張帆，唐建根，李凱，李鵬輝，陳盼，蔡震

（成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司，四川 彭州 611930）

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為模擬電子-機(jī)械液壓控制的軍用雙轉(zhuǎn)子加力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。受噴口喉道面積與加力供油量的匹配性影響，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)接通加力控制規(guī)律復(fù)雜，燃燒條件惡劣，涉及因素較多，為準(zhǔn)確定位某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力參數(shù)異常故障誘因，以發(fā)動(dòng)機(jī)加力狀態(tài)控制計(jì)劃和調(diào)節(jié)規(guī)律為基礎(chǔ)，建立了以“發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)異?！睘轫斒录墓收蠘?shù)。按照故障樹(shù)進(jìn)行性能試驗(yàn)、分解檢查與故障原因分析，準(zhǔn)確定位故障源。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)飛行過(guò)程中，該機(jī)飛行后半程長(zhǎng)時(shí)間有加力接通信號(hào)。機(jī)組檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)噴口噴出一團(tuán)火焰，停車后加II、III號(hào)輸油圈有燃油滴出，2 min后漏油現(xiàn)象消失。飛參判讀該機(jī)在工作中退出加力后，加力仍然接通。飛機(jī)滑回后收油門(mén)停車期間，長(zhǎng)時(shí)間有加力接通信號(hào)（中間有幾次短時(shí)間加力斷開(kāi)）。同時(shí)噴口收放轉(zhuǎn)速異常，收油門(mén)退出加力后，當(dāng)N2轉(zhuǎn)速下降到97%時(shí)噴口異常放大，著陸時(shí)噴口為大噴口（此時(shí)應(yīng)為小噴口）。檢查噴口加力調(diào)節(jié)器液壓延遲器、液壓放大器刻度盤(pán)在油門(mén)刻度盤(pán)為0°時(shí)，刻度為82°（規(guī)定值為58°～60°）。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)加力接通原理

發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工作狀態(tài)是靠移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)操縱桿來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)入加力域，高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速[2]N2R必須大于85%。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速N2R達(dá)到85%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器的加力控制與信號(hào)組合才能解除加力聯(lián)鎖，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入加力狀態(tài)。油門(mén)角度從非加力位置到加力域的任意位置時(shí)，加力接通過(guò)程開(kāi)始。此時(shí)，液壓延遲器活塞桿上的襯套隨油門(mén)桿下移到加力域的相應(yīng)位置，打開(kāi)液壓延遲器活塞下腔回油路。液壓延遲器活塞位置與油門(mén)桿給定位置下活塞停止下移，液壓延遲器活塞位置匹配油門(mén)桿給定位置。隨著液壓延遲器活塞的下移，加力接通活門(mén)被液壓延遲器活塞推動(dòng)向左移動(dòng)，切斷執(zhí)行活門(mén)左腔的回油路，執(zhí)行活門(mén)投入工作，使壓力信號(hào)器前和控制壓力活門(mén)前的油壓升高。此時(shí)壓力信號(hào)器向發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器內(nèi)的加力控制與信號(hào)組合發(fā)送“已向加力燃燒室供油”的信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器向加力點(diǎn)火裝置發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)，執(zhí)行點(diǎn)火命令后，使加力燃燒室產(chǎn)生30 s的電火花。同時(shí)，加力控制與信號(hào)組合使最小加力電磁活門(mén)通電，打開(kāi)定壓油的來(lái)油路，使頂桿活塞在定壓油的作用下向上移動(dòng)到最小加力原來(lái)的加力域任意位置。加力燃油按最小加力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)因加力接通而帶來(lái)較大波動(dòng)。當(dāng)加力燃燒室內(nèi)離子火焰探測(cè)器檢測(cè)到穩(wěn)定火焰信號(hào)后，向發(fā)動(dòng)機(jī)綜合調(diào)節(jié)器發(fā)出指令，最小加力電磁活門(mén)斷電，作用在頂桿活塞下腔的定壓油被關(guān)閉，頂桿活塞下移解除對(duì)液壓延遲器活塞桿的作用，液壓延遲器活塞下移到油門(mén)桿給定的襯套位置。工作原理如圖1所示。

圖1 加力接通系統(tǒng)液壓延遲器原理圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)加力參數(shù)異常故障樹(shù)

圖3 噴口加力調(diào)節(jié)器輸出桿叉件

3 故障樹(shù)建立與故障檢查

航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，加力燃燒室由于風(fēng)速高、壓力低，點(diǎn)火條件惡劣。整個(gè)加力點(diǎn)火所涉及的部件、附件有噴口加力調(diào)節(jié)器、加力燃油分布器等。如果參與加力點(diǎn)火的任意一環(huán)出現(xiàn)偏差就可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)加力參數(shù)異常故障。通過(guò)對(duì)加力燃油控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理分析可以看出，加力燃油控制系統(tǒng)基本上是一個(gè)全串聯(lián)的系統(tǒng)，用故障樹(shù)的方法來(lái)建立加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障樹(shù)[3]。故障樹(shù)建立的具體過(guò)程是選定加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)“發(fā)動(dòng)機(jī)加力參數(shù)異常”故障作為整個(gè)系統(tǒng)（故障樹(shù)）的頂事件，建立故障樹(shù)，再根據(jù)故障樹(shù)對(duì)故障原因進(jìn)行逐級(jí)檢查。

