Cessna172飞机主起落架多发性故障及原因分析

引言

Cessna172飞机采用全金属机身结构、前三点式起落架和上单翼设计,其主起落架为不可收放的管簧式或板簧式固定结构,管簧式起落架的主体结构是一弯折成Z字型的弹簧钢管,如图1所示,板簧式起落架的主体结构是一弯折成Z字型的弹簧钢板,两种结构的起落架均结构简洁、维护简单、可靠耐用,既充当承力结构,也是吸能结构。左、右主起落架分别用螺栓固定在机身底部,其下部外侧连接了一个铸铝机轮组件和钢制圆盘式刹车系统,为防止刹车油管、整流罩等部件与主起落架碰磨,在主起落架表面还粘贴了特氟龙胶带以防磨。经分析,两种主起落架材质为6150M弹簧钢,性能与国内50CrVA钢相近,在国外被广泛用于制造轻型飞机固定式起落架。

1主起落架多发性故障特点

1.1美国

通过查询美国联邦航空局(Federa1AviationAdministration,简称FAA)航空器使用困难报告数据库(ServiceDifficu1tyReport,简称SDR),收集到228条与Cessna飞机起落架系统有关的SDR报告,SDR故障报告日期在1995年5月至2022年7月,其中214条与可收放起落架有关,14条与不可收放起落架有关,数据分析如图2所示。进一步分析11个机型出现的多条不可收放起落架出现的故障数据发现:4起为前起落架故障:1起为主起落架上的浮筒故障:7起主起落架故障中,有5起为主起落架与机身处的连接螺栓松动或安装衬套损伤(其中4起明确发生在右主起落架),1起为主起落架轮轴缺乏润滑,1起为重着陆导致主起落架折断,没有Cessna172飞机起落架的故障信息。基于美国通航业高度发达、轻型飞机飞行小时数达近百万小时来折算,Cessna飞机装用的两种一体式不可收放起落架可靠性较高。

Cessna飞机公司针对1946一1986年生产的145000架单发、铝制全金属飞机,基于对全球用户历年反馈的主要故障及原因的分析结果,于2016年发布了CessnasingleEnginesa/eflynifiafiIe报告,见文献。报告指出:由于这些飞机的平均使用年限达到42年,属于老龄飞机,因此多发性故障主要是腐蚀和疲劳导致的各种结构部件失效及损伤,其中主起落架的多发性故障为腐蚀和疲劳断裂,如图3所示。图3(a)展示了板簧式主起落架出现腐蚀的主要位置是脚蹬处,图3(b)展示了一架因为点蚀而萌发了疲劳裂纹,最终导致主起落架折断、飞机严重受损的案例。

飞机设计思想的发展过程一般分为五个阶段:第一阶段为静强度设计阶段,第二阶段为静强度和刚度设计阶段,第三阶段为强度/刚度/疲劳安全寿命设计阶段,第四阶段为强度/刚度/损伤容限和耐久性设计阶段,第五阶段为结构可靠性设计试用阶段。Cessna172飞机在1955年11月取得FAA颁发的TC,其结构设计处于静强度和刚度设计阶段,没有考虑到疲劳对结构的寿命影响,因此,在2011年以前,Cessna飞机公司对其Cessna172系列飞机没有规定使用寿命限制,比如飞行小时寿命、飞行起落寿命、飞行年限寿命。

在收到澳大利亚等用户报告的多起腐蚀故障后,Cessna飞机公司于2011年8月发布了针对Cessna系列飞机的补充检查项目(supp1ementa1InspectionDocument,SDR数据分析简称sID),要求用户针对不同使用年限、飞行小时的飞机结构进行定期检查。十年间,sID项目从最初的23项已增加到目前的32项。2015年6月,Cessna飞机公司在飞机维护手册第五章《补充结构检查》的说明部分中明确:推荐用户将累计使用时间达到30000h后的Cessna172飞机退役。究其根本原因,还是老龄飞机不可避免地面临腐蚀和疲劳问题,在腐蚀和疲劳的双重作用下,飞机重要结构的损伤概率大增。

1.2澳大利亚

澳大利亚四面环海,约70%的国土属于干旱或半干旱地带,中部大部分地区不适合人类居住,而沿海城市人员密集、旅游业非常发达,比如悉尼、布里斯班、珀斯、凯恩斯,因此绝大部分单发飞机在上述典型海洋气候的地区飞行,澳大利亚成为单发飞机腐蚀故障发生率较高的国家之一。

