狄杰 王鵬鵬 時(shí)杰

摘要：某型飛機(jī)大修過(guò)程中多次發(fā)現(xiàn)駕駛員拋蓋鎖上限位簧片耳部撕裂故障。通過(guò)對(duì)拋蓋鎖限位簧片的作用機(jī)理進(jìn)行分析，列出可能導(dǎo)致限位簧片撕裂故障的原因，并進(jìn)行分析驗(yàn)證。借助有限元仿真分析計(jì)算限位簧片的應(yīng)力分布，最終確定故障原因。針對(duì)故障頻發(fā)原因制作工具并制定措施進(jìn)行改進(jìn)，從根源上解決了大修過(guò)程中限位簧片的多發(fā)故障。

關(guān)鍵詞：限位簧片；有限元分析；改進(jìn)

Keywords：limit reed；finite element analysis；improvement

0 引言

某型飛機(jī)大修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)駕駛員艙蓋拋蓋鎖短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)生限位簧片耳部撕裂故障，返工更換限位簧片后再次發(fā)生撕裂（見圖1）。

拋蓋鎖作為連接駕駛員艙蓋和機(jī)體的重要承力構(gòu)件，正常使用時(shí)拉緊艙蓋保證駕駛艙的氣密性，應(yīng)急拋放時(shí)迅速釋放艙蓋并清空彈射通道，保證艙蓋的正常拋放。限位簧片在拋蓋鎖解鎖過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，限制鎖鉤反彈，保證彈射系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 限位簧片作用形式分析

拋蓋中鎖口框部分主要構(gòu)件及裝配如圖2所示。

艙蓋應(yīng)急拋放開鎖或日常維護(hù)開鎖時(shí)，鎖鉤從上鎖狀態(tài)解鎖，受轉(zhuǎn)軸處扭簧作用力向下彈出，運(yùn)動(dòng)到下限位時(shí)與支座發(fā)生碰撞并產(chǎn)生反彈。鎖鉤反彈運(yùn)動(dòng)時(shí)，限位簧片兩側(cè)耳部與支座卡槽相互作用，限制鎖鉤的運(yùn)動(dòng)，確保不會(huì)因鎖鉤反彈發(fā)生反復(fù)運(yùn)動(dòng)而影響彈射通道的清空或傷到人員。

2 限位簧片故障機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)限位簧片的故障形式及發(fā)生位置進(jìn)行研究，得出故障原因?yàn)椋烘i鉤處于限位狀態(tài)時(shí)受到過(guò)大的作用力，當(dāng)作用力超過(guò)彈簧片所能提供的最大限位力矩時(shí)，彈簧片即發(fā)生塑性變形而失效，在應(yīng)力集中處繼續(xù)發(fā)展為撕裂故障。

綜合作用形式及材料特性，對(duì)限位簧片故障發(fā)生的直接原因進(jìn)行分析，得出以下可能原因。

1）在拋蓋鎖開鎖時(shí)，鎖鉤受到扭簧作用高速向下轉(zhuǎn)動(dòng)，在鎖鉤和支座發(fā)生碰撞之后產(chǎn)生反彈。過(guò)大的反彈沖擊力作用在限位簧片上，致使限位簧片發(fā)生破壞失效。

2）拋蓋鎖上鎖時(shí)，鎖鉤處于限位狀態(tài)受到外界作用力，迫使鎖鉤向限位方向運(yùn)動(dòng)，最終過(guò)大的作用力使其破壞失效。

3）限位簧片制作材料存在缺陷，正常使用和維護(hù)過(guò)程中拋蓋鎖開鎖行為使彈簧片缺陷擴(kuò)大，最終撕裂失效。

3 分析驗(yàn)證故障原因

3.1 正常拋蓋開鎖時(shí)限位簧片受到過(guò)大的沖擊力

拋蓋鎖口框部分主要由鎖鉤、支座、限位簧片、限位塊等零件裝配組成。其中，限位塊、限位簧片與鎖鉤固定連接。當(dāng)拋蓋鎖解鎖時(shí)，鎖鉤自由端脫開，受轉(zhuǎn)軸處扭簧作用力向下彈開。鎖鉤轉(zhuǎn)動(dòng)到底時(shí)，與支座發(fā)生碰撞并產(chǎn)生反彈，此時(shí)限位簧片兩側(cè)耳部會(huì)與支座溝槽卡住，從而阻止鎖鉤繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，即限位簧片發(fā)揮限位作用。

