阚玉平

摘要：某型发动机油门钢索在使用过程中出现断裂故障，为消除隐患，彻底解决该类故障，需对钢索受力情况进行详细分析，并逐条排查可能造成钢索断裂的原因。最终确认钢索断裂原因为疲劳寿命低。通过增大滑轮直径、改善钢索扭转趋势等措施，大幅提升钢索疲劳寿命，对改进设计措施进行了验证，改进后验证结果满足使用要求。

Abstract： A certain type of engine throttle cable has a fracture failure during use. In order to eliminate hidden dangers and completely solve this type of failure， it is necessary to conduct a detailed analysis of the force of the steel cable， and investigate the possible causes of the cable fracture one by one. Finally， it was confirmed that the reason for the cable fracture was low fatigue life. Through measures such as increasing the pulley diameter and improving the torsion trend of the steel cable， the fatigue life of the steel cable was greatly increased， and the improved design measures were verified. After the improvement， the verification results meet the requirements of use.

关键词：油门钢索;断裂;疲劳寿命

Key words： throttle cable;fracture;fatigue life

中图分类号：U472.43                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0118-02

0  引言

发动机操纵系统用来实现发动机的起动、变换工作状态及操纵发动机停车工作。发动机的操纵由座舱内的操纵手柄，通过飞机上的操纵系统、主动滑轮摇臂将转矩传至主动滑轮，再经过钢索系统将扭矩传至凸轮拨叉组件上的滑轮，滑轮通过油门拉杆、凸轮拨叉组件、拉杆组件、停车拉杆等实现发动机油泵调节器油门摇臂、停车摇臂的协调同步联动。

1  发动机操纵系统简介

某型发动机操纵系统是一个软硬混合式传动系统。飞行员在驾驶舱内对油门操纵手柄的操作，通过飞机机身上安装的钢索滑轮传动系统、发动机短舱处的连杆机构传递到发动机上的油泵调节器的油门摇臂，控制油门开关的大小以及发动机燃油的供应与关闭。油门操纵手柄前退时，增油钢索受拉，油门向供油量增加方向移动;油门操纵手柄后拉时，减油钢索受拉，油门向油量减小方向移动。

2  故障分析及定位

某型机在飞行着陆后检查发现该架机左发增油钢索断裂，外场使用过程中也曾数次出现该部位钢索断丝。为彻底解决该故障，对飞机发动机操纵系统进行分析，认为可能造成钢索断裂的原因为钢索接头与通过孔干涉、钢索接头与挡销干涉、钢索接头与滑轮槽口干涉、钢索张力大、钢索疲劳寿命低、钢丝绳材料缺陷、制造安装过程受损、腐蚀、钢索与通过孔相磨、钢索与挡销相磨等10个底事件。

2.1 故障分析

2.1.1 底事件1：钢索接头与通过孔干涉

钢索接头与通过孔干涉时，钢索运动受阻，会导致油门卡滞，操纵力明显增大。此时操纵油门手柄，钢索所受拉力会显著增大，当钢索所受拉力大于其最小破断拉力时可能出现钢索断裂。经现场检查，故障钢索接头完好，远离通过孔，未发现与通过孔干涉现象，同时操作人员陈述，未出现操纵力增大现象。因此，该底事件可以排除。

2.1.2 底事件2：钢索接头与挡销干涉

钢索接头与挡销干涉时，钢索运动受阻，会导致油门卡滞，操纵力明显增大。此时操纵油门手柄，钢索所受拉力會显著增大，当钢索所受拉力大于其最小破断拉力时可能出现钢索断裂。经现场检查，故障钢索接头完好，接头远离挡销，未发现与挡销干涉现象，同时操作人员陈述，未出现操纵力增大现象。因此，该底事件可以排除。

2.1.3 底事件3：钢索接头与滑轮槽口干涉

钢索接头与滑轮槽口干涉时，钢索运动受阻，会导致油门卡滞，操纵力明显增大。此时操纵油门手柄，钢索所受拉力会显著增大，当钢索所受拉力大于其最小破断拉力时可能出现钢索断裂。经现场检查，故障钢索接头完好，接头远离滑轮槽口，未发现与滑轮槽口干涉现象，同时操作人员陈述，未出现操纵力增大现象。因此，该底事件可以排除。

