引言

Cessna172飛機采用全金屬機身結(jié)構(gòu)、前三點式起落架和上單翼設(shè)計,其主起落架為不可收放的管簧式或板簧式固定結(jié)構(gòu),管簧式起落架的主體結(jié)構(gòu)是一彎折成Z字型的彈簧鋼管,如圖1所示,板簧式起落架的主體結(jié)構(gòu)是一彎折成Z字型的彈簧鋼板,兩種結(jié)構(gòu)的起落架均結(jié)構(gòu)簡潔、維護簡單、可靠耐用,既充當(dāng)承力結(jié)構(gòu),也是吸能結(jié)構(gòu)。左、右主起落架分別用螺栓固定在機身底部,其下部外側(cè)連接了一個鑄鋁機輪組件和鋼制圓盤式剎車系統(tǒng),為防止剎車油管、整流罩等部件與主起落架碰磨,在主起落架表面還粘貼了特氟龍膠帶以防磨。經(jīng)分析,兩種主起落架材質(zhì)為6150M彈簧鋼,性能與國內(nèi)50CrVA鋼相近,在國外被廣泛用于制造輕型飛機固定式起落架。

1主起落架多發(fā)性故障特點

1.1美國

通過查詢美國聯(lián)邦航空局(Federa1AviationAdministration,簡稱FAA)航空器使用困難報告數(shù)據(jù)庫(ServiceDifficu1tyReport,簡稱SDR),收集到228條與Cessna飛機起落架系統(tǒng)有關(guān)的SDR報告,SDR故障報告日期在1995年5月至2022年7月,其中214條與可收放起落架有關(guān),14條與不可收放起落架有關(guān),數(shù)據(jù)分析如圖2所示。進一步分析11個機型出現(xiàn)的多條不可收放起落架出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):4起為前起落架故障:1起為主起落架上的浮筒故障:7起主起落架故障中,有5起為主起落架與機身處的連接螺栓松動或安裝襯套損傷(其中4起明確發(fā)生在右主起落架),1起為主起落架輪軸缺乏潤滑,1起為重著陸導(dǎo)致主起落架折斷,沒有Cessna172飛機起落架的故障信息。基于美國通航業(yè)高度發(fā)達、輕型飛機飛行小時數(shù)達近百萬小時來折算,Cessna飛機裝用的兩種一體式不可收放起落架可靠性較高。

Cessna飛機公司針對1946一1986年生產(chǎn)的145000架單發(fā)、鋁制全金屬飛機,基于對全球用戶歷年反饋的主要故障及原因的分析結(jié)果,于2016年發(fā)布了CessnasingleEnginesa/eflynifiafiIe報告,見文獻。報告指出:由于這些飛機的平均使用年限達到42年,屬于老齡飛機,因此多發(fā)性故障主要是腐蝕和疲勞導(dǎo)致的各種結(jié)構(gòu)部件失效及損傷,其中主起落架的多發(fā)性故障為腐蝕和疲勞斷裂,如圖3所示。圖3(a)展示了板簧式主起落架出現(xiàn)腐蝕的主要位置是腳蹬處,圖3(b)展示了一架因為點蝕而萌發(fā)了疲勞裂紋,最終導(dǎo)致主起落架折斷、飛機嚴(yán)重受損的案例。

飛機設(shè)計思想的發(fā)展過程一般分為五個階段:第一階段為靜強度設(shè)計階段,第二階段為靜強度和剛度設(shè)計階段,第三階段為強度/剛度/疲勞安全壽命設(shè)計階段,第四階段為強度/剛度/損傷容限和耐久性設(shè)計階段,第五階段為結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計試用階段。Cessna172飛機在1955年11月取得FAA頒發(fā)的TC,其結(jié)構(gòu)設(shè)計處于靜強度和剛度設(shè)計階段,沒有考慮到疲勞對結(jié)構(gòu)的壽命影響,因此,在2011年以前,Cessna飛機公司對其Cessna172系列飛機沒有規(guī)定使用壽命限制,比如飛行小時壽命、飛行起落壽命、飛行年限壽命。

在收到澳大利亞等用戶報告的多起腐蝕故障后,Cessna飛機公司于2011年8月發(fā)布了針對Cessna系列飛機的補充檢查項目(supp1ementa1InspectionDocument,SDR數(shù)據(jù)分析簡稱sID),要求用戶針對不同使用年限、飛行小時的飛機結(jié)構(gòu)進行定期檢查。十年間,sID項目從最初的23項已增加到目前的32項。2015年6月,Cessna飛機公司在飛機維護手冊第五章《補充結(jié)構(gòu)檢查》的說明部分中明確:推薦用戶將累計使用時間達到30000h后的Cessna172飛機退役。究其根本原因,還是老齡飛機不可避免地面臨腐蝕和疲勞問題,在腐蝕和疲勞的雙重作用下,飛機重要結(jié)構(gòu)的損傷概率大增。

1.2澳大利亞

澳大利亞四面環(huán)海,約70%的國土屬于干旱或半干旱地帶,中部大部分地區(qū)不適合人類居住,而沿海城市人員密集、旅游業(yè)非常發(fā)達,比如悉尼、布里斯班、珀斯、凱恩斯,因此絕大部分單發(fā)飛機在上述典型海洋氣候的地區(qū)飛行,澳大利亞成為單發(fā)飛機腐蝕故障發(fā)生率較高的國家之一。

