一起鉚釘失效導致的發動機空中停車典型故障分析

張宗偉

（中國民航飛行學院，四川 廣漢618300）

0 引 言

2018年某日，某CE525飛機執行某航行訓練任務，爬升改平飛收油門過程中發生左發動機停車。事后調查，引起飛機發動機空中停車的原因，是機組空中操縱油門桿時，因油門桿慢車止動手柄連接鉚釘脫落造成操縱油門桿位置時越過慢車位接近關車位，致使左發動機停車，鉚釘失效這一機械故障是發動機空中停車的直接原因，如圖1、圖2所示。

故障發生后，對該機型緊急執行故障排查，機群7架飛機14臺發動機油門桿操縱組件均不同程度出現與事發飛機類似的鉚釘松動，其中2臺發動機油門桿慢車止動手柄連接鉚釘已經拉伸成圖2所示形狀，只是尚未脫落，發動機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 飛機設計制造中鉚釘的選用

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。由于其價格低廉，可靠性及強度較高，便于攜帶、施工等優點而成為一種應用廣泛的永久性連接方法，在航空結構上得到廣泛應用。據統計一架大型客機有100多萬個鉚釘和約30萬個螺栓，如典型的空客330飛機機身和機翼上大約有40萬件緊固件[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銷釘，防止其工作中滑脫失效。飛機在設計時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

通過鉚釘固定慢車手柄活動銷釘，防止銷釘滑脫失效，由于油門操縱臺安裝在狹窄的座艙，為了防塵和防異物滯留在飛機上，在油門桿活動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，實現有效防塵。為了減小與膠皮的摩擦，慢車止動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滑脫，壁厚不足0.2 mm。按照航空器結構修理的基本規則，鐓頭高度為0.5D, 直徑為1.5D的鼓形（D為鉚釘的直徑），此處使用的鉚釘直徑D=0.125 in=3.175 mm，低于標準的鉚接鐓頭，加上膠皮的遮擋，為飛機后面的操控埋下了安全隱患。

2 選擇低于鉚接標準的鉚接鐓頭的原因分析

飛機在設計制造并制定運行維護方案時，都將慢車止動手柄連接鉚釘當成非重要部件，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手柄活動銷釘，圖2是脫落的鉚釘與銷釘，機組操縱慢車手柄時，主要是帶動銷釘在卡槽中上下移動，飛機設計時使用鉚釘只是防止銷釘活動時意外脫落，鉚釘只是起限位固定作用，設計時不存在受力問題。2）鉚釘鐓頭防卡滯。油門桿操縱是飛行中的關鍵點，任何操縱中的卡滯都可能釀成空中險情，飛機設計時過于關注鐓頭過高可能造成在推拉油門桿或慢車手柄時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）。

在該飛機的維護記錄中，沒有更換事發油門桿與慢車止動手柄連接鉚釘的記錄。甚至在飛機各類維護方案、飛機及發動機維護手冊中沒有對油門桿組件（包括慢車止動手柄連接鉚釘）的檢查要求。在維修方案中也沒有對油門桿組件（包括慢車止動手柄連接鉚釘）的專項定期檢查要求?，F有技術狀態檢查、機身300 h定期檢修、機身1200 h定期檢修、發動機300/600 h定期檢修及其他例行工作單卡中，均沒有對油門桿組件（包括慢車止動手柄連接鉚釘）的檢查要求。在更換發動機工作單中有對油門桿與發動機燃調連接鋼索的校裝要求，也沒有對油門桿組件（包括慢車止動手柄連接鉚釘）的檢查要求。在12 000 h結構檢查工作單中有對中央操縱臺區域的詳細檢查，但未明確針對油門桿組件（包括慢車止動手柄連接）[3-4]。

綜上所述，現有該型飛機及發動機相關維護手冊及維修方案中沒有對油門桿組件（包括慢車止動手柄連接鉚釘）的檢查要求；工作單卡中，除12 000 h結構檢查工作單有對中央操縱臺區域的詳細檢查要求外（但未明確對油門桿組件及慢車止動手柄連接鉚釘的檢查要求），其余定檢及例行工作單中無該項檢查要求。

事后該運行單位緊急調查該型飛機（共7架），慢車手柄上的固定鉚釘均為此種鉚接方式，其中有兩架飛機的鉚釘鐓頭已經拉伸至圖2所示的狀態，只是尚未脫落，還沒有影響油門操控，因此，機群中出現發動機停車這一安全風險是不可避免的。

