IO-360-ES 系列大陸發(fā)動機滑油系統(tǒng)故障研究

張?zhí)评?/p>

摘要： 滑油壓力是臺架試車時檢驗發(fā)動機翻修質量的重要參數(shù)之一，滑油壓力異常是發(fā)動機臺架試車時滑油系統(tǒng)常見故障之一，通常包括壓力過低、壓力過高、壓力波動等，滑油壓力低會導致發(fā)動機各零件摩擦潤滑不良，從而造成各零部件磨損過早，嚴重時會造成發(fā)動機徹底失效。以大陸IO-360-ES 為例，通過對滑油系統(tǒng)工作原理及各部件的功用進行分析，并提出相應的維護建議和排故方案，從而降低因發(fā)動機潤滑不當導致的飛行安全事故的發(fā)生。

關鍵詞： 滑油系統(tǒng) 滑油壓力低 試車 排故

中圖分類號： V263.6 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0102-04

西銳SR-20 型飛機是美國西銳公司設計開發(fā)的一種小型活塞螺旋槳式飛機，采用下單翼設計，機身采用復合材料制造。該飛機配備Garmin Perspective 航空電子系統(tǒng)，同時具有獨特的整機降落傘系統(tǒng)（CAPS），可以在緊急情況下保障機組生命安全，故因其強大的安全性以及先進的航空電子系統(tǒng)受到各通用航空公司的青睞。目前，西銳全球機隊已擁有超過6 100架的SR系列飛機，并累計超過700萬飛行小時。該飛機的動力裝置為特內達因-大陸IO-360-ES 航空活塞發(fā)動機，是一款六氣缸水平對置式、直噴式發(fā)動機，燃料使用100 號/100LL 航空汽油，額定轉速2 700 RPM，額定功率200BHP［1］。西銳SR-20 型飛機于1998 年取得FAA 適航標準，2010 年后進入中國市場，其發(fā)動機故障率高而影響飛行安全。修理廠在翻修此款發(fā)動機后進行磨合試車，發(fā)現(xiàn)滑油壓力是發(fā)動機試車重要的監(jiān)控數(shù)據(jù)之一，因此滑油系統(tǒng)是發(fā)動機重要的子系統(tǒng)。

1 IO-360-ES 發(fā)動機滑油系統(tǒng)結構原理

IO-360-ES 發(fā)動機是由美國大陸公司設計制造的風冷式水平對置六缸發(fā)動機組成。發(fā)動機滑油供應集中在底部的收油池中，滑油泵為齒輪泵，位于發(fā)動機附件機匣中部，與曲軸齒輪嚙合。當發(fā)動機工作時，曲軸經(jīng)曲軸齒輪帶動滑油泵齒輪運轉，通過滑油泵齒輪擠壓給滑油加壓后，通過油濾過濾后到散熱器，達到一定溫度和壓力的干凈滑油進入發(fā)動機。

在發(fā)動機內部，滑油通過專門的油路進入曲軸、連桿、凸輪軸和齒輪等滑動軸承內進行潤滑；其他不與油路相通的機件，如活塞與氣缸壁、滾動軸承及齒輪等，則利用從滑動軸承流出的滑油和從曲軸或機匣上專設的油路孔噴出滑油直接進行潤滑，或者借用曲軸等轉動較快的機件利用離心力將噴出的滑油潑濺至摩擦面進行潤滑。這些工作后的滑油，從各處依靠重力匯流到下部收油池中沉淀、過濾、冷卻后進行下一個循環(huán)。

同時機匣上設有通氣管，使機匣內部與外界大氣相通，排出循環(huán)所產(chǎn)生的滑油蒸汽以及從活塞周圍漏進機匣的混合氣和廢氣，這樣可防止滑油因氣體太多而產(chǎn)生大量泡沫，也能避免機匣內滑油壓力過大導致機匣密封處漏油，從而形成使滑油循環(huán)流動的潤滑系統(tǒng)。所以，此滑油系統(tǒng)是以壓力潤滑為主、潑濺潤滑為輔的混合潤滑方式。

2 影響滑油系統(tǒng)壓力的原因

2.1 滑油

航空活塞發(fā)動機潤滑油一般分為礦物油和合成油兩大類，IO-360-ES 發(fā)動機開車前請確保滑油牌號是否是廠家指定型號（如30SEA/50SEA）的礦物油，滑油必須是符合SAE J—1899 或SAE J—1966 規(guī)范的航空滑油［2］。

