某型航空發(fā)動機備份狀態(tài)α1、α2 擺動量超標(biāo)故障分析

■ 曹督 呂文禮/中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司

0 引言

航空發(fā)動機的工作過程極其復(fù)雜，其工作范圍為整個飛行包線。航空發(fā)動機控制的目的是使發(fā)動機在任何環(huán)境條件和工作狀態(tài)下都能穩(wěn)定可靠地運行，并充分發(fā)揮其性能效益[1，2]。主燃油泵是航空發(fā)動機的重要組成部分之一，由傳動系統(tǒng)和復(fù)雜的機械式自動控制系統(tǒng)組合而成[3]，不僅能將初始的機械能轉(zhuǎn)換成供油的能量，還向傳動系統(tǒng)提供一定壓力和流量的燃油[4]，因此，主燃油泵的各項性能指標(biāo)都將直接影響燃油系統(tǒng)的運行，進而影響到航空發(fā)動機的安全性與穩(wěn)定性[5，6]。

1 故障描述

某主燃油泵調(diào)節(jié)器隨某型發(fā)動機使用過程中，在外場頻繁出現(xiàn)多起“備份狀態(tài)下α1、α2擺動量超標(biāo)”故障，將該主燃油泵調(diào)節(jié)器返廠檢查，備份擺動情況復(fù)現(xiàn)。

2 α2 角度控制工作原理

該型發(fā)動機備份狀態(tài)α1、α2的角度是通過主燃油泵調(diào)節(jié)器進行控制的，工作原理如圖1 所示，有兩個輸入條件：發(fā)動機進口溫度T1和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2。主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)部的溫度放大器活門將T1溫度傳遞給三維凸輪，T1溫度變化帶動三維凸輪的旋轉(zhuǎn)；主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)部的離心式轉(zhuǎn)速傳感器將感受到的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為離心力，通過杠桿機構(gòu)傳遞給三維凸輪，帶動三維凸輪的軸向移動。三維凸輪的旋轉(zhuǎn)和軸向移動均使其半徑發(fā)生變化，緊靠在三維凸輪上的杠桿隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動換算轉(zhuǎn)速指令杠桿移動。該杠桿作為α1、α2的輸入杠桿，位移的變化會帶動α1、α2分油活門移動，通往發(fā)動機α1、α2作動筒的燃油壓力隨之變化，使作動筒移動，改變α1、α2的角度，并通過發(fā)動機反饋鋼索進行修正，完成α1、α2角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖1 備份α1、α2角度控制原理框圖

離心式轉(zhuǎn)速傳感器由離心飛重、傳感器活門、頂桿、杠桿、彈簧等組成。離心飛重和傳感器活門各有一個球窩，兩個球窩通過頂桿連接。

3 故障定位

將主燃油泵調(diào)節(jié)器返廠后錄取產(chǎn)品的相關(guān)性能，發(fā)現(xiàn)三維凸輪行程擺動，α1、α2角度擺動，其余性能未見異常，故障復(fù)現(xiàn)。

依據(jù)故障復(fù)現(xiàn)情況和α1、α2角度控制工作原理，梳理故障關(guān)聯(lián)機構(gòu)，包括溫度放大器、轉(zhuǎn)速傳感器、N2r換算轉(zhuǎn)速指令信號、執(zhí)行機構(gòu)、反饋機構(gòu)等相關(guān)底事件共13 項，建立故障樹如圖2 所示。

圖2 備份狀態(tài)下α1、α2擺動量超標(biāo)問題故障樹

根據(jù)所列的故障樹，對各個底事件按表1 所示措施進行分解檢查，最終排除11 項底事件，不能排除的2 項底事件為“X4：離心飛重異?！焙汀癤5：傳感器擺錘活門球窩異?！?。

表1 備份狀態(tài)下α1、α2擺動量超標(biāo)問題故障樹排查表

4 故障原因分析及驗證

備份狀態(tài)下離心飛重感受發(fā)動機轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為離心力，通過頂針作用在傳感器擺錘活門左端；而傳感器擺錘活門右端有彈簧力作用，兩端力值的比較結(jié)果決定了擺錘開度，進而決定傳感器隨動活塞位置。正常情況下，頂針與球窩的接觸點不發(fā)生變化，頂針傳輸力值平穩(wěn)。如果離心飛重球窩或傳感器擺錘活門球窩輪廓度超差，頂針與球窩的接觸點會發(fā)生變化，頂針傳輸給傳感器擺錘活門的力值將不平穩(wěn)，造成傳感器擺錘活門開度變化，從而造成傳感器隨動活塞位置變化。由于傳感器隨動活塞與三維凸輪通過杠桿剛性連接，傳感器隨動活塞位置變化會造成三維凸輪行程擺動。同時，由于三維凸輪行程為α1、α2角度控制的輸入指令，三維凸輪行程擺動將引發(fā)α1、α2角度擺動。

