張宗偉

（中國(guó)民航飛行學(xué)院，四川 廣漢618300）

0 引 言

2018年某日，某CE525飛機(jī)執(zhí)行某航行訓(xùn)練任務(wù)，爬升改平飛收油門過(guò)程中發(fā)生左發(fā)動(dòng)機(jī)停車。事后調(diào)查，引起飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車的原因，是機(jī)組空中操縱油門桿時(shí)，因油門桿慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘脫落造成操縱油門桿位置時(shí)越過(guò)慢車位接近關(guān)車位，致使左發(fā)動(dòng)機(jī)停車，鉚釘失效這一機(jī)械故障是發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車的直接原因，如圖1、圖2所示。

故障發(fā)生后，對(duì)該機(jī)型緊急執(zhí)行故障排查，機(jī)群7架飛機(jī)14臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿操縱組件均不同程度出現(xiàn)與事發(fā)飛機(jī)類似的鉚釘松動(dòng)，其中2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘已經(jīng)拉伸成圖2所示形狀，只是尚未脫落，發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車并不是偶然事件，是必然事件。

圖1 失效油門桿

圖2 失效鉚釘

1 飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中鉚釘?shù)倪x用

鉚接是一種不可拆卸的連接，它是依靠鉚釘桿鐓粗形成鐓頭將工件連接在一起。由于其價(jià)格低廉，可靠性及強(qiáng)度較高，便于攜帶、施工等優(yōu)點(diǎn)而成為一種應(yīng)用廣泛的永久性連接方法，在航空結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)一架大型客機(jī)有100多萬(wàn)個(gè)鉚釘和約30萬(wàn)個(gè)螺栓，如典型的空客330飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼上大約有40萬(wàn)件緊固件[1]。案例中油門操縱組件中慢車油柄與油門桿連接，就采用了鉚釘固定慢車止動(dòng)銷釘，防止其工作中滑脫失效。飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了慢車油柄的固定方式，如圖3所示[2]。

圖3 油門桿組件

通過(guò)鉚釘固定慢車手柄活動(dòng)銷釘，防止銷釘滑脫失效，由于油門操縱臺(tái)安裝在狹窄的座艙，為了防塵和防異物滯留在飛機(jī)上，在油門桿活動(dòng)位置均安裝了彈性較好的膠皮密封，膠皮與油門桿貼合很好，但又不卡滯油門的操縱，實(shí)現(xiàn)有效防塵。為了減小與膠皮的摩擦，慢車止動(dòng)手柄上的鉚釘鐓頭的高度極低，只有極薄的一層，厚度約0.2 mm，與止動(dòng)手柄平面基本持平，圖2所示的失效鉚釘右端就是鐓頭直接拉伸延長(zhǎng)滑脫，壁厚不足0.2 mm。按照航空器結(jié)構(gòu)修理的基本規(guī)則，鐓頭高度為0.5D, 直徑為1.5D的鼓形（D為鉚釘?shù)闹睆剑?，此處使用的鉚釘直徑D=0.125 in=3.175 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)的鉚接鐓頭，加上膠皮的遮擋，為飛機(jī)后面的操控埋下了安全隱患。

2 選擇低于鉚接標(biāo)準(zhǔn)的鉚接鐓頭的原因分析

飛機(jī)在設(shè)計(jì)制造并制定運(yùn)行維護(hù)方案時(shí)，都將慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘當(dāng)成非重要部件，主要是基于以下原因：1）鉚釘受力不大。如圖3所示，鉚釘只是固定慢車止動(dòng)手柄活動(dòng)銷釘，圖2是脫落的鉚釘與銷釘，機(jī)組操縱慢車手柄時(shí)，主要是帶動(dòng)銷釘在卡槽中上下移動(dòng)，飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)使用鉚釘只是防止銷釘活動(dòng)時(shí)意外脫落，鉚釘只是起限位固定作用，設(shè)計(jì)時(shí)不存在受力問(wèn)題。2）鉚釘鐓頭防卡滯。油門桿操縱是飛行中的關(guān)鍵點(diǎn)，任何操縱中的卡滯都可能釀成空中險(xiǎn)情，飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)于關(guān)注鐓頭過(guò)高可能造成在推拉油門桿或慢車手柄時(shí)鉚釘鐓頭與防塵脫皮摩擦（如果脫皮有破損或異物，就可能造成在鉚釘鐓頭的干擾下油門操縱不便或卡滯）。