手冊中明確規(guī)定：不同牌號的滑油黏度、閃點和燃點、比重、流動性和濁點、抗氧化性和抗泡沫性以及腐蝕性、毒性等理化性質不同，不能混用［3］。

黏度是滑油的重要基本性質，同種滑油的黏度大小主要受滑油溫度的影響。溫度高，則黏度?。粶囟鹊?，則黏度大。好的滑油要求其黏度隨溫度的變化越小越好。當溫度升高時，黏度變小，流動性變大，滑油可能無法在發(fā)動機運轉零部件表面形成一定厚度的連續(xù)油膜，將導致相互運動的金屬部件發(fā)生局部直接接觸，從而增大了摩擦力和磨損，降低了發(fā)動機輸出功率；當溫度降低時，黏度增大，流動性不好，造成流動阻力大，降低發(fā)動機輸出功率。

因此，航空活塞發(fā)動機所使用的滑油，不僅要求其在金屬表面能形成一層一定厚度和適當強度的油膜，還要黏度低。這樣既能保證潤滑和冷卻，又能保證良好的流動性。同時，滑油量是否達到要求也是重要指標之一，以IO-360-ES 為例，滑油建議加到8QT，可使用滑油量為5QT［2］。

2.2 滑油泵

滑油泵是用于促使滑油循環(huán)流動的動力裝置，如圖1 所示。航空活塞發(fā)動機的滑油泵多數(shù)是齒輪式的。齒輪式油泵由一對相互嚙合齒輪組成：一個叫作主動齒輪，是由曲軸通過曲軸齒輪帶動旋轉的齒輪；另一個叫作從動齒輪，是由主動齒輪帶動旋轉的齒輪。當發(fā)動機旋轉時，油泵驅動齒輪逆時針轉動（從發(fā)動機后部看）。驅動齒輪與從動齒輪嚙合，以便順時針轉動。旋轉齒輪產(chǎn)生必要的吸力，以將滑油從底部收油池通過吸油管吸引到泵齒輪進口［4］?；蛷幕捅昧飨蚧陀蜑V?；屯ㄟ^濾芯，然后流入滑油冷卻器。旁路安全閥打開，分流濾芯周圍的油，在濾芯堵塞時返回發(fā)動機。

滑油泵出口壓力的大小直接導致整個發(fā)動機滑油壓力的大小?；捅脡毫Φ奶岣呤腔褪艿接捅谬X輪推擠和出口反作用力的結果，影響滑油泵出口壓力的因素有滑油泵轉速、滑油黏度和流動通道截面等。維修人員應仔細檢查滑油泵進油路管道，防止因污物積聚致使流通截面減小，使油泵出口油壓超過發(fā)動機所允許的出口油壓，導致機匣內滑油過多，影響機件運轉，造成系統(tǒng)各部分密封困難，某些附件受到損壞?；捅谬X輪軸向間隙和徑向間隙太大導致泵體內漏，從而導致滑油泵出口壓力過低，雖然內漏在維修過程發(fā)生概率較低，但是也需要維修人員在發(fā)動機翻修過程中對滑油泵齒輪進行精密測量工作需要相當精密，確保齒輪磨損未超標（某單位工藝要求軸向間隙與徑向間隙不超過0.006 in［5］）。

2.3 滑油釋壓活門

滑油釋壓活門（滑油調節(jié)活門）將油壓限制在正常運行時30～60 PSI［6］，某單位試車工藝規(guī)定滑油壓力不能高于100 PSI，否則立即關車。外場人員可通過轉動滑油壓閥調節(jié)螺釘調節(jié)滑油壓力，順時針為增大滑油壓力，反之則相反。

2.3.1 調壓活門的工作原理與影響滑油壓力因素

IO-360-ES 發(fā)動機調壓活門位于附件機匣左側主油路上，由鋼堵頭活門、兩根粗細不同的彈簧和座子組成，活門控制著一條從進滑油泵出口通往進口的油路，活門的一邊承受出口油壓，另一邊承受彈簧壓力。如果滑油供油量超過了發(fā)動機所需的滑油量，則滑油壓力過大，滑油就克服彈簧力而頂開活門，多余的滑油通過活門回到滑油泵進口，這時滑油壓力就能保持不變，從而達到了調壓的目的。

2.3.2 影響調壓活門處壓力的因素

調壓活門和該活門安裝孔內部存在異物、毛刺以及彈簧自身彈力不夠將導致調壓活門與安裝孔位置無法形成緊密貼合，造成間隙從而導致滑油回到進油路。當間隙過大時，滑油壓力會在試車過程中發(fā)生急劇下降而無法保持壓力，因此發(fā)生此故障時應立即關車檢查調壓活門或安裝孔是否存在故障。