廠內(nèi)復(fù)查該主燃油泵調(diào)節(jié)器擺錘活門組件頂桿座的球窩輪廓度及離心飛重組件支撐座的球窩輪廓度，均不符合要求，進一步檢查裝配時的原始記錄均符合要求，說明輪廓度的超差是使用過程中磨損所致。

對磨損的頂桿座進行理化檢查，發(fā)現(xiàn)部分頂桿座的球窩表面有不同程度的坑點，經(jīng)電鏡檢測，坑點形貌為一定深度的孔洞狀疏松層，且有Fe、Cr 元素的貧化現(xiàn)象。

復(fù)查該頂桿座、支撐座的加工過程，零件在加工過程中接觸的液體主要為切削冷卻液、研磨油、磨削液和清洗用有機清洗劑，均不會對頂桿座材料造成影響而形成疏松層。檢查生產(chǎn)現(xiàn)場不同加工階段下的頂桿座情況，發(fā)現(xiàn)熱處理前頂桿座的球窩表面無疏松層，熱處理后的球窩表面疏松層厚度最大可達30μm（見圖3、圖4），因此可將疏松層的產(chǎn)生鎖定在熱處理過程。

圖3 熱處理前球窩表面

圖4 熱處理后有疏松層球窩

頂桿座、支撐座的熱處理工藝為淬火+時效處理，其中淬火在鹽爐中進行，時效在真空爐中處理。試驗表明，在鹽浴爐脫氧不充分的情況下，頂桿座淬火后表面易出現(xiàn)Fe、Cr 元素的貧化而造成疏松層。原因為鹽浴爐的氧元素與原材料發(fā)生氧化反應(yīng)，造成Fe、Cr 等元素流失，形成孔洞狀疏松層，硬度降低，強度下降。因此，最終將故障定位在擺錘活門頂桿座和離心配重組件支撐座輪廓度超差。

基于上述分析，在其他條件不變的情況下，更換輪廓度合適的零件后擺動超標(biāo)故障消失。因此確定本次故障產(chǎn)生的原因：經(jīng)鹽爐淬火的頂桿座、支撐座，其球窩表面存在一定厚度的疏松層。后續(xù)經(jīng)研磨加工，當(dāng)球窩尺寸達到圖紙要求時，部分球窩表面的疏松層未完全去除，造成部分球窩耐磨性較差，使用過程中球窩表面磨損較快，導(dǎo)致球窩尺寸變化，輪廓度超差，最終通過離心力的擺動輸出顯化為α1、α2角度擺動。

5 糾正措施

由于鹽爐淬火會使球窩表面存在一定厚度的疏松層而使其耐磨性下降，因此擬改用真空爐淬火處理，針對該問題開展了原材料的真空爐淬火熱處理工藝技術(shù)研究。通過工藝攻關(guān)，解決了真空爐淬火熱處理工藝的相關(guān)技術(shù)難題并實現(xiàn)了應(yīng)用。采用真空爐加工的球窩與原鹽爐淬火加工球窩的對比如圖5 所示。

圖5 鹽爐淬火與真空爐淬火球窩表面對比

從圖5 可看出，采用真空爐加工的球窩無疏松層，表面狀態(tài)提高，耐磨性更強。

將貫徹以上球窩改進措施的主燃油泵調(diào)節(jié)器隨發(fā)動機試車，備份狀態(tài)下α1、α2角度擺動量均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，證明糾正措施有效。

6 總結(jié)

通過故障定位、分解檢查、試驗驗證等得出故障產(chǎn)生的原因是傳感器擺錘活門球窩、離心飛重球窩輪廓度超差，引起離心力變化，使傳感器擺錘活門開度發(fā)生變化，最終引發(fā)α1、α2角度擺動。

引起傳感器擺錘活門球窩、離心飛重球窩輪廓度超差的原因是：轉(zhuǎn)速傳感器擺錘活門熱處理工藝采用鹽爐淬火，經(jīng)鹽爐淬火的球窩表面存在疏松層，在經(jīng)研磨加工球窩尺寸達到圖紙要求后，部分球窩表面的疏松層可能未完全去除，造成部分球窩耐磨性較差，使用過程中球窩表面磨損，導(dǎo)致輪廓度超差。

采用將球窩熱處理工藝更改為真空爐淬火的措施，可避免球窩表面產(chǎn)生疏松層，提高球窩表面耐磨性。