楊 俊，艾軍軍，田慧清

(1.空裝西安局某軍事代表室，西安 710021；2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司，西安 710021)

1 引言

某型發(fā)動機防喘措施單一，沒有采用如多級可調(diào)導(dǎo)流葉片、可變彎度導(dǎo)流葉片等防喘措施，僅采用在低轉(zhuǎn)速時打開放氣帶來預(yù)防喘振發(fā)生，可靠性低[1-5]。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于3 800+50r/min 偏離設(shè)計狀態(tài)較多時，通過打開放氣帶放掉部分空氣，避免發(fā)動機進入喘振。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到3 800+50r/min時，放氣帶關(guān)閉。如果放氣帶在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于3 800+50r/min時提前關(guān)閉，會導(dǎo)致發(fā)動機進氣量過大而無法排出，容易發(fā)生喘振[6]。

該型發(fā)動機在地面試車過程中，推最大工作狀態(tài)時發(fā)生喘振故障。飛參顯示放氣帶關(guān)閉時轉(zhuǎn)速低于3 800+50r/min，說明放氣帶發(fā)生了提前關(guān)閉，喘振故障是由放氣帶提前關(guān)閉所致[7]。但該故障發(fā)動機返廠后在試車臺進行復(fù)試的過程中，放氣帶提前關(guān)閉現(xiàn)象并未捕捉到，故障未得到復(fù)現(xiàn)。

由于故障表現(xiàn)為“快推全程加速性過程中放氣帶提前關(guān)閉”，而快推全程加速性是在飛機起飛過程中使用，一旦發(fā)生放氣帶提前關(guān)閉引起發(fā)動機喘振，很可能造成空中停車并引發(fā)等級事故，對飛行安全危害極大，亟需解決此類問題。針對該故障，本文進行了相應(yīng)的故障分析，并提出了解決措施。

2 放氣帶結(jié)構(gòu)

放氣帶位于壓氣機第3、4 級之間的中機匣前、后艙接合處的圓周上，由放氣窗口、放氣帶、傳感器和作動筒等操縱系統(tǒng)組成，如圖1 所示。放氣帶作動筒由外殼、活塞、彈簧、固定銷等部件組成，通過2個支臂固定在中機匣上。放氣帶通過耳環(huán)及固定銷固定在作動筒上，作動筒內(nèi)部彈簧的張力把活塞推向作動筒兩端，使放氣帶打開，空氣從環(huán)形間隙放出。當(dāng)壓縮空氣輸入放氣機構(gòu)作動筒后，活塞克服彈簧力向中間靠攏，于是放氣帶關(guān)閉，停止向大氣放氣。

圖1 放氣帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Bleed belt structure

3 故障分析

3.1 故障樹分析

根據(jù)可能引起放氣帶提前關(guān)閉的原因，如冷氣電磁閥異常工作、離心傳感器提前工作、AN-2C 按鈕異常工作、發(fā)動機電氣連接短路、飛機防火系統(tǒng)異常工作等，繪制故障樹(圖2)，并逐條分析和排除。

(1)冷氣電磁閥異常工作：作為執(zhí)行機構(gòu)，冷氣電磁閥接收電流信號，控制壓縮空氣進入作動筒。根據(jù)試車結(jié)果，放氣帶動作與電流信號對應(yīng)準(zhǔn)確，執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)及時，可排除此項。

(2)AN-2C按鈕異常工作：AN-2C按鈕為檢查放氣帶關(guān)閉功能的手動按鈕，若該按鈕異常接通，會導(dǎo)致冷氣電磁閥電路提前接通。由于該按鈕已取消功能，用密封膠封死，所以不存在異常接通故障。

圖2 放氣帶提前關(guān)閉故障樹Fig.2 Failure tree of early closing of bleed blet

(3)發(fā)動機電氣連接短路：若該回路不經(jīng)過離心傳感器而短路，會導(dǎo)致冷氣電磁閥電路接通。若電氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常短路，則發(fā)動機放氣帶異常接通的時機應(yīng)該與轉(zhuǎn)速無關(guān)，在任何狀態(tài)下均可出現(xiàn)放氣帶提前關(guān)閉，與故障現(xiàn)象不符，可排除此項。

(4)飛機防火系統(tǒng)異常工作：當(dāng)發(fā)動機的AKP2-2 微動開關(guān)和發(fā)動機艙的感溫器同時故障時，會導(dǎo)致冷氣電磁閥的電路接通，使放氣帶關(guān)閉。但發(fā)動機的AKP2-2微動開關(guān)只有在停車時才能接通，與故障現(xiàn)象不符，可排除此項。

圖3 右部傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the right part of transmission system

通過以上排查，最終將故障定為離心傳感器提前工作。離心傳感器是控制放氣帶開閉的附件，安裝在發(fā)動機附件機匣右部，位于右部傳動系統(tǒng)(包括中央傳動機構(gòu)、右中介傳動機構(gòu)、發(fā)動機附件機匣傳動機構(gòu)及發(fā)動機附件機匣，如圖3 所示)最末端。該發(fā)動機發(fā)生提前關(guān)閉故障時，其預(yù)調(diào)關(guān)閉轉(zhuǎn)速為3 960 r/min，實際使用過程中關(guān)閉轉(zhuǎn)速向下漂移至3 710 r/min，轉(zhuǎn)速相差250 r/min。如此大的差異必然與離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速波動或離心傳感器異常工作相關(guān)。離心傳感器感受的是由發(fā)動機轉(zhuǎn)軸經(jīng)右部傳動系統(tǒng)傳遞給它的轉(zhuǎn)速，涉及9 個直齒輪、6 個錐齒輪及右傳動桿、水平傳動桿等幾十個零件，結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜?？梢?，右部傳動系統(tǒng)是否平穩(wěn)、傳遞到離心傳感器輸入端的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機軸線處的轉(zhuǎn)速是否一致非常重要，必須進行離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速測試。