澳大利亞民航安全管理局(CivilAviationsafetyAuth-ority,簡稱CAsA)是全球較早強制要求用戶執(zhí)行s1D項目的管理機構(gòu)之一,于2014年4月發(fā)布AWBo2-o48issueI-CompliancewilhCessnasIDs,目前已更新至1ssue8,見文獻。該報告專門針對Cessna系列飛機執(zhí)行s1D而發(fā)布,其指出:Cessna系列飛機結(jié)構(gòu)檢查項目是通過結(jié)合現(xiàn)代工程分析技術(shù)、全球服役數(shù)據(jù)和塞斯納幾十年來收集的缺陷報告而制定的。在澳大利亞Cessna機隊中的常見故障是結(jié)構(gòu)腐蝕,比如水平安定面支架、隔框肋條和主起落架腐蝕,如圖4所示。

1.3中國

從文獻可以看出,國內(nèi)329架Cessna172飛機主要由中國民用航空飛行學(xué)院、湖北蔚藍航校、山東九天國際飛行學(xué)校、山東南山飛行學(xué)校、廣西梧州中航飛校、四川龍浩飛行學(xué)校等機構(gòu)運行,運行環(huán)境復(fù)雜。

2006年,中國民用航空飛行學(xué)院引進的100架Cessna172R飛機開始陸續(xù)投入使用,年均飛行小時達到1200~1500h后,每小時起落架次達到2.5個,而國外用戶年均飛行100~150h,每小時起落架次不到1個。由于使用率高、起落架次高,加上飛行訓(xùn)練中著陸過載較大時有發(fā)生,因此機隊在使用8000h后,普遍出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的一些故障,比如Fs108號隔框裂紋,后續(xù)分析系疲勞所致。中飛院將運行中發(fā)生的各類故障均及時反饋給Cessna公司,得到其高度重視,并于2011年派出資深結(jié)構(gòu)工程師到中飛院現(xiàn)場研討。

對中國民用航空飛行學(xué)院2006—2021年Cessna172R飛機故障進行統(tǒng)計,得到以下數(shù)據(jù):發(fā)生主起落架與機身處的安裝襯套松動或異常磨損故障96起,主起落架腐蝕超標(biāo)123件(涉及83架飛機)。

2典型多發(fā)性故障失效機理分析

2.1主起落架腐蝕

Cessna172飛機主起落架通過表面漆層來防腐,但是在運行中發(fā)現(xiàn)漆層會被破壞,主要原因如下:首先,飛機登機腳蹬設(shè)計不合理。腳蹬通過過盈配合直接套在主起落架上,這種設(shè)計在安裝時不可避免地會損傷主起落架表面的漆層,同時還不能完全將水汽阻斷。另外,此處為方便安裝整流罩,又采用開口設(shè)計,飛機在運行中會很快形成水分和雜質(zhì)集聚區(qū)。

2.2主起落架襯套松動

主起落架襯套是鋼膠組合成的構(gòu)件,外部是鋼制部件,與內(nèi)部白色非金屬部件粘接形成一體,松動故障均是內(nèi)部白色非金屬襯套磨損超標(biāo)所致。以《紅外光譜分析方法通則》(GB/T6040—2002)為依據(jù),用ThermoFisherNicolet6700FT-1R測試儀對Cessna172飛機主起落架襯套膠體部分,在溫度25℃、濕度60%的檢測條件下進行測試,確認(rèn)白色非金屬部件成分為聚醚型聚氨酯。

在此基礎(chǔ)上,中飛院進行了襯套結(jié)構(gòu)反求設(shè)計、原裝件材質(zhì)分析、原裝件工藝分析等一系列研究,選定了國產(chǎn)替代材料。

對自制國產(chǎn)部件進行尺寸檢查及各種試驗驗證并裝機試驗,試驗數(shù)據(jù)表明,國產(chǎn)襯套除使用壽命略短于國外原裝件外,其余性能與國外原裝件相當(dāng),能滿足裝機使用要求。

3維護建議

(1)關(guān)注腳蹬區(qū)域防腐。針對腳蹬設(shè)計缺陷,應(yīng)仔細檢查腳蹬與主起落架貼合處有無腐蝕,如有,需通過噴丸徹底清除腳蹬內(nèi)壁和主起落架上的腐蝕,再噴涂上飛機維護手冊規(guī)定的底漆和面漆,隨后在腳蹬與主起落架結(jié)合區(qū)域涂抹防腐膠。同時在腳蹬開口處加裝擋片,使腳蹬組件與整流罩逐漸形成密閉空間,防止鞋底臟物、雨水等聚集在腳蹬處。

(2)增加防腐工作。如果處于潮濕和存在較多酸性物質(zhì)的環(huán)境中,主起落架表面特別是部件結(jié)合面在運行中會聚集灰塵、油脂等臟物形成沉積層,沉積層能吸收空氣中及維護時的水分和酸性物質(zhì),進而形成酸性環(huán)境,導(dǎo)致金屬部件出現(xiàn)腐蝕。因此,日常維護中要增加清潔和防腐要求:定期檢查主起落架表面清潔度,徹底清除殘留的沉積物,發(fā)現(xiàn)漆層破損要及時修補,發(fā)現(xiàn)腐蝕要及時按照規(guī)定程序處理。