支座、鎖鉤和限位塊皆由30CrMnSiA高強(qiáng)度合金鋼制成。限位簧片由0.5mm厚高強(qiáng)度彈性合金3J21（Co40CrNiMo）制成。3J21帶材A組抗拉強(qiáng)度σb為1177～1471GPa。

在正常解鎖過(guò)程中，限位簧片主要受力情況為：鎖鉤向下運(yùn)動(dòng)與支座產(chǎn)生碰撞后產(chǎn)生反彈，由于鎖鉤和限位簧片固連，兩者同時(shí)以一定初速度向上反彈，并因限位簧片耳部與支座碰撞而停止運(yùn)動(dòng)。

此過(guò)程鎖鉤與限位簧片運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力平衡方程為

其中，θ為鎖鉤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，Iz為鎖鉤和限位簧片固連之后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，k為轉(zhuǎn)軸處三件扭簧提供的彈性系數(shù)之和。

在限位簧片與支座卡槽碰撞接觸過(guò)程中，由于高彈性的限位簧片產(chǎn)生緩沖作用，延長(zhǎng)了碰撞接觸時(shí)間，沖擊反力可以通過(guò)其較大的變形計(jì)算。以鎖鉤及限位簧片在產(chǎn)生限位作用后繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)的角度作為輸入條件，通過(guò)有限元仿真計(jì)算手段，可以計(jì)算得出限位簧片受沖擊反力后引起的最大應(yīng)力值。由于鎖鉤受到碰撞沖擊力后轉(zhuǎn)動(dòng)角度很小，因此可以忽略在此過(guò)程中轉(zhuǎn)軸處扭簧彈力對(duì)鎖鉤產(chǎn)生的作用力影響。

彈簧片的失效形式為剛性撕裂，根據(jù)最大拉應(yīng)力理論即第一強(qiáng)度理論，斷裂條件為

對(duì)受碰撞沖擊的限位簧片產(chǎn)生的最大變形量進(jìn)行測(cè)量，采用高速運(yùn)動(dòng)相機(jī)對(duì)拋蓋鎖解鎖過(guò)程進(jìn)行定位拍攝。通過(guò)后期處理將未變形時(shí)的鎖鉤位置照片與運(yùn)動(dòng)相機(jī)捕捉到的最大變形量關(guān)鍵幀重合（見圖3），并選取自由端一定點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，即可得出受反彈沖擊力后鎖鉤的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再通過(guò)裝配關(guān)系得出限位簧片最大變形量。

對(duì)鎖鉤在限位簧片作用下的反彈過(guò)程測(cè)量10次，記錄觀測(cè)點(diǎn)最大位移量（見表1）。去掉一個(gè)最大值之后取測(cè)量結(jié)果的最大值作為鎖鉤的最大轉(zhuǎn)角。

通過(guò)裝配關(guān)系及運(yùn)動(dòng)形式得出限位簧片的變形量，將其作為參數(shù)輸入有限元模型進(jìn)行求解。仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

取兩側(cè)耳部最大應(yīng)力附近單元進(jìn)行變形過(guò)程應(yīng)力值監(jiān)測(cè)，得到應(yīng)力—變形圖，如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，在實(shí)際開鎖過(guò)程中，限位簧片受反彈沖擊力后受到的最大應(yīng)力值約為880MPa。

限位簧片在正常解鎖過(guò)程中剩余安全系數(shù)大于0.5，說(shuō)明拋蓋鎖正常開啟過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致限位簧片發(fā)生破壞失效，因此可以排除正常解鎖造成限位簧片多發(fā)性撕裂故障的可能性。

3.2 在限位狀態(tài)下人為施加載荷，作用力過(guò)大導(dǎo)致限位簧片破壞失效

在飛機(jī)維護(hù)和修理中，拋蓋鎖的上鎖需要人為將鎖鉤從限位位置恢復(fù)到上鎖位置，首先是將處于限位狀態(tài)的簧片脫離，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)鎖鉤。操作人員有可能因?qū)夹g(shù)原理不夠了解等原因而未將限位簧片脫離，在強(qiáng)制鎖鉤轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中造成限位簧片局部應(yīng)力過(guò)大發(fā)生撕裂破壞。

為了驗(yàn)證人為施加載荷對(duì)限位簧片的應(yīng)力分布影響情況，對(duì)受外力載荷下限位簧片應(yīng)力分布進(jìn)行仿真計(jì)算。

