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        某型機(jī)艙門操縱鋼索斷絲原因分析與改進(jìn)研究

        2019-08-05 01:45:56孫江同
        中國(guó)設(shè)備工程 2019年12期

        孫江同

        (中航飛機(jī)股份有限公司,陜西 西安 710089)

        鋼絲繩可傳遞長(zhǎng)距離的負(fù)載,能夠承受多種載荷及交變載荷,具有較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性,在高速條件下耐磨、抗震、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好,承載安全系數(shù)大,使用安全性高,廣泛應(yīng)用于起重吊裝及操作系統(tǒng)。鋼絲繩是由許多螺旋元組成的復(fù)雜構(gòu)件,拉伸與扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生,且拉伸對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的影響與扭轉(zhuǎn)對(duì)縱向變形的影響互等。由于其使用中的受力狀態(tài)較為復(fù)雜,因而極易造成鋼絲材質(zhì)的損傷,其主要失效形式包括嚴(yán)重磨損、銹蝕、變形過量、疲勞、過載斷裂等。航空器的操縱系統(tǒng)中各類鋼索也廣為應(yīng)用,其性能往往涉及到整個(gè)系統(tǒng)的安全。研究鋼索的失效原因,采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施,有助于延長(zhǎng)其使用壽命,提高系統(tǒng)的安全性。某飛機(jī)在地面檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)艙門操縱系統(tǒng)中與彈簧組件相連的鋼索有斷絲現(xiàn)象,經(jīng)拆解后觀察鋼索外觀特征可知,距鋼索螺紋接頭的收壓端頭約378mm 處產(chǎn)生斷絲現(xiàn)象。斷絲鋼索全貌見圖1。

        1 鋼絲斷口觀察與分析

        將鋼索斷絲處切斷進(jìn)行拆解,7 股(每股19 根)鋼絲中,每股均有斷絲現(xiàn)象,斷裂位置沿鋼索軸向不盡相同。各股上的鋼絲斷裂情況為2 根、1 根、1 根、2 根、3 根、1 根;各股上的斷絲斷面較平齊,表面可見磨損痕跡。

        將鋼索的斷絲分別拆分清洗后,在掃描電鏡下對(duì)斷絲逐個(gè)進(jìn)行放大觀察,斷口形貌特征類似。斷口較平齊,表面較平坦,局部有磨損,無明顯塑性變形,見圖2。源區(qū)位于平坦區(qū)域邊緣,截面相對(duì)的兩側(cè),有的斷絲源區(qū)附近有磨損,每側(cè)的源區(qū)附近可見臺(tái)階,呈多源形貌,放大觀察可見疲勞形貌,擴(kuò)展區(qū)后段可見二次裂紋,瞬斷區(qū)較粗糙,可見高低臺(tái)階,放大為韌窩形貌,見圖3。斷口均未見冶金缺陷,說明鋼絲斷口均呈雙向彎曲疲勞特征,鋼索斷絲為雙向彎曲疲勞斷裂。通過裝配現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及安裝數(shù)模分析,確定斷絲位置與滑輪配合接觸位置吻合。當(dāng)艙門操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),鋼索沿滑輪輪槽作往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng);鋼索一端連接彈簧組件,運(yùn)動(dòng)時(shí)拉動(dòng)彈簧組件,承受變化的拉應(yīng)力。結(jié)合斷口形貌觀察,初步認(rèn)為鋼索斷絲系彎曲疲勞斷裂所致。

        圖1 斷絲鋼索全貌

        圖2 鋼索部分?jǐn)嘟z形貌

        圖3 斷口全貌(源區(qū)箭頭所指)

        2 鋼索斷絲故障樹分析

        造成飛機(jī)鋼索斷絲的因素有鋼絲繩冶金缺陷、鋼絲繩磨損、鋼絲繩疲勞、鋼絲繩銹蝕、鋼絲繩變形、鋼絲繩過載。根據(jù)以上因素,繪制艙門鋼索斷絲故障樹。按照故障樹(見圖4),對(duì)造成艙門鋼索斷絲的各種因素進(jìn)行分析。

        2.1 鋼絲繩冶金缺陷

        鋼絲繩產(chǎn)生于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的冶金缺陷,通過質(zhì)檢驗(yàn)收部門可以防止有冶金缺陷的鋼絲繩裝機(jī)。另鋼絲繩斷口未見冶金缺陷??梢耘懦捎阡摻z繩冶金缺陷導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

        2.2 鋼絲繩磨損

        鋼絲繩磨損一般分為外部磨損、變形磨損、內(nèi)部磨損3種情況,見圖5。艙門斷絲鋼索斷口全貌見圖3。

        圖4 艙門鋼索斷絲故障樹

        圖5 鋼絲磨損后斷面形狀

        (1)外部磨損。當(dāng)鋼絲繩繞過滑輪時(shí)會(huì)與滑輪繩槽發(fā)生摩擦,這種磨損是不可避免的,但是當(dāng)鋼絲繩與滑輪存在一定的偏角時(shí),鋼絲繩不僅與滑輪槽底發(fā)生摩擦,同時(shí)還會(huì)與滑輪的槽壁發(fā)生接觸和相對(duì)位移而造成滑動(dòng)摩擦。偏角越大,則鋼絲繩與槽壁的接觸應(yīng)力越大,鋼絲繩對(duì)槽壁的壓力也就越大,則摩擦力越大。摩擦力的增大,會(huì)急劇地增大鋼絲繩的磨損疲勞。經(jīng)過計(jì)算,斷絲鋼索與其導(dǎo)向滑輪之間的偏角均在合理范圍內(nèi),鋼索只與滑輪槽底發(fā)生摩擦。另根據(jù)鋼索斷口全貌圖,斷面形狀不符合鋼絲外部磨損后繩徑變細(xì),表面被磨平的斷面形狀,可以排除由于外部磨損導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

