基于故障樹的航空磁電機(jī)故障診斷研究

張德銀，梁威鵬，黃選紅，孟 超，陳從翰，孫 淼

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)民航事業(yè)大發(fā)展和各地通航機(jī)場(chǎng)數(shù)量的擴(kuò)張，通用航空也在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。據(jù)《2017年中國(guó)通用航空運(yùn)輸行業(yè)研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，我國(guó)共有運(yùn)輸航空公司59家，比上年底增加4家，其中通用航空全行業(yè)飛機(jī)數(shù)量在2014年達(dá)1798架，2016年在冊(cè)架數(shù)2950架，比上年底增加300架。隨著我國(guó)機(jī)場(chǎng)數(shù)量的增加及航空旅客運(yùn)輸量的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2021年，我國(guó)通用航空飛機(jī)數(shù)量將達(dá)到1萬(wàn)架以上[1]。

通用航空委員會(huì)對(duì)中國(guó)通用航空市場(chǎng)的微觀需求進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析和預(yù)測(cè)，認(rèn)為2021年中國(guó)約1萬(wàn)架通用飛機(jī)中，將有6000架活塞飛機(jī)， 2000架渦輪螺旋槳飛機(jī)， 500架商務(wù)噴氣飛機(jī)，1000架直升機(jī)和500架其他機(jī)型，而在所有機(jī)型中，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)占比60%左右[2]。由此可見在通用航空發(fā)展的進(jìn)程中，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)是通用航空器中的主力軍。

航空磁電機(jī)是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的重要組成部分，工作好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，甚至影響飛行安全。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在某通航單位2008年全年點(diǎn)火系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)中，航空磁電機(jī)故障占整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)故障的71%左右[3]。目前維修人員主要參考維修手冊(cè)對(duì)航空磁電機(jī)進(jìn)行維修，這種方法效率低且依賴維修經(jīng)驗(yàn)。

本文將航空磁電機(jī)故障樹與以往故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，制定了航空磁電機(jī)故障診斷優(yōu)先程序，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 航空磁電機(jī)組成及工作原理

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)由航空磁電機(jī)、磁電機(jī)開關(guān)、高壓導(dǎo)線、點(diǎn)火電嘴[4]等部分組成，如圖1所示。

航空磁電機(jī)是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的核心部件，其銘牌上都標(biāo)識(shí)型號(hào)、旋轉(zhuǎn)方向等信息；高壓導(dǎo)線連接在航空磁電機(jī)與點(diǎn)火電嘴之間，由磁電機(jī)開關(guān)控制其通斷；點(diǎn)火電嘴其實(shí)就是一個(gè)放電裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)傳來(lái)的機(jī)械能通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為高壓電通過(guò)高壓導(dǎo)線供給點(diǎn)火電嘴正負(fù)電極產(chǎn)生電火花[5]，點(diǎn)燃油氣混合氣推動(dòng)活塞使螺旋槳旋轉(zhuǎn)作功。

圖1航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每臺(tái)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)都有兩臺(tái)航空磁電機(jī)以備有余度。圖2所示是航空磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖，包含沖擊聯(lián)軸器、殼體、分電器、電容器、斷電器、線包、磁鐵轉(zhuǎn)子等部件。航空磁電機(jī)工作原理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣內(nèi)的齒輪帶動(dòng)航空磁電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)會(huì)在航空磁電機(jī)線圈鐵芯中產(chǎn)生磁通。當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)會(huì)有電流流過(guò)初級(jí)線圈并在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)觸點(diǎn)斷開時(shí)初級(jí)線圈的磁場(chǎng)會(huì)消失，這樣在二級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生高電壓,這個(gè)高電壓通過(guò)高壓導(dǎo)線傳到點(diǎn)火電嘴產(chǎn)生電火花。

圖2 航空磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

航空磁電機(jī)主要部件中，沖擊聯(lián)軸器由主動(dòng)盤、發(fā)條式彈簧、被動(dòng)盤構(gòu)成，在工作中沖擊聯(lián)軸器出現(xiàn)的卡阻、彈簧疲軟等故障會(huì)導(dǎo)致航空磁電機(jī)無(wú)法正常產(chǎn)生高電壓。分電器由分電盤、分電臂、分電齒輪等部分組成，在分電齒輪軸內(nèi)部裝有碳刷，在長(zhǎng)期使用中碳刷會(huì)出現(xiàn)磨損，分電臂和裝在分電盤上的分電站會(huì)由于跳火產(chǎn)生燒蝕。