在該飛機(jī)的維護(hù)記錄中，沒(méi)有更換事發(fā)油門桿與慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘?shù)挠涗?。甚至在飛機(jī)各類維護(hù)方案、飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)手冊(cè)中沒(méi)有對(duì)油門桿組件（包括慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘）的檢查要求。在維修方案中也沒(méi)有對(duì)油門桿組件（包括慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘）的專項(xiàng)定期檢查要求。現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)檢查、機(jī)身300 h定期檢修、機(jī)身1200 h定期檢修、發(fā)動(dòng)機(jī)300/600 h定期檢修及其他例行工作單卡中，均沒(méi)有對(duì)油門桿組件（包括慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘）的檢查要求。在更換發(fā)動(dòng)機(jī)工作單中有對(duì)油門桿與發(fā)動(dòng)機(jī)燃調(diào)連接鋼索的校裝要求，也沒(méi)有對(duì)油門桿組件（包括慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘）的檢查要求。在12 000 h結(jié)構(gòu)檢查工作單中有對(duì)中央操縱臺(tái)區(qū)域的詳細(xì)檢查，但未明確針對(duì)油門桿組件（包括慢車止動(dòng)手柄連接）[3-4]。

綜上所述，現(xiàn)有該型飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)維護(hù)手冊(cè)及維修方案中沒(méi)有對(duì)油門桿組件（包括慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘）的檢查要求；工作單卡中，除12 000 h結(jié)構(gòu)檢查工作單有對(duì)中央操縱臺(tái)區(qū)域的詳細(xì)檢查要求外（但未明確對(duì)油門桿組件及慢車止動(dòng)手柄連接鉚釘?shù)臋z查要求），其余定檢及例行工作單中無(wú)該項(xiàng)檢查要求。

事后該運(yùn)行單位緊急調(diào)查該型飛機(jī)（共7架），慢車手柄上的固定鉚釘均為此種鉚接方式，其中有兩架飛機(jī)的鉚釘鐓頭已經(jīng)拉伸至圖2所示的狀態(tài)，只是尚未脫落，還沒(méi)有影響油門操控，因此，機(jī)群中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停車這一安全風(fēng)險(xiǎn)是不可避免的。

3 鉚釘失效分析

由于制成航空器鉚釘?shù)匿X合金材料本身就可能存在冶金缺陷或加工缺陷，并且在服役過(guò)程中也可能受到損傷，因此在特定條件下將會(huì)發(fā)生過(guò)量塑性變形、老化、破斷、磨損和腐蝕等形式的失效，喪失預(yù)期性能。連接鉚釘受到剪切、拉伸、彎曲等3種不同方式的應(yīng)力，當(dāng)幾種應(yīng)力都施加在鉚釘上，尤其是超負(fù)載的情況下，鉚釘很容易產(chǎn)生拉伸、磨損，從最薄弱的鐓頭開(kāi)始變形，直至拉伸失效。長(zhǎng)時(shí)間處在交變載荷條件下，在鉚釘軸向拉應(yīng)力下受圓周方向上剪切力作用，產(chǎn)生了變形、松脫。飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件是按照特定的動(dòng)載荷、靜載荷、變形和使用功能要求設(shè)計(jì)的。油門桿與慢車止動(dòng)銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)也是按照這個(gè)思路進(jìn)行。慢車止動(dòng)手柄通過(guò)上部?jī)蓚€(gè)螺釘、下部鉚釘及復(fù)位彈簧固定在油門桿滑槽中（如圖3）。正常情況下，慢車止動(dòng)手柄與止動(dòng)卡槽相接觸將油門桿鎖定在慢車位。只有當(dāng)向上提起慢車止動(dòng)手柄克服彈簧力并越過(guò)止動(dòng)卡槽，油門桿才能向后拉至停車位并在復(fù)位彈簧的作用下再次鎖定。在油門操縱組件中，慢車手柄緊貼油門桿上下移動(dòng)，手柄、銷釘、復(fù)位彈簧形成一個(gè)受力組件，慢車止動(dòng)手柄通過(guò)上部?jī)蓚€(gè)螺釘、下部鉚釘固定的銷釘及復(fù)位彈簧固定在油門桿滑槽中，固定銷釘?shù)你T釘是不斷承受拉伸和剪切力矩，最后從鉚釘最薄弱的鐓頭處變形及到松脫。

1）鉚釘承受剪切力，銷釘在止動(dòng)卡槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在長(zhǎng)時(shí)間的使用，飛機(jī)從2005年引進(jìn)，飛行時(shí)間接近12 000 h，7000余次起落，粗略地估算，慢車油門至少會(huì)操縱7000×2=14000次，如果加上地面試車，這個(gè)數(shù)值還會(huì)更大，這個(gè)數(shù)量也從旁證明了鉚釘受力確實(shí)不大，但銷釘在卡槽中活動(dòng)，大量往復(fù)運(yùn)動(dòng)，銷釘稍有卡滯，將會(huì)傳導(dǎo)摩擦力給固定鉚釘，活動(dòng)不暢更會(huì)使鉚釘承受一定的剪切力。

2）鉚釘承受拉伸力，慢車油門與油門桿一齊聯(lián)動(dòng)，隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，慢車手柄與油門桿之間的間隙愈發(fā)增大，在操縱慢車手柄時(shí)，銷釘外張間隙造成的張力使固定鉚釘承受拉伸力。