2.4 滑油溫度

滑油溫度亦是發(fā)動機又一重要參數(shù)，一般運行溫度在170℉（77℃）上下，一般滑油溫度高會伴有低壓現(xiàn)象［2］。IO-360-ES 發(fā)動機未裝有滑油散熱器風門，使用溫控活門（見圖2）實現(xiàn)對滑油溫度的控制。溫控活門油路并聯(lián)在滑油散熱器上，當滑油溫度低時，溫控活門受低溫收縮，滑油路打開。此時，因低溫滑油流經(jīng)散熱器的流動阻力大，滑油主要通過溫控活門油路流動，旁通散熱器不進行散熱，使滑油溫度快速上升并保持在規(guī)定范圍內。隨著滑油溫度的升高，溫控活門膨脹，逐漸關閉旁通油路，更多的滑油流經(jīng)散熱器進行散熱，保證滑油溫度在規(guī)定范圍內。

2.5 發(fā)動機滑油通道堵塞

在發(fā)動機工作過程，滑油濾內積存的雜質會逐漸增多，當積累到一定量時，位于滑油泵進油路或者出油路會發(fā)生堵塞或者堵塞過濾部分，影響滑油系統(tǒng)的正常工作。如果滑油濾網(wǎng)破損，則將影響過濾質量，導致發(fā)動機零部件潤滑不良，嚴重時將導致發(fā)動機整體滑油壓力低，從而未能潤滑相關運動部件造成部件干磨發(fā)動機失效。因此在發(fā)動機使用過程中維修人員應該按照維護手冊的規(guī)定，定期清洗和檢查滑油濾。在翻修過程中維修人員一定要確?；屯ǖ赖臅惩o雜質并防止外來物質進入發(fā)動機。在某航校西銳SR20 成功迫降事件中，大陸發(fā)動機廠家給出的事件調查結果是潤滑不當導致連桿軸瓦干摩擦失效。此事件至今未有官方定論，但究竟是潤滑不當還是軸瓦本身質量存在缺陷仍待探究。

2.6 發(fā)動機滑油壓力表存在故障

現(xiàn)代通用飛機多采用電子式滑油壓力表，它由指示器、傳感器組成，傳感器由滑動電阻構成，壓力的變化將驅動傳感器內滑動電阻滑動壁的旋轉，從而改變滑動阻值，滑油壓力表通過測量傳感器送來的電阻變化來指示滑油壓力［4］。一旦滑油壓力表出現(xiàn)故障，很有可能是傳感器內部故障，因此維修人員一般會整體更換滑油壓力表。

3 結語

綜上所述，滑油系統(tǒng)是發(fā)動機非常重要的系統(tǒng)之一，滑油泵為整個發(fā)動機提供潤滑的動力來源；滑油釋壓活門為滑油系統(tǒng)的滑油壓力起調節(jié)作用，使滑油系統(tǒng)的整體壓力保持在正常水平；滑油冷卻器以及滑油溫度控制活門對滑油溫度起調節(jié)作用，使整個滑油系統(tǒng)的溫度保持在正常水平。滑油系統(tǒng)的故障不只是一個零部件的問題，要從故障現(xiàn)象回歸到整個發(fā)動機相關系統(tǒng)，要系統(tǒng)性、全盤性地考慮問題。故障的出現(xiàn)極大地影響飛行安全，因此維護人員能否快速對故障做出判斷至關重要。通過本文的分析，了解了該發(fā)動機的滑油系統(tǒng)原理，結合滑油系統(tǒng)維護經(jīng)驗，提出了相應的維護經(jīng)驗以及排故思路，同時對通用航空發(fā)動機的維護以及排故具有一定的指導意義。

基金項目： 2022年度中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目青年基金（項目編號：QJ2022-31）。

參考文獻

[1] IO-360 Series Engine Installation and Operation Manual[Z/OL].（2019-05-17）[2023-08-24].http：//www.continental.aero/.

[2] IO-360 Series Engine Maintenance and Overhaul Manual[Z/OL].（2019-05-17）[2023-08-24].http：//www.continental.aero/.

[3] Standard Practice Maintenance Manual[Z/OL]. （2019-09-15）[2023-08-24].http：//www.continental.aero/.

[4]“民用航空器維修人員基礎系列教材”編委會. 活塞發(fā)動機及其維修[Z].2020-02-10.

[5] 中國民航飛行學院飛機修理廠.IO-360-ES 翻修工作單（電子版）[Z].2022-01-01.

[6] 中國民航飛行學院飛機修理廠.IO-360-ES 本體維修工藝（電子版）[Z].2022-01-01.