航空磁電機(jī)的磁鐵轉(zhuǎn)子、軟鐵架、線包等組件都裝在殼體中，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中線包與殼體之間的摩擦?xí)咕€包外部出現(xiàn)磨損，使線圈與殼體之間放電，降低二級(jí)線圈電壓，磁鐵轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的磨損故障會(huì)使分電臂在斷電器斷電時(shí)無(wú)法正對(duì)分電站。斷電器由底座、彈簧片、接線座、觸點(diǎn)等部分組成，斷電器觸點(diǎn)間隙發(fā)生變化會(huì)使航空磁電機(jī)掉轉(zhuǎn)過(guò)多，與觸點(diǎn)并聯(lián)的電容器的作用是避免觸點(diǎn)燒毀和防止二級(jí)線圈電動(dòng)勢(shì)減弱。

2 航空磁電機(jī)故障樹的建立

航空磁電機(jī)最大故障就是高壓電傳到點(diǎn)火電嘴時(shí)產(chǎn)生的電火花強(qiáng)度不夠，甚至不點(diǎn)火。航空磁電機(jī)任何部件發(fā)生故障都會(huì)使航空磁電機(jī)工作不正常[6]，因此航空磁電機(jī)故障樹的中間事件就是航空磁電機(jī)各個(gè)部件發(fā)生故障，各個(gè)部件故障發(fā)生的直接原因就是底事件。根據(jù)對(duì)航空磁電機(jī)的故障分析以及在修理廠收集的故障資料，繪制出如圖3所示的航空磁電機(jī)故障樹。

圖3航空磁電機(jī)故障樹

圖3中頂事件T為航空磁電機(jī)點(diǎn)火強(qiáng)度弱或不點(diǎn)火；G1為磁鐵轉(zhuǎn)子故障，G2為電容器故障，G3為沖擊聯(lián)軸器故障，G4為分電器故障，G5為斷電器故障，G6為線包故障；X1為密封件損壞，X2為磁鐵轉(zhuǎn)子磨損，X3為轉(zhuǎn)子齒輪磨損，X4為轉(zhuǎn)子軸承磨損，X5為甩油環(huán)損壞，X6為電容器與護(hù)套之間松動(dòng)，X7為電容器導(dǎo)線破損或折斷，X8為電容器本身故障，X9為沖擊聯(lián)軸器卡阻，X10為沖擊聯(lián)軸器銹蝕，X11為沖擊聯(lián)軸器彈簧疲軟，X12為分電盤裂紋或損壞，X13為分電站、分電臂松動(dòng)或燒蝕，X14為碳刷磨損，X15為碳刷彈簧變形，X16為分電盤齒輪軸磨損，X17為斷電器間隙過(guò)大或過(guò)小，X18為接觸點(diǎn)燒蝕，X19為接觸點(diǎn)表面氧化、掛油，X20為凸輪磨損或缺失，X21為線圈磨損，X22為線圈燒蝕，X23為線圈接觸片磨損，X24為線圈絕緣性變差，X25為殼體裂紋，X26為傳動(dòng)軸扭斷

使用下行法求故障樹的最小割集，得出每個(gè)底端事件都是一個(gè)最小割集。為了進(jìn)行定量分析，計(jì)算出頂端事件發(fā)生的概率，為此在修理廠維修一線對(duì)400份維修報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到表1中的數(shù)據(jù)。

表1 航空磁電機(jī)常見故障統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

故障出現(xiàn)次數(shù)出現(xiàn)概率線圈燒蝕215．25%殼體裂紋205%斷電器間隙過(guò)大或過(guò)小174．25%線圈接觸片磨損174．25%分電臂、分電站松動(dòng)或燒蝕133．25%轉(zhuǎn)子齒輪磨損123%接觸點(diǎn)表面氧化、掛油112．75%分電盤齒輪軸磨損112．75%沖擊聯(lián)軸器卡阻102．5%電容器導(dǎo)線破損或折斷92．25%電容值超標(biāo)71．75%電容器與護(hù)套之間松動(dòng)61．5%磁鐵轉(zhuǎn)子磨損51．25%轉(zhuǎn)子軸承磨損51．25%凸輪磨損或缺失41%碳刷彈簧變形30．75%甩油環(huán)損壞20．5%線圈絕緣性變差10．25%沖擊聯(lián)軸器銹蝕10．25%沖擊聯(lián)軸器彈簧疲軟10．25%傳動(dòng)軸扭斷10．25%

用PGn表示中間事件的發(fā)生概率，PXn表示底事件發(fā)生的概率，PT表示頂事件的發(fā)生概率，則:

PG1=1-(1-PX2)(1-PX3)(1-PX4)(1-PX5)=0.05883；PG2=0.05401；PG3=0.02987；PG4=0.33919；PG5=0.55059；PG6=0.20589；PT=0.81904。

當(dāng)頂端事件發(fā)生時(shí)，各個(gè)最小割集重要度可根據(jù)式PM/T=PM/PT計(jì)算。PM/T表示最小割集重要度，PM表示最小割集的發(fā)生概率，由上可知PM=PXn，因此PM/T=PXn/PT。則得到各最小割集的重要度，如表2所示。中間事件重要度如表3所示。

表2 最小割集的重要度

表3 中間事件的重要度

續(xù)表3

中間事件重要G50．672238G60．251380

3 航空磁電機(jī)故障診斷程序制定

為了讓維修人員在工作中能更快找到故障，故根據(jù)排故一般規(guī)則和重要度將航空磁電機(jī)眾多故障分出主次，安排出合理高效的排故程序。

將航空磁電機(jī)故障樹中間事件的重要度、作為頂端事件直接原因的底事件的重要度按照大小順序排列：G5斷電器故障重要度>G4分電器故障重要度>G6線包故障重要度>X1密封件損壞重要度>G1磁鐵轉(zhuǎn)子故障重要度>G2電容器故障重要度>X25殼體裂紋重要度>G3沖擊聯(lián)軸器故障重要度>X26傳動(dòng)軸扭斷重要度。概率重要度值越大，說(shuō)明它對(duì)頂事件的影響越大，故航空磁電機(jī)排故主程序如圖4所示。

圖4 航空磁電機(jī)排故主程序

將導(dǎo)致分電器故障的底事件按照重要度大小排序，可得出分電器排故子程序，如圖5所示。首先檢查碳刷是否有磨損：在航空磁電機(jī)工作過(guò)程中碳刷始終跟著分電盤齒輪旋轉(zhuǎn)，長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致碳刷與接觸片之間接觸不良，影響磁電機(jī)工作[7]。其次檢查分電盤和分電站，看分電盤是否磨損積碳，看分電站是否有燒蝕。分電站燒蝕會(huì)使分電臂與各分電站之間間隙不一樣，導(dǎo)電效果差。接著檢查分電盤齒輪軸是否有磨損。齒輪軸磨損會(huì)使分電臂與各個(gè)分電站之間的間隙不斷變化，導(dǎo)致航空磁電機(jī)傳給各個(gè)點(diǎn)火電嘴上的高壓電動(dòng)勢(shì)各不相同。最后檢查碳刷彈簧是否燒蝕、生銹或腐蝕引起變形。碳刷彈簧出現(xiàn)燒蝕變形，同樣也會(huì)導(dǎo)致航空磁電機(jī)工作不正常。

圖5分電器排故子程序

根據(jù)以上方法也可以對(duì)航空磁電機(jī)的斷電器、線包等部件做出排故程序。除此之外，對(duì)航空磁電機(jī)線路絕緣值進(jìn)行檢查時(shí)，也應(yīng)著重檢查磁電機(jī)開關(guān)。因?yàn)榇烹姍C(jī)開關(guān)后蓋與開關(guān)接線柱之間間隙小，在擠壓安全保護(hù)套后會(huì)導(dǎo)致絕緣值變化，安全保護(hù)套和膠合板的本身材料不符合標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)導(dǎo)致絕緣值變化，這些問(wèn)題都可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常點(diǎn)火[8-10]。

在一線維修中，將核對(duì)過(guò)的某型號(hào)航空磁電機(jī)安裝到測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)連續(xù)性跳火不穩(wěn)定，初步分析是分電器存在故障。將磁電機(jī)分解并對(duì)分電器按照排故程序逐步檢查，最終斷定是分電盤磨損、分電盤齒輪松動(dòng)。最后對(duì)各部件按照重要度做出全面細(xì)致地檢查。實(shí)踐證明將故障樹分析法與磁電機(jī)故障診斷結(jié)合起來(lái)，能夠大大縮短維修人員進(jìn)行故障診斷的時(shí)間，并能讓新手維修人員更快地進(jìn)行航空磁電機(jī)診斷與維修。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了航空磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及各部件可能發(fā)生的故障，并根據(jù)某飛機(jī)修理廠近兩年400臺(tái)航空磁電機(jī)維修報(bào)告，建立并定性定量分析了航空磁電機(jī)故障。根據(jù)各部件故障重要度，對(duì)航空磁電機(jī)各部件故障進(jìn)行排故主次排序并設(shè)計(jì)出航空磁電機(jī)分電器故障診斷流程，為機(jī)務(wù)維修人員迅速定位故障部件提供了技術(shù)支撐。

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