        (2)變形磨損。根據(jù)鋼索斷口全貌圖,斷面形狀不符合鋼絲變形磨損后斷面是擠壓處向兩旁伸展成翅形、鋼絲寬度擴(kuò)展的斷面形狀,可以排除由于變形磨損導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

        (3)內(nèi)部磨損。根據(jù)鋼索斷口全貌圖,斷面形狀不符合鋼絲內(nèi)部磨損后斷口呈齒形,表面圓滑凹形的斷面形狀,可以排除由于內(nèi)部磨損導(dǎo)致鋼索斷絲的因素。

        2.3 鋼絲繩疲勞

        鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞。鋼絲繩疲勞破壞的過程是:在循環(huán)載荷作用下,繩中鋼絲的局部最高應(yīng)力處,最弱的及應(yīng)力最大的鋼絲內(nèi)部晶粒上形成微裂紋,然后裂紋慢慢發(fā)展,最終導(dǎo)致疲勞斷絲。所以,疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和突然斷裂三個(gè)階段。

        (1)彎曲疲勞。鋼索的斷絲位置起始于距帶螺紋接頭的收壓端約378mm 處,斷絲范圍約為100mm,其余部位經(jīng)檢查未見斷絲現(xiàn)象。經(jīng)過裝配分析計(jì)算,鋼索斷絲位置在艙門關(guān)閉時(shí),距直徑Φ67mm 滑輪左端約261mm,在艙門打開時(shí),斷絲位置剛好與直徑Φ67mm 滑輪位置重合。鋼索斷絲位置在艙門開啟關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)過程中與滑輪配合接觸位置吻合。

        鋼索的彎曲應(yīng)力可以按巴赫公式計(jì)算:

        式中,Ec為鋼索的拉伸彈性模量,它不僅低于鋼絲材料的彈性模量,而且具有一定的非線性,一般來說航空鋼索的平均拉伸彈性模量約為1.5×105MPa,d 為鋼絲直徑;D為轉(zhuǎn)向滑輪槽底直徑??梢妼?duì)于同一根鋼索,導(dǎo)向滑輪直徑越小其彎曲應(yīng)力越大,這與鋼索斷絲位置在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過Φ67mm 滑輪相吻合,Φ109mm 滑輪處未發(fā)現(xiàn)鋼索斷絲。

        因此不能排除鋼索在滑輪處由于彎曲疲勞導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素,6×19+IWS-9.5 鋼索最佳滑輪直徑為90.49mm,小于這個(gè)直徑的滑輪將會(huì)加劇鋼索的彎曲疲勞斷裂。

        (2)拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞。鋼索與艙門大彈簧相連,受彈簧拉伸應(yīng)力,彈簧在艙門開合過程中會(huì)產(chǎn)生交變的拉伸應(yīng)力,變化的拉伸應(yīng)力更容易引起金屬疲勞;同時(shí)飛機(jī)在飛行過程中大彈簧不可避免的會(huì)發(fā)生振動(dòng)的情況,使鋼索同樣發(fā)生振動(dòng),因此不能排除由于拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

        2.4 鋼絲繩銹蝕嚴(yán)重

        經(jīng)過檢查未發(fā)現(xiàn)鋼絲繩有銹蝕情況,排除由于銹蝕導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

        2.5 鋼絲繩變形

        檢查斷絲鋼索,未發(fā)現(xiàn)鋼絲繩有因?yàn)閴罕狻⑴そY(jié)以及股松弛產(chǎn)生的變形情況,排除由于變形導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

        2.6 鋼絲繩過載

        與大彈簧相連鋼索需承受的最大載荷為17052N,鋼絲繩6×19+IWS-9.5 的許用拉力為61000N,排除由于過載導(dǎo)致鋼索斷絲這一因素。

        3 故障排查結(jié)論

        目前與大彈簧相連鋼索的牌號(hào)為6×19+IWS-9.5,其疲勞壽命試驗(yàn)推薦滑輪直徑為90.49mm,而與其配合的滑輪中最小直徑為Φ67mm,這會(huì)急劇縮短其彎曲疲勞產(chǎn)生的時(shí)間。經(jīng)裝配分析計(jì)算,鋼索經(jīng)過直徑Φ67mm 的滑輪時(shí),其偏角為0°30′,在艙門打開時(shí),其徑向彎曲應(yīng)力約為50N,幾乎可以忽略不計(jì)。艙門大彈簧有些許震動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致鋼索在滑輪輪槽內(nèi)上下擺動(dòng),加劇疲勞的產(chǎn)生。綜上所述,認(rèn)為剛索斷絲系鋼索的直徑與滑輪的直徑不匹配,以及鋼索的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、交變拉應(yīng)力以及軸向扭動(dòng),在與滑輪軌道槽接觸處形成復(fù)雜的交變應(yīng)力,致使鋼絲疲勞斷裂。其中鋼索的直徑與滑輪的直徑不匹配是導(dǎo)致鋼絲疲勞斷裂加劇的重要原因。

        4 結(jié)語

        飛機(jī)操縱鋼索斷絲的成因多樣,建立完整的故障樹,逐一分析排查,可準(zhǔn)確定位故障原因。根據(jù)分析,某機(jī)型艙門鋼索斷絲原因?yàn)槠跀嗔?,后續(xù)可主要圍繞減小鋼索直徑,增大滑輪直徑,增加鋼索豎直方向的約束以消除雙向彎曲等方面進(jìn)行的改進(jìn)工作,延長(zhǎng)鋼索使用壽命。

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