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摘要：为探索飞机舱门操纵钢索断丝原因，通过断口形貌和钢索疲劳应力循环特征分析，确定钢索断丝原因为弯曲疲劳断裂。多数断面由一侧扩展区和另一侧瞬断区组成，为单向弯曲应力作用下的疲劳断裂，个别断面由两侧扩展区与中间瞬断区组成，为双向弯曲应力作用下的疲劳断裂，裂纹源区均位于扩展区边缘。综合分析了滑轮处钢索包角、钢索直径、滑轮尺寸和钢索旋转对钢索应力和断丝的影响，提出了改进措施和维护建议，延长了钢索使用寿命，有效地提高了舱门操纵系统的安全性和可靠性。

关键词：飞机舱门；操纵钢索；弯曲应力；疲劳断丝；改进措施

0 引言

航空操纵钢索可以传递长距离负载，能够承受多种载荷及交变载荷，具有良好的抗拉性能、疲劳性能和冲击韧性，由于在使用过程中的受力较为复杂，极易造成钢丝绳损伤，钢丝绳服役后的腐蚀、磨损、松弛、断丝等损伤会进一步降低操纵钢索的可靠性[1-2]。近年来，外场在飞机操纵系统详细检查过程中，发现舱门操纵钢索存在断丝故障，该操纵钢索在正常工作时受拉伸、弯曲和扭转等交变载荷，断丝时机普遍为600700飞行小时。本文通过宏观检验、化学成分分析、断口分析、循环应力分析方法对断丝原因进行分析，通过查明故障钢索断丝原因，从设计、制造和外场维护方面采取措施消除或减少故障，有助于延长其使用寿命，提高舱门操纵系统安全性、可靠性和维修性水平。

1 舱门操纵钢索结构及工作原理

1.1 舱门操纵钢索结构

舱门操纵钢索主要由长度为5800mm的飞机操纵专用钢丝绳、1 件耳环接头和1 件带螺纹的接头组成，耳环接头和带螺纹的接头分别收压于钢丝绳两端。钢丝绳规格为6×19+IWS，公称直径为Ф9.5mm，为7股绕制，1股为芯股，6股绕股，每股均有19根钢丝，单根钢丝直径为Ф0.63mm。

1.2 舱门操纵钢索工作原理

飞机舱门操纵传动机构用于实现舱门的打开和关闭，主要由鼓轮、舱门操纵钢索、操纵拉杆、滑轮组件、弹簧组件等组成。舱门操纵钢索工作原理见图1，钢索的耳形接头一端与鼓轮连接，绕过鼓轮上的钢索槽后依次经过前转向滑轮和后导向滑轮1、2，另一端的螺纹接头通过松紧螺套与弹簧组件前端连接，弹簧组件后端与固定支座上的轴承配合。舱门关闭时，借助液压收放作动筒带动鼓轮反向旋转，鼓轮与舱门之间连接有成对拉杆，拉杆带动舱门关闭，同时钢索将弹簧拉伸至最大形变量，对应弹力为15480 N～17050N，此时弹簧处于准备打开舱门的工作状态；舱门打开时，液压收放作动筒完成机械开锁后，在成对弹簧的拉力下通过钢索带动鼓轮旋转，从而带动拉杆将舱门打开，舱门全开时，弹簧恢复到最小形变量，对应的弹力为 5090N～6070N。钢索一端与弹簧组件连接，因此钢索拉力与弹簧弹力相等。

2 舱门操纵钢索断丝故障研究

2.1. 断丝钢索宏观分析

对断丝钢索进行宏观检查，如图2所示，钢索存在两段断丝区域、一处折弯。断丝区域I在距螺纹接头收口端O1约920990mm范围内，断丝区域II在距螺纹接头收口端O1约145～380mm范围内；折弯位于距耳形孔中心约290mm处。区域I、区域II范围内均可见多根钢丝断丝现象。

对钢索断丝区域进行拆解检查，区域I范围内7股中均有断丝，所有断丝均无明显塑性变形，呈脆性断裂，共断丝18根，1根芯股（I-X-r）断丝5根，6根绕股（I-R-r）分别断绕丝4根、3根、2根、2根、1根、1根；区域II范围内7股均有断丝，所有断丝均无明显塑性变形，断丝共计31根，1根芯股（II-X-r）断丝4根，6根绕股（II-R-r）分别断绕丝10根、7根、4根、2根、2根、2根。（注：I-X-r、I-R-r分别代表区域I芯股绕丝、绕股绕丝，II-X-r、II-R-r分别代表区域II芯股绕丝、绕股绕丝，字母后面的数字为股及该股断丝的观察顺序编号）