澳大利亚民航安全管理局(CivilAviationsafetyAuth-ority,简称CAsA)是全球较早强制要求用户执行s1D项目的管理机构之一,于2014年4月发布AWBo2-o48issueI-CompliancewilhCessnasIDs,目前已更新至1ssue8,见文献。该报告专门针对Cessna系列飞机执行s1D而发布,其指出:Cessna系列飞机结构检查项目是通过结合现代工程分析技术、全球服役数据和塞斯纳几十年来收集的缺陷报告而制定的。在澳大利亚Cessna机队中的常见故障是结构腐蚀,比如水平安定面支架、隔框肋条和主起落架腐蚀,如图4所示。

1.3中国

从文献可以看出,国内329架Cessna172飞机主要由中国民用航空飞行学院、湖北蔚蓝航校、山东九天国际飞行学校、山东南山飞行学校、广西梧州中航飞校、四川龙浩飞行学校等机构运行,运行环境复杂。

2006年,中国民用航空飞行学院引进的100架Cessna172R飞机开始陆续投入使用,年均飞行小时达到1200~1500h后,每小时起落架次达到2.5个,而国外用户年均飞行100~150h,每小时起落架次不到1个。由于使用率高、起落架次高,加上飞行训练中着陆过载较大时有发生,因此机队在使用8000h后,普遍出现了结构上的一些故障,比如Fs108号隔框裂纹,后续分析系疲劳所致。中飞院将运行中发生的各类故障均及时反馈给Cessna公司,得到其高度重视,并于2011年派出资深结构工程师到中飞院现场研讨。

对中国民用航空飞行学院2006—2021年Cessna172R飞机故障进行统计,得到以下数据:发生主起落架与机身处的安装衬套松动或异常磨损故障96起,主起落架腐蚀超标123件(涉及83架飞机)。

2典型多发性故障失效机理分析

2.1主起落架腐蚀

Cessna172飞机主起落架通过表面漆层来防腐,但是在运行中发现漆层会被破坏,主要原因如下:首先,飞机登机脚蹬设计不合理。脚蹬通过过盈配合直接套在主起落架上,这种设计在安装时不可避免地会损伤主起落架表面的漆层,同时还不能完全将水汽阻断。另外,此处为方便安装整流罩,又采用开口设计,飞机在运行中会很快形成水分和杂质集聚区。

2.2主起落架衬套松动

主起落架衬套是钢胶组合成的构件,外部是钢制部件,与内部白色非金属部件粘接形成一体,松动故障均是内部白色非金属衬套磨损超标所致。以《红外光谱分析方法通则》(GB/T6040—2002)为依据,用ThermoFisherNicolet6700FT-1R测试仪对Cessna172飞机主起落架衬套胶体部分,在温度25℃、湿度60%的检测条件下进行测试,确认白色非金属部件成分为聚醚型聚氨酯。

在此基础上,中飞院进行了衬套结构反求设计、原装件材质分析、原装件工艺分析等一系列研究,选定了国产替代材料。

对自制国产部件进行尺寸检查及各种试验验证并装机试验,试验数据表明,国产衬套除使用寿命略短于国外原装件外,其余性能与国外原装件相当,能满足装机使用要求。

3维护建议

(1)关注脚蹬区域防腐。针对脚蹬设计缺陷,应仔细检查脚蹬与主起落架贴合处有无腐蚀,如有,需通过喷丸彻底清除脚蹬内壁和主起落架上的腐蚀,再喷涂上飞机维护手册规定的底漆和面漆,随后在脚蹬与主起落架结合区域涂抹防腐胶。同时在脚蹬开口处加装挡片,使脚蹬组件与整流罩逐渐形成密闭空间,防止鞋底脏物、雨水等聚集在脚蹬处。

(2)增加防腐工作。如果处于潮湿和存在较多酸性物质的环境中,主起落架表面特别是部件结合面在运行中会聚集灰尘、油脂等脏物形成沉积层,沉积层能吸收空气中及维护时的水分和酸性物质,进而形成酸性环境,导致金属部件出现腐蚀。因此,日常维护中要增加清洁和防腐要求:定期检查主起落架表面清洁度,彻底清除残留的沉积物,发现漆层破损要及时修补,发现腐蚀要及时按照规定程序处理。