3 鉚釘失效分析

由于制成航空器鉚釘的鋁合金材料本身就可能存在冶金缺陷或加工缺陷，并且在服役過程中也可能受到損傷，因此在特定條件下將會發生過量塑性變形、老化、破斷、磨損和腐蝕等形式的失效，喪失預期性能。連接鉚釘受到剪切、拉伸、彎曲等3種不同方式的應力，當幾種應力都施加在鉚釘上，尤其是超負載的情況下，鉚釘很容易產生拉伸、磨損，從最薄弱的鐓頭開始變形，直至拉伸失效。長時間處在交變載荷條件下，在鉚釘軸向拉應力下受圓周方向上剪切力作用，產生了變形、松脫。飛機結構部件是按照特定的動載荷、靜載荷、變形和使用功能要求設計的。油門桿與慢車止動銷釘的設計也是按照這個思路進行。慢車止動手柄通過上部兩個螺釘、下部鉚釘及復位彈簧固定在油門桿滑槽中（如圖3）。正常情況下，慢車止動手柄與止動卡槽相接觸將油門桿鎖定在慢車位。只有當向上提起慢車止動手柄克服彈簧力并越過止動卡槽，油門桿才能向后拉至停車位并在復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，手柄、銷釘、復位彈簧形成一個受力組件，慢車止動手柄通過上部兩個螺釘、下部鉚釘固定的銷釘及復位彈簧固定在油門桿滑槽中，固定銷釘的鉚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，銷釘在止動卡槽內運動，在長時間的使用，飛機從2005年引進，飛行時間接近12 000 h，7000余次起落，粗略地估算，慢車油門至少會操縱7000×2=14000次，如果加上地面試車，這個數值還會更大，這個數量也從旁證明了鉚釘受力確實不大，但銷釘在卡槽中活動，大量往復運動，銷釘稍有卡滯，將會傳導摩擦力給固定鉚釘，活動不暢更會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動，隨著長時間的使用，慢車手柄與油門桿之間的間隙愈發增大，在操縱慢車手柄時，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。該機型作為飛行學院高級訓練機，教員帶學生飛行，飛機受到大量非熟練學員的操縱，作為生手，在操縱時相對手法生硬，加上初次飛行，動作更可能僵硬，操縱油門桿對鉚釘的沖擊更大。

總之，大量的慢車油門操控、反復運動形成的交變載荷使慢車油門與油門桿間隙變大，進而增大鉚釘的拉伸交變載荷。鉚釘失效是多種因素累積的結果，是與訓練時間和飛機起落次數相關的一種破壞方式。長時間處在慢車操縱沖擊負載條件下，在鉚釘軸向拉應力下受圓周方向上剪切力作用。慢車油門操作時的動力與鉚釘鉚接預緊力之間產生多種復合應力，由于鉚釘受力很小加上慢車操縱間隔時間較長，這是一種高周循環和低周應力共同作用的微動疲勞。這種疲勞通常出現在載荷很小或應力分布較為均勻、應力集中不嚴重的情況下，疲勞斷裂應力遠低于鉚釘的靜拉伸強度，甚至遠低于鉚釘材料的屈服極限。當然粗猛操作會進一步增大交變載荷，降低鉚接的可靠性。在油門桿操縱及提拉慢車止動手柄過程中會對鉚釘產生一定的剪切力，使鐓頭發生變形并被擠壓后逐漸縮小，鉚釘出現松動，油門桿和止動手柄之間產生間隙。在長期操縱過程中，剪切力產生的軸向分量使鉚釘逐漸從固定孔中退出并最終脫落，導致鉚釘疲勞拉伸失效，鉚釘脫落后，油門桿與慢車止動手柄產生相對偏轉，使油門桿不能正常鎖定在慢車位。

4 飛機設計及運行建議

1）飛機設計建議。針對此次鉚釘失效，維修單位對出現松動的鉚釘及時進行了更換，同時增加了鐓頭的高度，增加抗拉強度。同時維修單位及時向廠家及管理機構反饋，修訂飛機設計，查找設計缺陷或漏洞，保證安全，查找飛機上類似的位置重要、相對隱蔽、存在突發問題可能的部件。同時也建議在飛機設計制造中，在關鍵位置上的材料及緊固件的選擇上應該考慮更細一點，考慮更多一點，更謹慎一些（如本例故障就存在隱蔽性強的特點，事前不易發現，一旦發生，往往導致災難性后果）。合理設計飛機結構，綜合考量，增加安全裕度，盡量避免或減少安全風險。在一些特殊的工況條件下，若忽略鉚釘設計選擇的特殊性，就可能產生質量隱患，進而引發飛行事故。當然，飛機使用10 000 h以后，十幾年的運行使機群出現本案例中的安全問題，從飛機設計角度也佐證了選擇此種鉚接方式的有效性。當前正值國產大飛機制造的關鍵階段，通過對飛機使用維護中發現的結構設計問題進行梳理，舉一反三，不斷夯實國產飛機的安全基礎。

2）飛機運行建議。隨著飛機的逐步老齡化，以及飛機服役環境的變化，飛機在運行中會產生許多意想不到的缺陷或漏洞，所以飛機運行過程中應加強檢查，及時清理更換損壞部件（如本例故障就需要加強對鉚釘專項目視檢查，及時更換狀態差的鉚釘）。同時要舉一反三，對飛機關鍵位置再梳理，排查安全隱患。特別是在飛機老齡化補充檢查大綱中更應充分分析飛機存在的隱患，制定合理有效的維護方案，保證飛機運行安全。