3）特殊的服役條件——粗猛操作。該機(jī)型作為飛行學(xué)院高級(jí)訓(xùn)練機(jī)，教員帶學(xué)生飛行，飛機(jī)受到大量非熟練學(xué)員的操縱，作為生手，在操縱時(shí)相對(duì)手法生硬，加上初次飛行，動(dòng)作更可能僵硬，操縱油門桿對(duì)鉚釘?shù)臎_擊更大。

總之，大量的慢車油門操控、反復(fù)運(yùn)動(dòng)形成的交變載荷使慢車油門與油門桿間隙變大，進(jìn)而增大鉚釘?shù)睦旖蛔冚d荷。鉚釘失效是多種因素累積的結(jié)果，是與訓(xùn)練時(shí)間和飛機(jī)起落次數(shù)相關(guān)的一種破壞方式。長(zhǎng)時(shí)間處在慢車操縱沖擊負(fù)載條件下，在鉚釘軸向拉應(yīng)力下受圓周方向上剪切力作用。慢車油門操作時(shí)的動(dòng)力與鉚釘鉚接預(yù)緊力之間產(chǎn)生多種復(fù)合應(yīng)力，由于鉚釘受力很小加上慢車操縱間隔時(shí)間較長(zhǎng)，這是一種高周循環(huán)和低周應(yīng)力共同作用的微動(dòng)疲勞。這種疲勞通常出現(xiàn)在載荷很小或應(yīng)力分布較為均勻、應(yīng)力集中不嚴(yán)重的情況下，疲勞斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)低于鉚釘?shù)撵o拉伸強(qiáng)度，甚至遠(yuǎn)低于鉚釘材料的屈服極限。當(dāng)然粗猛操作會(huì)進(jìn)一步增大交變載荷，降低鉚接的可靠性。在油門桿操縱及提拉慢車止動(dòng)手柄過(guò)程中會(huì)對(duì)鉚釘產(chǎn)生一定的剪切力，使鐓頭發(fā)生變形并被擠壓后逐漸縮小，鉚釘出現(xiàn)松動(dòng)，油門桿和止動(dòng)手柄之間產(chǎn)生間隙。在長(zhǎng)期操縱過(guò)程中，剪切力產(chǎn)生的軸向分量使鉚釘逐漸從固定孔中退出并最終脫落，導(dǎo)致鉚釘疲勞拉伸失效，鉚釘脫落后，油門桿與慢車止動(dòng)手柄產(chǎn)生相對(duì)偏轉(zhuǎn)，使油門桿不能正常鎖定在慢車位。

4 飛機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行建議

1）飛機(jī)設(shè)計(jì)建議。針對(duì)此次鉚釘失效，維修單位對(duì)出現(xiàn)松動(dòng)的鉚釘及時(shí)進(jìn)行了更換，同時(shí)增加了鐓頭的高度，增加抗拉強(qiáng)度。同時(shí)維修單位及時(shí)向廠家及管理機(jī)構(gòu)反饋，修訂飛機(jī)設(shè)計(jì)，查找設(shè)計(jì)缺陷或漏洞，保證安全，查找飛機(jī)上類似的位置重要、相對(duì)隱蔽、存在突發(fā)問(wèn)題可能的部件。同時(shí)也建議在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中，在關(guān)鍵位置上的材料及緊固件的選擇上應(yīng)該考慮更細(xì)一點(diǎn)，考慮更多一點(diǎn)，更謹(jǐn)慎一些（如本例故障就存在隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，事前不易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生，往往導(dǎo)致災(zāi)難性后果）。合理設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，綜合考量，增加安全裕度，盡量避免或減少安全風(fēng)險(xiǎn)。在一些特殊的工況條件下，若忽略鉚釘設(shè)計(jì)選擇的特殊性，就可能產(chǎn)生質(zhì)量隱患，進(jìn)而引發(fā)飛行事故。當(dāng)然，飛機(jī)使用10 000 h以后，十幾年的運(yùn)行使機(jī)群出現(xiàn)本案例中的安全問(wèn)題，從飛機(jī)設(shè)計(jì)角度也佐證了選擇此種鉚接方式的有效性。當(dāng)前正值國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)制造的關(guān)鍵階段，通過(guò)對(duì)飛機(jī)使用維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行梳理，舉一反三，不斷夯實(shí)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的安全基礎(chǔ)。

2）飛機(jī)運(yùn)行建議。隨著飛機(jī)的逐步老齡化，以及飛機(jī)服役環(huán)境的變化，飛機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生許多意想不到的缺陷或漏洞，所以飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)檢查，及時(shí)清理更換損壞部件（如本例故障就需要加強(qiáng)對(duì)鉚釘專項(xiàng)目視檢查，及時(shí)更換狀態(tài)差的鉚釘）。同時(shí)要舉一反三，對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵位置再梳理，排查安全隱患。特別是在飛機(jī)老齡化補(bǔ)充檢查大綱中更應(yīng)充分分析飛機(jī)存在的隱患，制定合理有效的維護(hù)方案，保證飛機(jī)運(yùn)行安全。