筒同时放置在样品台上，进行X射线分析。垫片均位于卡环位置，没有卡阻现象。检查作动筒内壁，全新件和故障件具有相似的光滑程度，没有卡阻后留下的凹凸起伏痕迹或引起卡阻的异物。比較弹簧与作动筒外筒内壁之间的间隙，发现故障件的间隙略小于全新件，将全新件与故障件分别旋转90°后重新观察，故障件中弹簧和外壁之间的间隙仍小于全新件。

2.2 力学检测情况

将全新件和故障件一并进行拉伸力学测试。轴向拉伸力学测试在液压伺服力学试验机上进行，采用销钉将转弯作动筒连接到拉伸试验机上。通过位移控制拉伸过程，拉伸速度为0.1mm/s，当位移达到20mm后，自动停止拉伸并卸载。

拉伸试验机的原始数据为机器自动记录的位移/载荷曲线，消除机器漂移（拉伸开始阶段，垫片、销钉等机械连接部位的初始位移）后，获得弹簧轴向拉伸的位移/载荷曲线如图2所示，其中黑色和红色曲线分别为故障件和全新件的拉伸曲线，曲线的波动与采样频率有关，是拉伸试验的正常现象。从图3中可以看出，在同样的变形条件下，两根弹簧的载荷/位移曲线近似为线性，其实载荷和终止试验时的载荷值接近，符合弹簧变形特征。对两条曲线进行线性拟合后得到如下公式：

故障件：y=219+20.58x

全新件：y=215.5+20.74x

两件中弹簧的弹性系数分别为20.58N/mm和20.74N/mm，两件基本相当。公式的右边的第一项与弹簧的预紧力有关，故障件和全新件均约为210N。

2.3 分解检查情况

将全新件和故障件分解打开，测量弹簧直径和外筒内径，测量结果如表1所示。从表1中可以发现，在排除测量误差因素后，故障转弯作动筒的弹簧外径大于新件的弹簧外径，接近作动筒的内径。

取出弹簧，观察靠近弹簧座位置的端部位置，发现越靠近端部位置，锈蚀痕迹越严重。此外，锈蚀位置有明显的摩擦痕迹，摩擦痕迹沿弹簧径向方向呈螺旋线展开。存在摩擦痕迹的位置附近均有锈蚀痕迹，但有锈蚀痕迹的位置却不一定都有摩擦痕迹，而全新件的相同位置无任何类似痕迹。外筒内壁的摩擦痕迹，摩擦痕迹间距约为5.4mm，与弹簧间距相当，筒壁上的摩擦痕迹也是呈现螺旋线分布。

采用能谱分析方法，对弹簧材料和锈蚀痕迹进行定性和半定量的化学成分分析，结果如图3和图4所示，弹簧所用材质为一般锰含量的弹簧钢（锰含量约为0.7wt%），不具备防腐能力。尽管弹簧涂有防腐漆，但仍能观察到锈蚀痕迹。锈蚀颗粒的能谱曲线（图4）表明，引起锈蚀的原因主要是空气中的氧气，锈蚀可能与环境潮湿有关。

2.4 分析总结

依据作动筒内弹簧的工作原理，转弯作动筒内部的垫片和弹簧卡阻可能是引起的飞机偏出跑道原因。X射线检测结果表明，弹簧座处于正常位置。这可能是由于，在转弯作动筒拆装和运输过程中，连杆的振动可能导致垫片解除了事件发生时的卡阻位置，回到正常状态。同时，X射线检查表明，失效部件中弹簧与筒壁之间的间隙较小。转弯作动筒的轴向拉伸力学测试表明，新件和旧件中弹簧的弹性系数基本相当。也因此，表明弹簧本身没有问题，卡阻可能是主要原因。打开后检测外筒内壁和弹簧，发现旧件弹簧的外径与作动筒内径接近，同时弹簧上有许多锈蚀痕迹，小计量的碎屑分析表明，引起锈蚀的原因主要是空气中的水分。

在转弯作动筒正常制造过程中，弹簧与外筒之间有一定的间隙配合。弹簧的外径在供货状态，可能存在一定的波动范围，当两者之间的配合间隙较小。而且安装此类作动筒（弹簧与外筒之间的间隙较小）的飞机，在潮湿季节或者环境使用有一定阶段后，弹簧出现不同程度的锈蚀，使弹簧的外径进一步增加，最终导致弹簧与外壁之间的摩擦，摩擦力改变了弹簧的受力方向，使弹簧除轴向受力外，侧向也同时受力，从而形成螺旋线形成的摩擦痕迹。侧向力加剧或者恶化摩擦效果，筒壁内同时积累了一定数量的碎屑，导致弹簧与筒壁发生了卡阻现象。

根据力学试验结果，弹簧的预紧力约为210N，当发生卡阻时，弹簧并不在正常的预紧力位置。可以根据钢索拉力的大小或者拉杆的位置，判断弹簧是否在弹簧是否在正常的预紧力位置。

3 转弯作动筒失效的原因分析

3.1 飞机偏离跑道事件的转弯失效的原因

根据检查测试的结论分析，本次事件的原因是右转弯作动筒内部弹簧或垫片卡阻，造成右转弯迟滞，整个事件分为空中和落地滑行两个阶段。

第一时段：飞机空中在进行右转弯时，右侧拉杆弹簧压缩后垫片已出现卡阻。

第二时段：飞机落地后，由于右侧转弯作动筒的弹簧、