某發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶開關(guān)異常故障原因分析

艾 婧

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

某型飛機(jī)在起飛過程中出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶開關(guān)異常情況，導(dǎo)致了壓氣機(jī)喘振故障，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)排查確定為某發(fā)動(dòng)機(jī)附件離心傳感器故障，作為直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶打開和關(guān)閉的附件，其性能不穩(wěn)定是導(dǎo)致放氣帶開關(guān)異常的主要原因，直接影響飛機(jī)的飛行安全。通過分析喘振故障現(xiàn)象和工作原理，對(duì)離心傳感器進(jìn)行分解檢查和性能試驗(yàn)，查找性能不穩(wěn)定的原因并提出改進(jìn)意見。

1 故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)在飛行過程中，某發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速4000r/min收油門過程中發(fā)生喘振故障。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至2500r/min、排氣溫度上升至670℃時(shí)，飛行員將左發(fā)拉停，稍后重啟發(fā)動(dòng)機(jī)成功。當(dāng)飛機(jī)返航收油門時(shí)故障再現(xiàn)，飛行員妥善處置后安全著陸。發(fā)動(dòng)機(jī)地面檢查放氣帶操縱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)推油門時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，當(dāng)收油門時(shí)故障復(fù)現(xiàn)。在出現(xiàn)喘振故障時(shí)，放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速為3890r/min，打開轉(zhuǎn)速為3310r/min，超出規(guī)定轉(zhuǎn)速差不超過50r/min。經(jīng)排查認(rèn)為這次故障為離心傳感器工作異常所致，該發(fā)更換離心傳感器后故障消失。

發(fā)動(dòng)機(jī)配裝的離心傳感器工作時(shí)間239h9min，階段規(guī)定壽命1000h。

1.2 工作原理

離心傳感器是某發(fā)動(dòng)機(jī)放氣機(jī)構(gòu)組成部件之一，其功用是感受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過控制放氣機(jī)構(gòu)電磁活門電路的接通和斷開來控制發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶的關(guān)閉和打開。

離心傳感器由殼體、上蓋、離心飛重、分油活門、傳動(dòng)軸、彈簧、調(diào)整螺釘、薄膜、插座和微動(dòng)開關(guān)等組成，微動(dòng)開關(guān)與插座間由導(dǎo)線連接，插座與發(fā)動(dòng)機(jī)電插頭連接。分油活門在離心飛重的軸向分力和彈簧力的作用下軸向移動(dòng)，控制薄膜滑油腔油路通斷，最終控制微動(dòng)開關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)放氣帶開關(guān)的控制，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離心傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

某發(fā)動(dòng)機(jī)為防止喘振，在壓氣機(jī)3、4級(jí)之間裝有放氣帶，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在（3800+50）r/min上下時(shí)，離心傳感器控制發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶的關(guān)閉與打開，保證當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速增加或減少的過渡狀態(tài)下工作時(shí)壓氣機(jī)遠(yuǎn)離喘振邊界。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于（3800+50）r/min時(shí)，彈簧壓緊力小于離心飛重產(chǎn)生的軸向分力，分油活門上移，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路連通，這時(shí)轉(zhuǎn)換活門內(nèi)薄膜頂桿在0.4MPa滑油壓力作用下與轉(zhuǎn)換裝置殼體面止靠，薄膜頂桿推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)按鈕接通放氣機(jī)構(gòu)電磁活門電路，放氣帶關(guān)閉。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于（3800+50）r/min時(shí)，彈簧壓緊力大于離心飛重產(chǎn)生的軸向分力，分油活門下移，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路被分油活門的分油邊堵住，這時(shí)轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)薄膜頂桿在彈簧力作用下恢復(fù)初始位置，微動(dòng)開關(guān)按鈕斷開放氣機(jī)構(gòu)電磁活門電路，放氣帶打開。

1.3 產(chǎn)品檢查

1.3.1 性能錄取

故障離心傳感器返廠后，在試驗(yàn)器上錄取6遍接通/斷開轉(zhuǎn)速（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶的關(guān)閉/打開轉(zhuǎn)速），結(jié)果斷開轉(zhuǎn)速變化較大且轉(zhuǎn)速差均大于規(guī)定值，故障復(fù)現(xiàn)，見表1。

表1 性能數(shù)據(jù)

1.3.2 分解檢查

分解檢查發(fā)現(xiàn)離心傳感器的分油活門外圓和內(nèi)孔均存在磨損痕跡，軸組件外圓有周向磨粒磨損痕跡。軸外表面與銅襯套配合部位形成兩個(gè)磨損環(huán)帶，磨痕微觀形貌為深且窄的犁溝，說明有異物進(jìn)入軸組件間隙且異物為高硬度片狀物。

檢查分油活門臺(tái)階一側(cè)有周向磨粒磨損痕跡，磨損處無熱變色現(xiàn)象，臺(tái)階2處有1道周向磨損痕跡，磨痕微觀形貌為深且窄的犁溝；發(fā)現(xiàn)分油活門表面有被輾壓的金屬物，尺寸約為20μm，如圖2所示，經(jīng)能譜分析異物為鋁屑，說明在工作過程中有鋁屑進(jìn)入分油活門與軸組件配合間隙。