根據(jù)噴口加力燃油控制系統(tǒng)各子模塊工作原理分析，加力參數(shù)故障涉及飛參采集系統(tǒng)故障，噴口加力調(diào)節(jié)器故障與加力燃油分布器故障，結(jié)合本次加力參數(shù)異常伴隨噴口異常放大現(xiàn)象，重點(diǎn)對(duì)噴口加力調(diào)節(jié)器進(jìn)行性能試驗(yàn)與分解檢查。

3.1 性能試驗(yàn)

根據(jù)故障現(xiàn)象，保持返廠狀態(tài)進(jìn)行性能試驗(yàn)，保持油門(mén)角度為小角度，上試驗(yàn)器開(kāi)機(jī)檢查加力輸出角度、加力輸油圈流量、檢查Ф10指令壓力。針對(duì)故障現(xiàn)象對(duì)加力輸油圈流量進(jìn)行針對(duì)性檢查，結(jié)果如表1所示。

表1 流量特性曲線

檢查結(jié)果為當(dāng)油門(mén)角度為小角度時(shí)，加力輸出角度為81刻度，Ф10指令壓力為1.3 MPa。起動(dòng)流量超出工藝要求范圍上限，試驗(yàn)結(jié)果表明，油門(mén)角度與輸出角度匹配異常，噴口加力調(diào)節(jié)器一直維持在部分加力狀態(tài)。

3.2 分解檢查

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器性能試驗(yàn)檢查情況與故障樹(shù)列舉的底事件，取下噴口加力調(diào)節(jié)器輸出桿叉件，分別檢查噴口輸出軸與加力輸出軸靈活性，發(fā)現(xiàn)噴口調(diào)節(jié)器輸出軸卡滯無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，加力調(diào)節(jié)器輸出軸可轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)輸出軸卡滯情況著重分解噴口調(diào)節(jié)器，將噴口加力調(diào)節(jié)器分解至噴口調(diào)節(jié)器與加力調(diào)節(jié)器，分解小軸支架組件發(fā)現(xiàn)，小軸支架殼體結(jié)合面與噴口殼體間有1個(gè)螺帽和1個(gè)鎖片（如圖4），均為加力調(diào)節(jié)器擺錘活門(mén)組件上的螺帽與鎖片，且檢查加力調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)腔發(fā)現(xiàn)擺錘活門(mén)組件螺帽與鎖片脫落。

圖4 擺錘活門(mén)組件螺帽、鎖片與加力調(diào)節(jié)器內(nèi)腔情況

小軸支架組件與噴口殼體存在卡滯夾傷，如圖5所示。初步分析為螺帽與鎖片在小軸支架與噴口內(nèi)腔殼體之間使小軸支架卡滯且造成小軸支架與噴口加力調(diào)節(jié)器殼體夾傷。

圖5 噴口調(diào)節(jié)器內(nèi)腔情況與小軸支架組件

進(jìn)一步分解檢查，發(fā)現(xiàn)脫落的螺帽和鎖片來(lái)自擺錘活門(mén)組件。螺帽與鎖片脫落后，通過(guò)低壓腔進(jìn)入噴口調(diào)節(jié)器，卡在小軸支架齒輪處，導(dǎo)致噴口調(diào)節(jié)器輸出軸卡滯。

分解其余噴口加力調(diào)節(jié)器零組件，未見(jiàn)異常。按照故障樹(shù)底事件排查，根據(jù)上述分解檢查情況，可以排除底事件X1～X4、X6～X15，無(wú)法排除底事件X5小軸支架組件卡滯造成本次故障的可能。

4 加力參數(shù)異常故障原因分析

4.1 加力退出異常原因分析

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器燃油系統(tǒng)原理（如圖6），當(dāng)小軸支架卡滯時(shí)，小軸支架通過(guò)傳動(dòng)齒輪使噴口輸出軸無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。噴口輸出軸與加力輸出軸通過(guò)輸出桿叉件相連，發(fā)動(dòng)機(jī)收油門(mén)退出加力時(shí)，將油門(mén)桿從加力域收到非加力區(qū)域，油門(mén)指示臂帶動(dòng)滑油轉(zhuǎn)換活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，溝通滑油轉(zhuǎn)換活門(mén)下腔的回油路，使加力燃滑油熱交換器退出工作。液壓延遲器活塞桿上的襯套上移關(guān)閉液壓延遲器活塞下腔的回油路。由于液壓延遲器活塞桿與噴口輸出軸相連無(wú)法移動(dòng)，加力泵左腔回油無(wú)法打開(kāi)，加力泵無(wú)法停止供油。同時(shí)也無(wú)法將油門(mén)指令傳遞給加力調(diào)節(jié)器，加力調(diào)節(jié)器由于輸出軸卡滯停留在81刻度，發(fā)動(dòng)機(jī)一直維持在部分加力狀態(tài)[4]，加力無(wú)法正常退出。

