基于故障樹法的空氣渦輪起動機自由運轉(zhuǎn)故障分析

皮凱雯 鄒子劍

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412000）

0.引言

空氣渦輪起動機（Air Turbine Starter，以下簡稱為ATS）作為航空發(fā)動機空氣起動系統(tǒng)的主要組成部分，可利用飛機輔助動力裝置、已運轉(zhuǎn)的發(fā)動機和地面氣源等提供的高溫高壓氣體，將氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為軸功率以實現(xiàn)發(fā)動機的啟/油封、冷運轉(zhuǎn)、假起動和起動等[1]。

故障樹分析法，簡稱為FTA，又稱為失效樹分析法，是一種以故障樹為工具，分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑，對系統(tǒng)的安全性或可靠性進行評價的一種圖形演繹方法[2]。FTA已被國內(nèi)外公認為是一種對復雜系統(tǒng)進行安全性和可靠性分析的一種好方法[3]。

ATS自由運轉(zhuǎn)故障是指某種原因?qū)е翧TS帶轉(zhuǎn)的負載很小或為零（即空載運轉(zhuǎn)），造成ATS渦輪轉(zhuǎn)速達到自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)的一種故障現(xiàn)象。自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)速通常比ATS正常脫開轉(zhuǎn)速要高，極易導致?lián)p壞發(fā)動機、飛機和危及人身安全等嚴重后果。本文針對ATS自由運轉(zhuǎn)故障開展故障樹分析，梳理故障原因及故障模式，以便進行預防，使該故障發(fā)生的可能性減小到最低限度或不發(fā)生。

1.自由運轉(zhuǎn)故障樹

1.1 ATS簡介

以某型ATS為例，主要由進氣裝置、調(diào)壓裝置、渦輪組件及減速器（含輸出軸）組成，還帶有功能型附件如進氣切斷裝置和轉(zhuǎn)速傳感器，用于分別實現(xiàn)ATS供氣的打開/切斷和轉(zhuǎn)速信號的輸出，如圖1所示。

圖1 ATS原理框圖

ATS的工作原理為：起動發(fā)動機時，由發(fā)動機控制器發(fā)出工作信號給進氣切斷裝置為ATS供氣；一定溫度、壓力的氣源經(jīng)進氣裝置、調(diào)壓裝置進入ATS使渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過減速器將功率、扭矩傳遞給輸出軸，再經(jīng)發(fā)動機附件傳動機匣帶轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子，從而實現(xiàn)假開車、冷運轉(zhuǎn)、啟封、油封和起動以及空中輔助起動發(fā)動機的功能。在工作過程中，轉(zhuǎn)速傳感器給出轉(zhuǎn)速信號，作為發(fā)動機控制器實現(xiàn)ATS正常脫開、極限轉(zhuǎn)速保護等功能的輸入信號。

1.2 故障樹的建立

根據(jù)ATS的主要結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析可知，ATS工作時負載端的發(fā)動機或者吸功裝置異常斷開，造成空載運轉(zhuǎn)；同時切斷裝置失效，無法停止供氣，此時ATS運轉(zhuǎn)至自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)，判定發(fā)生自由運轉(zhuǎn)故障。以自由運轉(zhuǎn)故障為頂事件建立故障樹，根據(jù)可能導致自由運轉(zhuǎn)故障的帶轉(zhuǎn)負載和切斷裝置進行分區(qū)劃分，將故障原因分區(qū)定位，逐條分析，最終找出引起故障的原因。

切斷裝置失效將無法切斷供氣，將導致ATS轉(zhuǎn)速不斷上升而出現(xiàn)自由運轉(zhuǎn)故障。引氣切斷裝置失效可能的原因是：轉(zhuǎn)速傳感器故障、發(fā)動機控制系統(tǒng)故障和進氣切斷裝置故障等。這些因素分別標記為事件X01～X05。

負載異常斷開將造成ATS帶轉(zhuǎn)的負載突然降低至很小或為零，同樣也會造成自由運轉(zhuǎn)故障。引起負載異常斷開的原因可能是：減速器齒輪系嚙合失效、離合器失效、輸出軸組件過載斷裂、發(fā)動機傳動鏈失效和吸功裝置無法加載。這些因素分別標記為事件X06～X18。