结合钢索工作原理（图1）和机上装配尺寸，钢索仅在距耳形接头孔中心约141mm处转向时会发生折弯，故障钢索上的折弯所在位置不符安装尺寸，系返厂时拆卸不当造成的。在舱门收放循环中，断丝区域I与前转向滑轮接触，区域II与后导向滑轮1和2接触，在一个往复运动周期内，区域II范围的钢索会经历四次弯曲应力作用，而区域I范围的钢索只经历两次弯曲应力作用，这是导致区域II断丝数量较区域I多、范围长的主要原因。

检查断丝区域I和II，均未见明显的压扁、扭结、钢丝挤出等松股现象。钢索在工作时不可避免与滑轮槽内壁发生磨擦，该6×19+IWS钢索采用优质碳素钢材料，导向滑轮采用结构铝材料，理论上对钢丝绳磨损量很小，仅当磨损很严重时才会诱发磨损断丝，且断口一般呈现扁平，两侧呈斜茬状，因此可排除磨损断丝；故障钢索镀锌层连续完好，无开裂和剥落现象，未见锈蚀痕迹，机上拆下时润滑脂涂敷层充盈且均匀，且钢丝断口较整齐，未呈现明显尖针状形貌，可排除锈蚀断裂；在断丝钢索上截取2个试验件进行破断力试验，试验结果分别为71.2kN和71.3kN，符合YB/T 5196-2005《飞机操纵用钢丝绳》对6×19+IWS-9.5钢丝绳最小破断拉力64.1kN的要求[3]，工作中钢索承受的最大拉力为 17kN，远远小于许用拉力，且未承受过冲击载荷，断口未见杯状塑性收缩形状，排除单纯过载断丝。

2. 2 化学成分分析

在断丝钢索芯股和绕股上各取3根钢丝进行化学成分检测，酸洗去除表面镀锌层后进行化学成分检测，结果见表1。可以看出，钢丝中的含碳、硅、锰、硫、磷含量均符合GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》中70钢的要求[4]。

2.3 断口微观形貌分析

对断丝钢索（图2）进行超声波清洗后，在电子显微镜下对区域I、区域II内断口进行观察，未见明显的夹杂等冶金缺陷。选取典型的断丝断面详细观察，情况如下：

I-R1-r2断口由源区、平坦区（A）及纤维区（B）组成，见图3，其中A区断口约占整个断面的80%，B区断口约占20%，源区位于A区断口边缘，较为平滑，可见撕裂棱线及疲劳条带，说明裂纹的起源经过了相对较长的过程；A区为裂纹扩展区，形貌特征为疲劳条带和二次微裂纹，且分布区域较宽。钢索在滑轮槽内受拉伸、扭转和弯曲应力，复杂的受力状况使偏离主裂纹方向上出现了局部应力大于屈服强度的现象，促使了二次裂纹的形成和连接，在裂纹扩展方向存在二次裂纹阶梯，加速了二次裂纹的扩展[5]。B区为瞬断区，为类似聚集空洞的韧窝形貌，是裂纹扩展的最终阶段，源区裂纹萌生后向内层基体扩展至此处最终断裂。瞬断区面积较小，且韧窝大小不均匀，说明此处受载荷较小[6]。

I-R2-r4断口由平坦区（A）、纤维区（B）及平坦区（C）三部分组成，见图4，A区断口约占整个断面65%，B区约占20%，C区约占15%，源区位于A区、C区两侧断口边缘，可见轻微磨损压痕、扩展棱线及疲劳条带。该断口存在两处裂纹源区，表明钢丝在此处受双向应力作用，两个裂纹源在生长过程中逐渐汇聚，加快了裂纹的扩展和疲劳断裂，降低了疲劳寿命。扩展区有明显的准解理特征，并伴有疲劳条带和二次微裂纹，与I-R1-r2断口相比，扩展区疲劳条带间距小、疲劳条带较密，所受应力较小，疲劳裂纹的扩展速率较小。瞬断区为大小不均匀、同轴度较差的韧窝形貌。

I-X-r2断口由平坦区（A）及纤维区（B）两部分组成，见图5，A区断口约占整个断面的30%，B区断口约占70%，与I-R1-r2和I-R2-r4断口相比，该断口不平坦，扩展区与瞬断区平面存在约20度夹角。源区位于A区断口边缘，可见明显的磨损碾压痕迹，且较为平滑，形成原因为丝与丝之间产生微动磨损，磨损范围约为1/4圆弧长度。由于在整个裂纹亚稳定扩展过程中钢丝表面不断磨擦挤压，造成此处轻微塑性变形，微裂纹在磨损较严重区域出现并逐渐扩展，在循环弯曲应力作用下，表面萌生裂纹条带。芯股钢丝表面接触应力状态较复杂，沿半径由外向里应力变化较大，导致扩展区与瞬断区不在同一平面[5]。扩展区可见疲劳条带和二次微裂纹。瞬断区为韧窝形貌且面积较大，说明股芯承受的载荷较大，其断裂处应力较大。