經(jīng)過(guò)對(duì)鎖鉤在機(jī)上裝配空間的勘察及人員操作形式分析后，將人為施加載荷點(diǎn)設(shè)置為鎖鉤自由端橫軸，通過(guò)仿真計(jì)算得到對(duì)自由端橫軸施加不同載荷時(shí)限位簧片應(yīng)力分布情況。

有限元分析網(wǎng)格如圖6所示，在限位簧片與支座作用耳部截面施加均布?jí)毫d荷，固定限位簧片和限位塊上的螺釘裝配孔面。通過(guò)測(cè)定人為施加載荷點(diǎn)與仿真載荷輸入點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩，由式（1）可得隨人為施加載荷的變化限位簧片應(yīng)力分布情況。

式中，F(xiàn)為人為施加載荷，L1為人為載荷作用點(diǎn)到鎖鉤轉(zhuǎn)軸的距離，P為限位簧片耳部截面所受壓力，A為限位簧片耳部截面面積，L2為限位簧片耳部到鎖鉤轉(zhuǎn)軸距離。

對(duì)耳部應(yīng)力集中部位單元應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換后得出，當(dāng)在鎖鉤自由端橫軸上施加123～160N人為載荷時(shí)，限位簧片耳部最大應(yīng)力值即達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限范圍。而修理維護(hù)過(guò)程中，操作人員能夠輕易地提供大于此安全值的人為載荷，從而導(dǎo)致了限位簧片的破壞。因此，人為載荷可以成為限位簧片多發(fā)性撕裂故障的直接原因。

3.3 材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致撕裂故障

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)生撕裂故障的限位簧片有18件，其中包含原機(jī)件正常使用一個(gè)周期的限位簧片，也包含大修時(shí)換新以及發(fā)生撕裂故障后返工換新的不同批次彈簧片。對(duì)多架大修飛機(jī)使用一個(gè)周期后的限位簧片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，外場(chǎng)正常使用一個(gè)周期后限位簧片的故障發(fā)生率僅為5%，且無(wú)耳部撕裂故障出現(xiàn)。

由此判斷，限位簧片耳部撕裂故障均是在大修期間工序傳遞時(shí)發(fā)生的，因此，可以排除限位簧片內(nèi)部缺陷導(dǎo)致大量重復(fù)故障這一假設(shè)。

綜上分析得出結(jié)論：正常拋蓋解鎖不會(huì)導(dǎo)致限位簧片發(fā)生撕裂故障。人員對(duì)限位簧片技術(shù)原理不了解、在限位狀態(tài)下強(qiáng)行扳動(dòng)鎖鉤是限位簧片頻發(fā)撕裂故障的直接原因。

4 解決措施

鎖鉤在上鎖時(shí)需要人為恢復(fù)位置，而實(shí)際裝配后的鎖鉤處于限位狀態(tài)，需要手動(dòng)調(diào)整限位簧片耳部使其脫離支座卡槽，鎖鉤才能恢復(fù)至正常上鎖位置。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，由于中間位置扭簧的限制，操作人員調(diào)整限位簧片較困難。因此，設(shè)計(jì)一專用工具用于上鎖時(shí)調(diào)整限位簧片的位置。該限位簧片調(diào)整扳手采用直徑3mm的彈簧鋼棒折彎制作，其結(jié)構(gòu)形式以及使用方式如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)限位簧片的作用原理、作用形式及故障形式進(jìn)行分析，得出限位簧片多發(fā)耳部撕裂故障的原因，通過(guò)對(duì)正常使用狀態(tài)和人為施加載荷時(shí)限位簧片的受力進(jìn)行仿真計(jì)算，得出限位簧片耳部應(yīng)力分布變化情況。結(jié)合材料性能參數(shù)后得出結(jié)論：正常解鎖不會(huì)造成限位簧片撕裂破壞，故障發(fā)生的直接原因是人為施加載荷導(dǎo)致限位簧片耳部發(fā)生撕裂破壞。后續(xù)對(duì)操作人員講解限位簧片的技術(shù)原理，并在經(jīng)過(guò)實(shí)際勘察后設(shè)計(jì)制作了限位簧片調(diào)整扳手，方便操作人員對(duì)其進(jìn)行位置調(diào)整，從而杜絕了對(duì)限位簧片的人為破壞。

作者簡(jiǎn)介

狄杰，助理工程師，主要從事航空飛行器結(jié)構(gòu)修理技術(shù)研究。

王鵬鵬，助理工程師，主要從事航空飛行器結(jié)構(gòu)修理技術(shù)研究。

時(shí)杰，高級(jí)工程師，主要從事航空飛行器結(jié)構(gòu)修理技術(shù)研究。