SR20飛機(jī)螺旋槳系統(tǒng)工作原理及典型故障分析

王凱 蔣平清

摘要：基于SR20飛機(jī)恒速螺旋槳的系統(tǒng)構(gòu)造，通過(guò)對(duì)該型飛機(jī)螺旋槳、調(diào)速器的構(gòu)造和槳轂潤(rùn)滑機(jī)制的工作原理進(jìn)行分析，深入闡述了諸如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速損失、發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)/全功率轉(zhuǎn)速不足、螺旋槳槳轂油脂過(guò)多等典型故障的故障原因及表征現(xiàn)象，提供了螺旋槳系統(tǒng)類(lèi)似故障的診斷方法及故障排除措施，為該型飛機(jī)螺旋槳、調(diào)速器的日常維護(hù)、故障排除和預(yù)防提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：螺旋槳系統(tǒng)；調(diào)速器；工作原理；故障機(jī)制；故障表征

Keywords：propeller system；governor；operating principle；failure mechanism；failure symptom

螺旋槳作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的重要部件，其功能及重要性不言而喻。SR20飛機(jī)作為我分院飛行訓(xùn)練的主力初教機(jī)型，其螺旋槳系統(tǒng)性能的好壞直接影響到SR20機(jī)隊(duì)運(yùn)行的可靠性與安全性。筆者基于多年的一線(xiàn)維護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)SR20飛機(jī)螺旋槳系統(tǒng)的主要部件（螺旋槳、調(diào)速器）的工作原理及螺旋槳槳轂的潤(rùn)滑機(jī)制進(jìn)行了深入研究和闡述，并對(duì)幾起諸如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速損失、發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)/全功率轉(zhuǎn)速不足、槳轂潤(rùn)滑脂過(guò)多等典型故障進(jìn)行了深入剖析，旨在使一線(xiàn)維修人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷類(lèi)似故障的故障原因并及時(shí)采取有效的故障排除措施，以降低SR20型飛機(jī)的停場(chǎng)率，提高SR20型飛機(jī)的安全性能和使用率。

1 SR20飛機(jī)螺旋槳系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

SR20飛機(jī)所配備的螺旋槳為三葉、鋁制、恒速、無(wú)順槳螺旋槳，鋁制槳葉安裝在鋁制槳轂內(nèi)，該槳轂內(nèi)含有一個(gè)由活塞、活塞桿和槳葉作動(dòng)組件組成的槳距變化機(jī)構(gòu)。螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)整是通過(guò)調(diào)整與安裝在油門(mén)操縱桿上平板型凸輪連接的螺旋槳控制鋼索實(shí)現(xiàn)的。該恒速螺旋槳是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速感應(yīng)裝置（調(diào)速器）通過(guò)改變槳葉角來(lái)保持發(fā)動(dòng)機(jī)/螺旋槳恒速的。該調(diào)速器內(nèi)置一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵體，該泵體能夠增大供給螺旋槳的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力。調(diào)速器內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速感應(yīng)裝置控制提供給螺旋槳的滑油供給量，通過(guò)供油或回油以保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。

螺旋槳槳葉角的改變是通過(guò)一個(gè)安裝在螺旋槳槳轂前端的液壓活塞/槳缸組合裝置實(shí)現(xiàn)的（如圖1所示）。液壓活塞的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)變距桿和變距叉?zhèn)鬟f給每個(gè)槳葉，位于每個(gè)槳葉底座的變距旋鈕與變距叉相連，每個(gè)槳葉根部通過(guò)保持軸承支撐，保持軸承使槳葉牢牢地固定在槳轂上，同時(shí)也能夠使槳葉角改變。具體表現(xiàn)為：作用在槳葉上的離心扭轉(zhuǎn)力使槳葉角變?。ǖ途啵┻M(jìn)而使轉(zhuǎn)速增加，由于離心扭轉(zhuǎn)力只有當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)存在，在螺旋槳內(nèi)部安裝了一個(gè)機(jī)械彈簧以便于在轉(zhuǎn)速減小時(shí)使槳葉向低距運(yùn)動(dòng)，當(dāng)螺旋槳靜止時(shí)將槳距降至最?。ǖ途嘞迍?dòng)位）。當(dāng)槳葉在低距時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)機(jī)的負(fù)載將會(huì)明顯減小。油壓作用與彈簧和離心扭轉(zhuǎn)力相反，使槳葉角增大（變大距）以降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)油壓損失時(shí)，螺旋槳會(huì)向低距運(yùn)動(dòng)，這是由于彈簧和槳葉離心扭轉(zhuǎn)力不再反作用于油壓，螺旋槳就會(huì)減小槳葉角到低距限動(dòng)位。此種情況下，當(dāng)油門(mén)桿在最前位（起飛和爬升階段）時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速為2700RPM，在中間位至全功率的巡航狀態(tài)下螺旋槳轉(zhuǎn)速為2500RPM，在較低功率下螺旋槳轉(zhuǎn)速為1900RPM。