II-R1-r1断口形貌特征与I-R1-r2类似，但在裂纹扩展方向疲劳条带分布较疏；瞬断区形貌见图6（a），韧窝尺度较大且等轴特征更加明显，存在少量15m以上的更大韧窝，表明此处塑性变形程度相对较大，瞬断时韧性较好[7]。

II-R1-r2断口形貌特征与I-R2-r4类似，但该断口较为平坦，源区微裂纹不明显；扩展区形貌见图6（b），疲劳条带和二次微裂纹特征较模糊，且疲劳条带起伏不明显，相互交织不平行。二次裂纹的萌生及扩展需要能量，可以分散主裂纹方向上裂纹扩展的疲劳损伤能，减缓疲劳主裂纹的扩展，因此二次裂纹分布越少，对减缓主裂纹扩展的作用越弱[7]。该断口属于过早失效的低周期疲劳断口，瞬断区为微小韧窝相貌，瞬断时塑性变形程度较小。

II-X-r1断口形貌特征与I-X-r2类似，断口全貌见图6（c），源区形貌见图6（d），源区附近磨损碾压程度较小，压痕范围较大，接近1/2圆弧长度，较大范围的微动磨损导致表面萌生的扩展棱线范围更广，微裂纹在磨损较严重区域出现并逐渐扩展；扩展区形貌为疲劳裂纹和二次微裂纹，且存在少量50m以上较大尺度的二次微裂纹；瞬断区面积较大，为尺度较小的韧窝形貌，且同轴度不明显，表明瞬断时塑性变形程度较小，应力较大。

2.4 舱门操纵钢索的载荷和应力

根据图1，舱门操纵钢索沿滑轮往复运动时，与滑轮接触段钢丝绳所受的应力主要包括拉伸应力、挤压应力、弯曲应力及摩擦应力，受滑轮槽底直径与钢丝直径比、钢丝绳在滑轮上的包角、钢丝绳缠绕方式等因素的影响。舱门操纵钢索在前转向滑轮与后导向滑轮处法向压力分析如图7和图8所示，前转向滑轮槽底直径为109 mm，对钢索的包角为77，后导向滑轮1和2槽底直径分别为74.5 mm 和67 mm，对钢索的包角分别为10和7。当钢索拉力为F1时，根据受力分析，钢索受前转向滑轮的法向压力为F3=0.76F1，受后导向滑轮1和2的法向压力分别为F3=0.18F1和F3=0.13F1。在工作载荷和滑轮法向压力作用下，相邻钢丝之间逐渐产生微动磨损，长期磨损会萌生疲劳裂纹，影响钢索寿命，不同包角下钢丝绳与滑轮接触时所受正压力不同，正压力越大，微动磨损越大。因此，舱门操纵钢索在前转向滑轮处的微动磨损比后导向滑轮处更严重。

钢索拉力产生的拉伸应力按以下公式计算：

式中，L为钢索拉力，MPa；T为钢索拉力，N；KL为拉伸应力不均匀系数，一般取KL =1.2；A为钢丝绳内所有钢丝横截面面积之和：

钢索拉力等于弹簧拉力，舱门接近关闭时，弹簧拉力为15480 N～17050 N，此时钢索承受疲劳应力循环中的最大拉应力Lmax。钢索行程等于弹簧最大形变量，在钢索与滑轮接触范围内（300 mm），拉应力沿钢索长度由大到小均匀分布。钢索与滑轮接触时由于包角的存在还受到弯曲应力，是钢索疲劳应力循环幅值的一部分。在舱门收放过程中，钢索与滑轮由非接触到接触状态是交替变化的，受到的弯曲应力也是循环变化的，最大弯曲应力Wmax计算公式为[8]：

式中，E为钢索的弹性模量，它不仅低于钢材料的弹性模量，而且具有一定的非线性，航空钢索的平均弹性模量约为1.5105 MPa[9]；d为钢丝直径，mm；D为滑轮槽底直径，mm； 为钢索在滑轮上包角，rad；L为钢索在滑轮上包角对应的弧长，mm。