2.1.4 底事件4：钢索张力大

飞机发动机操纵钢索张力可通过松紧螺套调整，当外界温度为20℃时，钢索张力为196N。随着环境温度的升高，钢索张力增大。当钢索张力增大至其最小破断力时，可导致钢索断裂。对飞机油门钢索张力在外场进行了多次测量，钢索张力均在规定范围内。因此，该底事件可以排除。

2.1.5 底事件5：钢索疲劳寿命低

经地面检查，发现左发增油钢索在机身47框左侧三角梁内转向滑轮處于左发动机舱机身侧壁下部转向滑轮间断裂。左发增油钢索断裂后，油门操纵手柄失效。左发油门操纵手柄在减油钢索的张力作用下，向前移至起飞位，发动机燃油调节器油门摇臂在减油钢索的张力和油门开关复位弹力作用下，向减小供油量的方向运动，直至发动机停车。

钢索断裂部分钢丝末端呈散开状，存在弯折变形，端口位置参差不齐，断裂钢丝断口较为平齐，宏观上可见明显的疲劳弧线、放射棱线等典型疲劳断裂特征，部分断口上存在两个或三个疲劳源;疲劳均始于钢丝表面，包括钢索外表面平面损伤部位及钢丝与钢丝之间的挤压损伤部位。微观可见清晰疲劳条带特征，表明钢索断裂性质为疲劳断裂。因此，该事件不能排除。

2.1.6 底事件6：钢索材料缺陷

钢丝绳本身材料差异较大，如果钢丝材料杂质含量高、钢丝绳加工质量低，会导致钢索性能参数降低，长期工作后会出现钢索断丝现象。对出现断丝的钢丝绳进行全面复查，采购的钢丝绳符合入厂复验项目的规定。钢丝绳的试验方法与结果满足相关规定。因此，钢丝绳的采购、验收项目、试验方法和结果、保管和贮存符合相关要求。因此，该底事件可以排除。

2.1.7 底事件7：制造安装过程受损

钢索制造、保管、运输及安装过程中可能出现意外损伤，造成钢索存在断丝隐患。经生产现场检查，钢丝绳保管和贮存符合规定，可保证产品不被锈蚀、不变形和不被碰伤;油门钢索的生产制造工艺文件内容完整、工序内容完整、要求明确、试验数据正确，符合设计图样及技术文件的要求;油门钢索的装配及调整指令完整、流程正确，符合工艺、设计文件要求，不存在断丝隐患。因此，该底事件可以排除。

2.1.8 底事件8：腐蚀

发动机油门操纵钢索腐蚀会显著降低钢索使用寿命，在使用过程中易造成钢索断裂。通过对故障件钢索进行检查，钢丝表面的保护层完好，未见腐蚀痕迹。因此，该底事件可以排除。

2.1.9 底事件9：钢索与通过孔相磨

钢索运功过程中，如果与结构通过孔相磨，会导致钢索磨损，造成钢索断丝。现场检查飞机，断裂钢索结构通过孔未发现磨损痕迹，钢索断裂部位远离结构通过孔位置，复查多架机相同位置，钢索与结构通过孔间隙均大于3mm，未发现磨损痕迹。因此，该底事件可以排除。

2.1.10 底事件10：钢索与挡销相磨

钢索运动过程中，如果与结构挡销相磨，会导致钢索磨损，造成钢索断丝。现场检查飞机，断裂钢索的挡销未发现磨损痕迹。复查多架机相同位置，钢索与挡销间隙均在0.5mm～3mm范围，符合设计要求。因此，该底事件可以排除。

2.2 故障定位

通过系统分析、油门钢索制造符合型检查、飞机现场检查及故障件理化分析，可以排除油门钢索接头与通过孔干涉、钢索接头与挡销干涉、钢索接头与滑轮槽口干涉、钢索张力大、钢索材料缺陷、制造安装过程受损、腐蚀、钢索与通过孔相磨、钢索与挡销相磨造成钢索断裂等原因。综合分析，飞机机身左侧转向滑轮直径偏小，钢索与前后滑轮不共面，致使钢索在？准19mm滑轮处受较大应力，长期使用导致疲劳断裂，是导致此次油门钢索断裂的根本原因。