圖6 噴口加力調(diào)節(jié)器燃油系統(tǒng)原理圖

4.2 噴口收放轉(zhuǎn)速異常原因分析

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器燃油系統(tǒng)原理（如圖6），當(dāng)小軸支架卡滯時(shí)，小軸支架通過(guò)傳動(dòng)齒輪使噴口輸出軸無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入加力狀態(tài)后，噴口調(diào)節(jié)器程序機(jī)構(gòu)按Fk＝f（PLA，T1）調(diào)節(jié)規(guī)律給定噴口限動(dòng)值。噴口分油活門(mén)下端襯套打開(kāi)分油活門(mén)活塞上腔的回油路，使分油活門(mén)活塞上腔油壓降低，分油活門(mén)停止下移。從而限制噴口截面面積，使發(fā)動(dòng)機(jī)噴口不能小于程序機(jī)構(gòu)給定的位置。噴口調(diào)節(jié)器程序機(jī)構(gòu)[5]按Fk＝f（PLA，T1）規(guī)律調(diào)節(jié)噴口液壓限動(dòng)線，使發(fā)動(dòng)機(jī)噴口截面面積在部分加力狀態(tài)不能小于其限定值。飛機(jī)著陸收噴口時(shí)，噴口加力調(diào)節(jié)器著陸關(guān)噴口電磁活門(mén)溝通定壓油使落壓比擋板活門(mén)關(guān)閉，但由于噴口調(diào)節(jié)器輸出軸處于81刻度，發(fā)動(dòng)機(jī)處于部分加力狀態(tài)，液壓限動(dòng)位限制使噴口處于部分加力噴口狀態(tài)的噴口位置，噴口無(wú)法正常收小導(dǎo)致著陸時(shí)噴口收放異常。N2轉(zhuǎn)速下降到97%時(shí)噴口異常也是由于液壓限動(dòng)位限動(dòng)噴口位置所致。

4.3 擺錘活門(mén)組件螺帽與鎖片脫落原因分析

根據(jù)擺錘活門(mén)組件結(jié)構(gòu)（如圖7），螺帽脫落的原因?yàn)閿[錘活門(mén)組件螺帽擰緊未到位、鎖片鎖尖未貼緊到位。該結(jié)構(gòu)在飛行過(guò)程中受振動(dòng)導(dǎo)致螺帽有略微松動(dòng)，螺帽對(duì)鎖片的壓緊不足致使鎖片鎖尖一側(cè)向遠(yuǎn)離螺帽的方向上產(chǎn)生微小位移，從而使螺帽繼續(xù)松脫，導(dǎo)致螺帽完全脫落。擺錘活門(mén)組件螺帽與鎖片模擬松動(dòng)過(guò)程如圖8所示。

5 故障結(jié)論

根據(jù)返廠檢查情況，結(jié)合上述分析，導(dǎo)致本次故障的原因?yàn)閲娍诩恿φ{(diào)節(jié)器擺錘活門(mén)組件螺帽擰緊未到位、鎖片鎖尖未貼緊到位，該結(jié)構(gòu)在飛行過(guò)程中受振動(dòng)導(dǎo)致螺帽有略微松動(dòng)，螺帽對(duì)鎖片的壓緊不足致使鎖片鎖尖一側(cè)向遠(yuǎn)離螺帽的方向上產(chǎn)生微小位移，從而使螺帽繼續(xù)松脫，進(jìn)而導(dǎo)致螺帽完全脫落。螺帽與鎖片通過(guò)低壓腔進(jìn)入噴口調(diào)節(jié)器使小軸支架組件卡滯，進(jìn)而輸出軸卡滯導(dǎo)致輸出角度停留在81刻度，發(fā)動(dòng)機(jī)一直維持在部分加力狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常退出加力導(dǎo)致加力退出異常，液壓限動(dòng)位限動(dòng)噴口位置導(dǎo)致噴口收放轉(zhuǎn)速異常，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)異常。

圖7 擺錘活門(mén)組件螺帽與鎖片結(jié)構(gòu)

圖8 擺錘活門(mén)組件螺帽與鎖片模擬松動(dòng)過(guò)程

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加力參數(shù)異常故障的研究，通過(guò)故障機(jī)理分析，結(jié)合噴口加力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，按照故障樹(shù)進(jìn)行性能試驗(yàn)、分解檢查與故障原因分析，最終定位故障源，并為發(fā)動(dòng)機(jī)類似故障提供了可借鑒的思路與方法。