钢索在滑轮处的最大疲劳应力max由最大拉伸应力Lmax和最大弯曲应力Wmax组成：

钢索在滑轮处的疲劳应力循环特征见表2，可以看出弯曲应力是钢索疲劳应力循环的主要成分，最大疲劳应力大小表现为：后导向滑轮2 后导向滑轮1 前转向滑轮，舱门操纵钢索的实际断丝部位和程度与理论分析结果相一致，因此故障钢索是以弯曲应力为主要控制因素的疲劳断丝。根据图78和公式（3），最大弯曲应力与钢丝直径成正比，与滑轮直径成反比，且包角越大，弯曲扭转段越长，最大弯曲应力范围越广。

3 结论

综上所述，故障钢索断丝原因是以交变弯曲应力为主要控制因素的疲劳断丝。根据装配关系，弹簧组件后端与固定支座上的轴承配合，可绕轴线旋转，另一端通过松紧螺套与钢索连接，钢索为柔性零件，同样可绕轴线旋转，钢索沿滑轮反复运动时，抗旋转性较差，内部不同方向上的扭转力矩不能相互抵消，钢索产生的扭转力矩会通过弹簧倾转来释放，使钢索与滑轮接触时会发生反向弯曲，从而导致个别断丝处出现双疲劳源区。在交变弯曲应力和滑轮法向压力作用下，随曲率半径的变化，相邻钢丝之间产生微小滑动，钢索表面与滑轮槽及不同层钢丝之间的微动磨损促使了疲劳裂纹的萌生，随着疲劳裂纹的扩展，承载截面面积减小，最终载荷超过了材料剩余截面承载的临界阈值，导致钢丝在瞬断区迅速断裂。此外，弹簧组件在工作中的振动会导致钢索在滑轮槽内上下摆动，加速疲劳断丝的发生。

4 改进措施

为了提高舱门操纵钢索疲劳寿命，采取以下改进措施：

1）对于前转向滑轮，因空间和结构布置的限制，只能更改包角大小，根据以往试验数据，包角越小，钢索寿命越长。改变滑轮支架位置，将前转向滑轮处的包角由77减小到65；对于后导向滑轮，由于包角已经很小，不能再减小，否则会出现钢索脱槽现象，因此将后导向滑轮1和2直径均增大至90mm，同时调整滑轮支架和弹簧固定支座的位置，保持包角不变。由于更改后钢索线系长度变化不大，可通过调整松紧螺套来调整弹簧形变量来满足使用要求，验证后钢索寿命有所提高。

2）选择直径较小的钢丝绳。直径为8mm的6×19+IWS钢丝绳最小破断力为43.6 kN，考虑1.5安全系数，理论上可以满足承载和疲劳要求，在滑轮直径不变的情况下，经试验验证后疲劳寿命有所提高。

3）参照GB/T 8706-2017[10]，考虑采用多层阻旋钢丝绳，即由两层股围绕一芯股螺旋捻制而成，且外层股与相邻内层股捻向相反，可以防止钢索出现较大旋转引起双向弯曲疲劳。

4）外场加强舱门操纵钢索的定期维护和保养，钢索表面、滑轮支架组件处的连接螺栓和滑轮槽接触面涂低温航空润滑脂，避免因磨擦过大引起疲劳裂纹源的产生。

参考文献：

[1]赵安家，施广生，.飞机钢索失效原因及预防措施研究[J].飞机设计，2019，（2）.

[2]刘庭耀，赵晓辉，.飞机操纵系统钢索断裂原因分析[J].失效分析与预防，2009，（4）.

[3] YB/T 5196-2005，飞机操纵用钢丝绳[S].冶金工业出版社，2005.

[4]GB/T 699-2015，优质碳素结构钢[S].北京：中国标准出版社，2016.

[5]廖红卫.钢丝绳的疲劳行为特征与损伤机理研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2006.

[6]温宁华.钻杆钢疲劳规律及断裂机理研究[D].西安石油大学：西安石油大学，2017.

[7]允正国.几种典型金属材料形变损伤与断裂特征的定性和定量研究[D].东北大学：东北大学，2016.

[8]沈志军，吕英臣，闫保国，李亚平，.一种钢丝弯曲疲劳试验原理探讨[J].金属制品，2011，（3）.

[9]王永熙.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，2003.

[10] GB/T 8706-2017，钢丝绳 术语、标记和分类[S]. 北京：中国标准出版社，2017.

作者一姓名：张凯涛；性别：男；出生年月：1994.09；籍贯：陕西省咸阳市；民族：汉族；最高学历：硕士研究生；目前职称：助力工程师；研究方向：飞机操纵系统设计