3  改进设计方案

钢索是由许多螺旋元组成的复杂构件，在工作时受力状态较为复杂，钢索拉伸与扭转同时存在，主要受力包括预紧力、工作拉力、弯曲应力。钢索的预紧张力在系统状态确定后，基本保持不变;工作拉力只有当操纵发动机油门时才会产生，且是间歇出现的;弯曲应力是在转向滑轮处，当钢索与滑轮接触后，由于钢索的弯折而产生。发动机工作时，钢索与滑轮由非接触状态到接触状态交替变化，所以钢索的弯曲应力也是循环变化的。钢索的弯曲应力与滑轮直径成反比，滑轮直径越小，钢索的弯曲应力越高。针对钢索受力情况及机上实际安装情况，制定改进设计措施如下：

3.1 增大滑轮直径

重新设计三角梁内滑轮支架、左右发动机舱内机身侧壁下部滑轮支架。将左右三角梁内转向滑轮由“？准34mm”、“？准35mm”、“？准46mm”、“？准52mm”均改为“？准56mm”。将左右发动机舱机身侧壁下部转向滑轮由“？准19mm”改为“？准56mm”并上移25mm，滑轮材料均选用酚醛塑料。通过以上改进，将发动机操纵系统转向滑轮直径均增大至50mm以上，有效减小了钢索所受弯曲应力。

3.2 改善钢索扭转趋势

将左右发动机末级滑轮由单轮改为双轮，重新设计系统末级滑轮支架，保证从三角梁转向滑轮出来的钢索与末级滑轮共面，协调更改松紧螺套位置，减轻钢索扭转趋势。

4  改进验证

为了验证改进方案的正确有效，进行发动机操纵系统改进后油门钢索疲劳寿命验证试验，分为机身47框处设计改进验证试验、全机状态设计改进试验和装机试车验证。

4.1 机身47框处台架验证

模拟机身47框处发动机操纵系统改进后机上安装状态，选取系统末级滑轮作为驱动轮。根据飞行中发动机实际使用工况。选取三种状态进行试验验证：模拟发动机转速从77%～87%油门钢索行程进行试验（试验行程15°）;模拟发动机从0.42额定到额定状态油门钢索行程进行试验（试验行程45°）;模拟发动机从慢车状态至起飞状态油门钢索行程进行试验（试验行程74°）。试验结果表明：改进后左右机身47框处油门钢索疲劳寿命均可达100万次以上。

4.2 全机台架验证

模拟全机发动机操纵系统油门钢索改进后机上安装状态，选取油门杆作为驱动轮。根据飞行中发动机操纵系统实际使用工况，模拟发动机从慢车状态至起飞状态油门钢索行程进行试验（试验行程55°）。试验结果表明：改进后全机油门钢索疲劳寿命均可达72万次以上。

4.3 装机试车验证

改进后对发动机操纵系统油门钢索经调试、检查，钢索与滑轮的位置协调正确，钢索与通过孔、周围机件的间隙符合要求，油门杆运动灵活。进行发动机地面试车检查，发动机操纵系统能正常操纵发动机起动、停车及转换发动机工作状态，发动机操纵系统跟随性良好，左右发同步性满足要求。

5  结论

通过理论分析及试验验证，某型机油门钢索断裂原因为：三角梁内转向滑轮直径偏小，钢索从机身47框左侧三角梁内转向滑轮，经左发动机舱机身侧壁下部？准19mm转向滑轮，到系统末级滑轮处，连续经历空间异面转向，油门钢索在该处受拉伸力、弯曲应力以及扭转力的符合作用，存在弯曲疲劳，易在钢索与？准19mm转向滑轮接触处产生较大的交变应力，导致钢索疲劳断裂。通过将滑轮直径增大，将左右发动机舱机身侧壁下部转向滑轮上移25mm;更改转向滑轮与末级滑轮之间的松紧螺套位置，同时将系统末级滑轮由单轮改为双轮联动形式，可有效提高油门钢索疲劳寿命。

参考文献：

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[2]凌晨，吴澎.浅谈钢丝绳失效原因[J].冶金标准化与质量，2008.

[3]王仁智，吴培远.疲劳失效分析[M].北京：机械工业出版社，1987.

[4]胡世炎.机械失效分析手册[M].修订本.成都：四川科学技术出版社，1998.