2 典型故障分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速損失故障分析

故障案例回顧：2019年12月26日，一架SR20飛機(jī)執(zhí)行本場(chǎng)飛行訓(xùn)練，機(jī)組反映該機(jī)地面起飛增速滑跑中，當(dāng)油門(mén)加至2/3處時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有明顯損失，隨即該機(jī)中斷起飛。該機(jī)滑回后維修人員進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，無(wú)掉轉(zhuǎn)速、功率損失等異常情況。

經(jīng)查詢(xún)，該機(jī)于2019年12月22日完成PhaseIII漸進(jìn)式檢查工作，并于12月26日參加飛行。隨后使用EGView Engine Monitor Graphing & Analysis軟件讀取發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)看，在當(dāng)日地面起飛增速滑跑階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增至最高轉(zhuǎn)速（2678RPM）之前的2s時(shí)間段內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力數(shù)值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈反向變化趨勢(shì)（即在該2s內(nèi)，滑油壓力隨轉(zhuǎn)速增大而降低），在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增至最大轉(zhuǎn)速時(shí)滑油壓力降至最低（40psi）；而后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由2678RPM降至2438RPM的2s時(shí)間段內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力數(shù)值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速亦呈反向變化趨勢(shì)（即滑油壓力隨轉(zhuǎn)速減小而增加），在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至最低（2438RPM）時(shí)滑油壓力升至最高（46psi）；隨后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與滑油壓力均呈小幅度反向波動(dòng)狀態(tài)（持續(xù)時(shí)間約2s）并逐漸恢復(fù)正常。而在整個(gè)變化過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、氣缸頭溫度、燃油流量、進(jìn)氣壓力均指示正常，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。如圖2所示。

從上述情況判斷，由于SR20飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)配備的為自動(dòng)變距恒速螺旋槳，在駕駛艙油門(mén)桿由低功率推至全功率轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，在接近巡航轉(zhuǎn)速（調(diào)速器調(diào)節(jié)工作轉(zhuǎn)速）時(shí)，有部分滑油開(kāi)始供向調(diào)速器變距油路。鑒于該飛機(jī)是定檢、停放后的首次飛行，從當(dāng)天發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)看，上述現(xiàn)象出現(xiàn)前，飛行人員在地面試車(chē)時(shí)未進(jìn)行全功率轉(zhuǎn)速的檢查（檢查單無(wú)相關(guān)要求，SR20 飛機(jī)在正常進(jìn)行推油門(mén)至最大轉(zhuǎn)速前存在一定的轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)現(xiàn)象，系調(diào)速器工作所致），造成調(diào)速器供給螺旋槳的壓力滑油（變距油路）中存有氣泡，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)指示滑油壓力出現(xiàn)短暫性降低（間斷、不連續(xù)）。且在正常地面進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)檢查時(shí)，在首次推油門(mén)至全功率過(guò)程中，在調(diào)速器介入工作階段（轉(zhuǎn)速一般在2500RPM左右，油門(mén)桿約2/3位），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均會(huì)有50RPM左右的掉轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)數(shù)值與試車(chē)人員推油門(mén)速度快慢有關(guān)）。再加之飛機(jī)運(yùn)動(dòng)加速滑跑等外界干擾的影響，當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)增大至最大轉(zhuǎn)速（2678RPM）時(shí)，調(diào)速器調(diào)速迅速進(jìn)行調(diào)速工作，因螺旋槳變矩運(yùn)動(dòng)遲緩，致使發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，調(diào)速時(shí)間較長(zhǎng)（持續(xù)時(shí)間約2s）。

綜上分析，造成此次地面起飛增速滑跑中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速損失240RPM的原因?yàn)檎{(diào)速器變距油路中混有氣體，導(dǎo)致調(diào)速器供給螺旋槳的壓力滑油中斷、不連續(xù)，導(dǎo)致調(diào)速器變距反應(yīng)遲緩。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)或全功率轉(zhuǎn)速過(guò)低故障分析

螺旋槳超轉(zhuǎn)是指螺旋槳或發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)了設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速限制，或發(fā)動(dòng)機(jī)（螺旋槳）轉(zhuǎn)速高于飛行員通過(guò)螺旋槳控制桿設(shè)定轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象；而全功率轉(zhuǎn)速過(guò)低是指發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速低于飛行操作手冊(cè)所規(guī)定的全功率轉(zhuǎn)速值，以至于發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法達(dá)到全功率輸出的現(xiàn)象。由于飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較小，為了確保在飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為2700RPM，在地面靜態(tài)調(diào)整時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)置為大約2650RPM。