將上述分析得到的頂事件、中間事件和底事件按照故障樹的符號邏輯的連接起來，就得到如圖2所示的ATS自由運轉(zhuǎn)故障樹。

圖2 ATS自由運轉(zhuǎn)故障樹

2.故障樹分析

當ATS的切斷裝置失效和負載異常斷開同時出現(xiàn)，可能導致自由運轉(zhuǎn)故障。

2.1 切斷裝置失效

切斷裝置失效故障包括轉(zhuǎn)速傳感器故障（X01）、發(fā)動機控制系統(tǒng)故障或進氣切斷裝置/調(diào)壓裝置故障，發(fā)生其中之一的故障時，無法給出ATS轉(zhuǎn)速信號或無法切斷進口氣源，導致ATS持續(xù)運轉(zhuǎn)，與負載異常斷開同時發(fā)生時將造成自由運轉(zhuǎn)故障。

（1）轉(zhuǎn)速傳感器故障（X01）：轉(zhuǎn)速傳感器因設計不合理、工藝和裝配質(zhì)量不良等原因引起導磁體、電纜或密封圈等元件失效，導致無法測量ATS轉(zhuǎn)速，無法給出轉(zhuǎn)速信號至發(fā)動機控制器并發(fā)出ATS脫開信號。

（2）發(fā)動機起動控制邏輯不當（X02）：發(fā)動機控制器的控制邏輯未準確設置ATS的脫開控制邏輯，達到脫開轉(zhuǎn)速時未給出切斷信號。

（3）發(fā)動機控制器故障（X03）：發(fā)動機控制器由于內(nèi)部硬件或軟件的故障導致無法接收轉(zhuǎn)速信號或無法給出切斷信號，導致ATS持續(xù)運轉(zhuǎn)。

（4）進氣切斷裝置異常（X04）：進氣切斷裝置因外來大顆粒異物或電磁鐵連桿、軸承等運動元件異常磨損引起蝶閥旋轉(zhuǎn)卡滯，或環(huán)境適應性差、設計裕度不足引起位置信號異常等故障造成無法正常關閉，導致無法切斷ATS進口氣源，ATS持續(xù)運轉(zhuǎn)。

（5）調(diào)壓裝置關閉異常（X05）：調(diào)壓裝置因外來大顆粒異物、彈簧設計裕度不足或加工、制造和裝配質(zhì)量不良導致電磁鐵或內(nèi)部元器件（彈簧、頂桿和密封墊等）失效，造成無法關閉進氣裝置至渦輪部件的氣路，導致ATS持續(xù)運轉(zhuǎn)。

2.2 負載異常斷開

負載異常斷開故障包括ATS減速器故障和發(fā)動機/吸功裝置端故障。發(fā)生其中之一的故障時，ATS產(chǎn)生的功率、扭矩無法傳遞給負載，導致空載運轉(zhuǎn)，與切斷裝置失效同時發(fā)生時將造成自由運轉(zhuǎn)故障。

（1）齒輪系強度不足（X06）：齒輪系在設計時強度設計不當或裕度不足，導致齒輪長期工作或瞬間過載過程中發(fā)生失效，無法傳遞載荷。

（2）齒輪系潤滑不良（X07）：減速器潤滑系統(tǒng)設計不當，或制造、裝配過程中存在超差，導致齒輪長期工作或瞬間過載過程中發(fā)生失效，無法傳遞載荷。

（3）軸承失效（X08）：軸承在工作過程中由于渦輪轉(zhuǎn)子或齒輪系的不平衡量導致偏載或潤滑不良，長期工作后導致疲勞失效。

（4）離合器裝配不當（X09）：離合器的裝配質(zhì)量不好、內(nèi)外套不同心造成離合器內(nèi)、外套無法正常接合，導致離合器無法傳遞載荷。

（5）離合器潤滑不良（X10）：離合器噴油噴嘴堵塞或局部滑油污染造成離合器潤滑不良，導致離合器失效，無法傳遞載荷。

（6）離合器異常磨損（X11）：離合器內(nèi)套、外套和偏心滾子組件由于選材不當、結(jié)構(gòu)設計不當、熱表處理超差、尺寸超差或內(nèi)部缺陷等原因造成異常磨損，導致離合器失效，無法傳遞載荷。