圖2 片狀鋁屑形貌

1.3.3 油液分析

分析離心傳感器產(chǎn)品內(nèi)存留油液和清洗油液，發(fā)現(xiàn)有顆粒狀金屬物，微觀形貌如圖3～圖4所示。對(duì)滑油中的金屬物進(jìn)行能譜分析，其成分主要有鋁合金、鎂合金、銅合金、鍍鎘層和鋼，見表2和表3[2]，金屬物尺寸為5μm～300μm，分析離心傳感器零件材料，無鎂合金材料，分析認(rèn)為應(yīng)屬于其他滑油系統(tǒng)附件磨損產(chǎn)生。

圖3 存留滑油中金屬物微觀形貌

圖4 清洗收集金屬物形貌

表2 存留滑油中金屬物分析結(jié)果

表3 清洗收集金屬物分析結(jié)果

1 Mg：0.04% Al：99.82% Cu：0.14% 40 鋁合金2 Mg：87.21% Cu：11.93% Zn：0.86% 20～40 鎂合金3 Al：0.55% Cd：99.45% 70 鍍鎘層4 Al：85.60% Si：13.48% Fe：0.93% 80 鋁合金5 Cr：1.15% Mn：0.58%Fe：94.35% Ni：3.92% 5～20 鋼6 Al：1.27% Cu：77.17%Sn：7.52% Pb：14.03% 5～20 銅合金7 Cr：0.38% Fe：99.62% 10 低合金鋼

1.3.4 滑油系統(tǒng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的功用是為發(fā)動(dòng)機(jī)所有的齒輪、軸承、軸和花鍵套齒提供適量的滑油進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，保證機(jī)件正常工作。某發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)是一個(gè)封閉式循環(huán)系統(tǒng)，滑油被進(jìn)油泵抽取，經(jīng)過增壓、過濾送至各個(gè)需要潤(rùn)滑的地方進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻后，流至收油池內(nèi)，再通過回油泵抽回，經(jīng)散熱器送回滑油箱，準(zhǔn)備再次使用。

某發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)在離心傳感器的入口處設(shè)置單層金屬方孔網(wǎng)油濾，濾網(wǎng)材料為黃銅H80，網(wǎng)孔尺寸為0.071mm，金屬絲徑為0.056mm?；椭行∮?.071mm的顆粒物均可通過濾網(wǎng)進(jìn)入離心傳感器內(nèi)部，而零件配合間隙為0.025mm～0.03mm和0.028mm～0.04mm，說明滑油中金屬物進(jìn)入離心傳感器配合間隙為該附件性能不穩(wěn)定的主要原因。

1.4 性能復(fù)試

為了驗(yàn)證離心傳感器故障是否為金屬物進(jìn)入分油活門和軸組件間隙導(dǎo)致，在對(duì)離心傳感器所有零件僅進(jìn)行沖洗后，在同一試驗(yàn)器上錄取6遍接通、斷開轉(zhuǎn)速，錄取性能結(jié)果顯示除了接通轉(zhuǎn)速大于規(guī)定值的情況，接通轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且轉(zhuǎn)速差合格。接通轉(zhuǎn)速大于規(guī)定值的原因?yàn)楫?dāng)裝用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)匹配調(diào)整所致。通過對(duì)比出廠和清洗前后的性能數(shù)據(jù)，如圖5所示，說明離心傳感器性能不穩(wěn)定的原因是金屬物進(jìn)入分油活門和軸組件間隙導(dǎo)致分油活門運(yùn)動(dòng)不靈活。

圖5 轉(zhuǎn)速差

2 改進(jìn)方向

為了解決這類故障問題，對(duì)比分析離心傳感器的分油活門與其他燃油調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速分油活門的尺寸和工作條件，工作參數(shù)見表4，離心傳感器的分油活門配合間隙大于燃油調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速分油活門配合間隙，而燃油調(diào)節(jié)器自1975年以來從未發(fā)生過轉(zhuǎn)速分油活門卡滯故障，說明離心傳感器結(jié)構(gòu)可滿足使用要求。

表4 工作參數(shù)對(duì)比

方格式金屬網(wǎng)有效過濾面積比如公式（1）所示[1]。

式中：F為方格式金屬濾網(wǎng)有效過濾面積比；ω為網(wǎng)孔邊長(zhǎng)；d為網(wǎng)線直徑。

經(jīng)計(jì)算網(wǎng)孔尺寸為0.071mm，當(dāng)金屬絲徑為0.056mm時(shí)，濾網(wǎng)的有效過濾面積比為31.7%；網(wǎng)孔尺寸為0.04mm，當(dāng)金屬絲徑為0.03mm時(shí)，濾網(wǎng)的有效過濾面積比為32.6%。說明兩種規(guī)格的濾網(wǎng)有效過濾面積比相當(dāng)，在同一介質(zhì)條件下流通能力相當(dāng)，說明離心傳感器進(jìn)口處油濾可采用0.04mm/0.03mm規(guī)格的濾網(wǎng)。

3 結(jié)語

通過對(duì)離心傳感器進(jìn)行性能檢查、分解檢查、分油活門及軸組件冶金檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了外來金屬異物引發(fā)的異常磨損痕跡；結(jié)合產(chǎn)品工作原理和工作環(huán)境等進(jìn)行分析，定位故障原因是外來異物進(jìn)入分油活門與軸組件配合間隙，在隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作中發(fā)生異常磨損，進(jìn)而導(dǎo)致離心傳感器轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，最終造成發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶開關(guān)異常故障。借鑒類似產(chǎn)品，采取提高某發(fā)動(dòng)機(jī)的離心傳感器進(jìn)口處油濾精度，可改善其工作環(huán)境，降低外部污染，提高性能穩(wěn)定性。