需要注意的是，調(diào)速器鋼索與燃油計(jì)量裝置（發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)體）鋼索通過(guò)不同的連接接頭連接在駕駛艙內(nèi)的油門(mén)桿上，油門(mén)體與調(diào)速器都是通過(guò)油門(mén)桿進(jìn)行操縱，即具有油門(mén)-變距聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖3所示）。有時(shí)為了達(dá)到規(guī)定的最大轉(zhuǎn)速（靜止?fàn)顟B(tài)下）而進(jìn)行的低距限動(dòng)釘調(diào)整可能會(huì)掩蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的功率問(wèn)題，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、燃油流量等諸多參數(shù)的影響，因此在進(jìn)行螺旋槳低距限動(dòng)調(diào)整工作時(shí)，需確保駕駛艙內(nèi)油門(mén)桿在最前位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)體和螺旋槳調(diào)速器低距限動(dòng)釘必須同時(shí)限動(dòng)，且油門(mén)桿與駕駛艙操縱臺(tái)前端有一定間隙，以確保燃油計(jì)量裝置的節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到全功率輸出狀態(tài)。

當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)（即空中轉(zhuǎn)速超出2700RPM）或全功率轉(zhuǎn)速過(guò)低（即地面轉(zhuǎn)速低于2650RPM）時(shí)，需要對(duì)螺旋槳低距或調(diào)速器低距限動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

螺旋槳低距限動(dòng)調(diào)整程序如下：

1）脫開(kāi)調(diào)速器操縱鋼索并適當(dāng)退出調(diào)速器上的低距限動(dòng)釘； 2）松開(kāi)壓緊螺帽的同時(shí)用內(nèi)六角扳手固定低距限動(dòng)釘，以防止鎖緊螺母松動(dòng)時(shí)低距限動(dòng)釘轉(zhuǎn)動(dòng)；3）向里轉(zhuǎn)動(dòng)低距限動(dòng)釘會(huì)增大槳距、減小轉(zhuǎn)速，向外轉(zhuǎn)動(dòng)低距限動(dòng)釘會(huì)減小槳距、增大轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)低距限動(dòng)釘1 圈，會(huì)造成轉(zhuǎn)速增加或減少約200 RPM 。

調(diào)速器低距限動(dòng)釘調(diào)整程序如下：

1）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并暖機(jī)，在油門(mén)桿放置在最前端時(shí)，確保轉(zhuǎn)速表讀數(shù)為2650 RPM；2）如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表讀數(shù)不在2650 RPM，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，在調(diào)速器上調(diào)整低距/高轉(zhuǎn)速限動(dòng)釘；3）擰松調(diào)整螺釘鎖緊螺母，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺釘1圈會(huì)增大或減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約25～30 RPM；4）擰緊調(diào)整螺釘鎖緊螺母。

2.3 螺旋槳槳轂油脂過(guò)多故障分析

2019-2020年期間，我分院送往螺旋槳翻修廠家的螺旋槳在分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，多副螺旋槳均存在槳轂充滿(mǎn)潤(rùn)滑脂、槳葉軸承油脂變質(zhì)硬化、變矩活塞與槳轂之間積存大量潤(rùn)滑脂、槳轂中存在較多輕質(zhì)不明油液的情況。經(jīng)分析認(rèn)為，潤(rùn)滑脂進(jìn)入槳轂的主要原因是槳葉軸承區(qū)域潤(rùn)滑脂硬化和槳轂內(nèi)潤(rùn)滑脂黏稠度過(guò)高，導(dǎo)致每次執(zhí)行螺旋槳槳轂潤(rùn)滑工作注入新鮮潤(rùn)滑脂時(shí)，新鮮潤(rùn)滑脂由于受到阻礙作用，無(wú)法正常從對(duì)側(cè)排油孔排出（舊油脂），轉(zhuǎn)而進(jìn)入阻礙相對(duì)較小的槳轂區(qū)域。由于槳葉軸承區(qū)域內(nèi)的硬化潤(rùn)滑脂無(wú)法正常排出，隨著時(shí)間積累，進(jìn)入槳轂內(nèi)的潤(rùn)滑脂日益增多，進(jìn)而導(dǎo)致在整個(gè)螺旋槳翻修周期內(nèi)槳轂內(nèi)的潤(rùn)滑脂過(guò)量，甚至出現(xiàn)因油脂過(guò)多將槳轂堵塞憋出的現(xiàn)象。