（7）輸出軸組件強度不足（X12）：輸出軸在設計時強度設計不當或裕度不足，或者材料冶金、加工制造的缺陷，導致齒輪長期工作或瞬間過載過程中發(fā)生斷裂失效。

（8）輸出軸裝配不當（X13）：輸出軸組件裝配質(zhì)量不良造成輸出軸局部強度不夠而發(fā)生斷裂失效。

（9）渦輪轉(zhuǎn)子不平衡量過大（X14）：渦輪盤破裂或葉片斷裂導致轉(zhuǎn)子過度不平衡，導致輸出軸承受的載荷超過極限值而發(fā)生斷裂失效。

（10）發(fā)動機起動傳動鏈失效（X15）：發(fā)動機起動傳動鏈零部件因強度不足或制造、裝配質(zhì)量不好，導致工作過程中薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂，無法傳遞功率、扭矩給發(fā)動機轉(zhuǎn)子。

（11）發(fā)動機起動傳動鏈軸承失效（X16）：發(fā)動機起動傳動鏈軸承因轉(zhuǎn)子不平衡量過大或潤滑不良，造成工作過程中發(fā)生軸承失效，導致傳動鏈無法傳遞載荷。

（12）吸功裝置轉(zhuǎn)接段損壞（X17）：ATS輸出軸組件與試驗臺架的吸功裝置之間的轉(zhuǎn)接段因強度不足或制造、裝配質(zhì)量不好，工作過程中不斷承受ATS的沖擊載荷，造成薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生疲勞斷裂，無法傳遞功率、扭矩給吸功裝置，導致空載運轉(zhuǎn)。

（13）吸功裝置內(nèi)部損壞（X18）：試驗臺架的吸功裝置內(nèi)部零部件因強度不足或制造、裝配質(zhì)量不好，造成工作過程中薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂，或者其它電氣故障引起內(nèi)部零部件卡滯，發(fā)生過載斷裂，導致吸功裝置無法加載，ATS空載運轉(zhuǎn)。

2.3 重要事件

從上述分析可以看出，底事件X01，X02，X03，X04和X05在可能導致頂事件發(fā)生的最小底事件組合中出現(xiàn)次數(shù)最多，因此最為重要。改善這些底事件的可靠度可以較大程度地提高切斷裝置的可靠性，從而減少自由運轉(zhuǎn)故障發(fā)生的可能性。

3.故障規(guī)避措施分析

針對可能造成ATS自由運轉(zhuǎn)故障不同類型的原因，制定以下規(guī)避措施，以降低故障發(fā)生的可能性：

（1）對于電氣元件的故障（如X01、X04、X05）：優(yōu)化設計、選材和制造、裝配工藝，嚴格控制加工、制造和裝配質(zhì)量，加強檢驗；改善ATS氣源清潔度，減少異物進入流道；

（2）對于發(fā)動機控制邏輯的故障（如X02、X03）：優(yōu)化起動控制邏輯，明確ATS正常脫開和保護脫開轉(zhuǎn)速要求、時間要求等；發(fā)動機控制系統(tǒng)采用多余度設計，起動前必須進行上電自檢，起動工作過程中實時監(jiān)測；

（3）對于零部件強度不足、裝配不當?shù)墓收希ㄈ鏧06、X09、X11、X12、X13、X14、X15）：優(yōu)化渦輪組件、齒輪系、離合器和輸出軸組件等的結(jié)構(gòu)、強度設計，提高強度裕度；嚴格控制冶金質(zhì)量、加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量，加強檢驗，關鍵部位尺寸作為精密計量尺寸；

（4）對于旋轉(zhuǎn)件潤滑不良、軸承失效的故障（如X07、X08、X10、X16）：優(yōu)化ATS減速器、離合器和發(fā)動機起動傳動鏈的潤滑系統(tǒng)設計，保證良好的潤滑；嚴格控制制造和裝配質(zhì)量，加強檢驗；定期檢查ATS滑油量、滑油污染度和金屬屑；

（5）對于吸功裝置的故障（如X17、X18）：優(yōu)化吸功裝置轉(zhuǎn)接段、內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)、強度設計，提高強度裕度；嚴格控制冶金質(zhì)量、加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量，加強檢驗；定期檢查吸功裝置各系統(tǒng)的完好程度。

4.結(jié)語

本文針對ATS自由運轉(zhuǎn)故障，建立了詳細的故障樹并對各底事件逐一進行了分析，確定了重要事件，同時針對不同類型的故障模式給出了相應的規(guī)避措施，以此作為預防，降低故障發(fā)生的可能性。