所以，外場(chǎng)通過(guò)注油潤(rùn)滑不能完全替換掉軸承中的舊油脂，只能通過(guò)補(bǔ)油使槳葉軸承始終充滿(mǎn)潤(rùn)滑脂。

根據(jù)手冊(cè)中的描述，若槳轂中進(jìn)入大量潤(rùn)滑脂，有可能會(huì)引起螺旋槳變矩遲緩，甚至油脂進(jìn)入變矩活塞與槳轂之間區(qū)域直接影響螺旋槳變矩，也可能會(huì)造成振動(dòng)值超標(biāo)、發(fā)動(dòng)機(jī)異常掉轉(zhuǎn)或超轉(zhuǎn)等故障現(xiàn)象。

其間維修人員在進(jìn)行螺旋槳潤(rùn)滑時(shí)所使用的潤(rùn)滑脂均為Aeroshell 6號(hào)潤(rùn)滑脂，在離心力作用及高溫環(huán)境下容易發(fā)生油脂分離，造成槳葉軸承處潤(rùn)滑脂硬化。2020年1月，Hartzell公司發(fā)布HC-SL-61-366，正式通知用戶(hù)換用NYCO GN 3058潤(rùn)滑脂。NYCO GN 3058是一種新型的鋰復(fù)合合成潤(rùn)滑脂，在Hartzell的測(cè)試中，該型油脂是所有被測(cè)油脂中分離油量最少的，除了表現(xiàn)出最高的穩(wěn)定性，NYCO GN 3058潤(rùn)滑脂還具有更好的耐磨性、耐腐蝕性和耐水性能。相比現(xiàn)用黏土基Aeroshell 6號(hào)潤(rùn)滑脂，抗油脂分離性能更好，不易硬化，若換用NYCO GN 3058會(huì)有效減少油脂分離問(wèn)題并能減少螺旋槳過(guò)度潤(rùn)滑問(wèn)題。隨即維修人員對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行了更換，以評(píng)估測(cè)試換用新型潤(rùn)滑脂對(duì)槳轂潤(rùn)滑情況的影響。結(jié)果表明，自更換NYCO GN 3058潤(rùn)滑脂后，槳轂油脂過(guò)多的故障現(xiàn)象不復(fù)存在。

3 維護(hù)建議

基于前文中對(duì)SR20型飛機(jī)螺旋槳系統(tǒng)的工作原理、調(diào)速器的變距原理、螺旋槳槳轂潤(rùn)滑機(jī)理的介紹，以及對(duì)發(fā)生的幾起典型故障的闡述，針對(duì)SR20飛機(jī)螺旋槳系統(tǒng)的日常維護(hù)及檢查提出以下建議，以切實(shí)提高SR20型飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。

1）在完成SR20飛機(jī)階段檢查工作時(shí)，在進(jìn)行SR20飛機(jī)地面試車(chē)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)至滑油溫度達(dá)到綠區(qū)，從低功率到全功率反復(fù)推拉油門(mén)桿3 次以上，并執(zhí)行兩次巡航功率檢查，使螺旋槳自動(dòng)變距，以消除螺旋槳調(diào)速器變距油路中的氣泡；

2）在地面調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)全功率轉(zhuǎn)速時(shí)，必須嚴(yán)格按照前述所要求的先檢查/調(diào)整螺旋槳低距、后調(diào)整調(diào)速器低距限動(dòng)，以避免掩蓋發(fā)動(dòng)機(jī)功率的其他問(wèn)題；

3）外場(chǎng)維修人員執(zhí)行螺旋槳注油潤(rùn)滑時(shí)，首先用保險(xiǎn)絲疏通對(duì)側(cè)排油孔，并采用僅拆該槳葉對(duì)面的堵塞、不拆其他槳葉堵塞的方式進(jìn)行注油潤(rùn)滑，如果注入手冊(cè)中要求的最大限量后對(duì)側(cè)油孔仍沒(méi)有潤(rùn)滑脂排出，則將該機(jī)螺旋槳送翻修廠家進(jìn)行槳轂潤(rùn)滑脂清洗，且在潤(rùn)滑時(shí)需核對(duì)槳轂所粘貼的潤(rùn)滑脂牌號(hào)標(biāo)簽，不能將不同牌號(hào)的潤(rùn)滑脂進(jìn)行混用。若發(fā)生混用，需立即將該螺旋槳拆下送翻修廠家進(jìn)行清洗。

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作者簡(jiǎn)介

王凱，工程師，從事航空器維修工作；

蔣平清，高級(jí)工程師，從事航空維修管理工作。