3.2 測試系統(tǒng)及測試結(jié)果

為了確定發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速以及右部傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速是否存在波動，采用如圖4 所示的測試系統(tǒng)[8-9]進行測試。

圖4 發(fā)動機測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Diagram of aero-engine test system

(1)測試信號

測試時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號從試車臺轉(zhuǎn)速儀表輸出端引出；放氣帶指示燈信號從試車臺放氣帶指示燈兩端并出；放氣帶動作位移信號從發(fā)動機左側(cè)放氣帶上方位移傳感器接入；離心傳感器工作電流信號由串接在主電纜中的電流傳感器接入；離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速信號由離心傳感器輸入轉(zhuǎn)接段裝置中的電渦流傳感器接入。測試時采樣頻率設(shè)置為10 kHz，整個試車過程連續(xù)采樣。

(2)濾波器硬件設(shè)置

由于測試系統(tǒng)采樣頻率高，且沒有濾波處理，測試時試車過程中的各類干擾信號也被疊加進去作為測試信號進行處理，導(dǎo)致測試出的轉(zhuǎn)速信號波動較大。發(fā)動機最高轉(zhuǎn)頻為78 Hz，換算到離心傳感器處為415 Hz，按照分析頻率為其2.56倍規(guī)律計算，濾波頻率最小應(yīng)為1 062 Hz。為不丟失信號，在測試數(shù)采轉(zhuǎn)速通道增加2 kHz硬件濾波器以濾除高頻干擾信號。

(3)濾波器軟件設(shè)置

由于電渦流傳感器探頭在高頻狀態(tài)工作時會產(chǎn)生較多雜波信號，影響所采正常信號的判讀，且試車時一些環(huán)境因素也會造成干擾信號，故采用IIR 濾波器對轉(zhuǎn)速信號進行濾波處理。選取10 Hz IIR 低通濾波器，將所測轉(zhuǎn)速信號中每秒變化10次以上的干擾信號進行濾波處理，濾波后的信號不會濾掉轉(zhuǎn)速的真實信號。

(4)試驗準(zhǔn)備

離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速測試裝置(圖5、圖6)是在離心傳感器與發(fā)動機附件機匣之間增加的一個轉(zhuǎn)接段。它既要保證離心傳感器的正常工作，又要保證電渦流傳感器能監(jiān)測到離心傳感器的輸入轉(zhuǎn)速。為提高離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速測試精度，在轉(zhuǎn)接段中增加一個4 齒計數(shù)齒輪。測試時，齒輪凹凸槽尺寸的變化引起電渦流傳感器電壓變化，從而轉(zhuǎn)換成脈沖信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。

圖5 轉(zhuǎn)速測速裝置裝配圖Fig.5 Assembling drawing of speed measurement device

圖6 轉(zhuǎn)速測速裝置安裝位置Fig.6 Assembling position of speed measurement device

通過該測試系統(tǒng)測量發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速、離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速及離心傳感器接通時與放氣帶關(guān)閉的對應(yīng)關(guān)系，來判斷轉(zhuǎn)速的波動是源于發(fā)動機本身還是其右部傳動系統(tǒng)。另外，測速裝置所測離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速比試車臺所測發(fā)動機轉(zhuǎn)速精度高，能夠?qū)﹄x心傳感器接通和斷開瞬間的轉(zhuǎn)速值和平穩(wěn)度，以及與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、信號燈信號、放氣帶位移信號和離心傳感器工作電流信號的對應(yīng)關(guān)系等進行精確測量。

通過大量試驗及統(tǒng)計，最終在故障發(fā)動機上精確測出放氣帶關(guān)閉和打開時離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速存在較大波動，波動值分別為83 r/min和125 r/min，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速的波動值僅為20 r/min并準(zhǔn)確捕捉到快推過程中出現(xiàn)的放氣帶提前關(guān)閉現(xiàn)象(3 780 r/min關(guān)閉)，故障最終得到了復(fù)現(xiàn)，如圖7 所示。證明了發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，而右部傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速波動較大，且這種波動超出離心傳感器轉(zhuǎn)差波動范圍時會導(dǎo)致離心傳感器提前工作。同時，通過測試排除了離心傳感器本身異常工作引起的放氣帶提前關(guān)閉。

圖7 3 780 r/min放氣帶關(guān)閉瞬間時域曲線Fig.7 Time domain curve of 3 780 r/min when bleed belt closed

3.3 齒輪參數(shù)測量

對右部傳動系統(tǒng)零件進行復(fù)查，最終將故障排查重點聚焦于6個傳動錐齒輪[10]。通過對21臺發(fā)動機(3 臺故障發(fā)動機、8 臺未發(fā)生過放氣帶異常關(guān)閉的大修發(fā)動機和10臺新發(fā)動機)右部傳動系統(tǒng)錐齒輪結(jié)構(gòu)特性參數(shù)(相鄰齒距誤差、齒向誤差、齒形誤差、周節(jié)累計誤差和跳動值)的檢測，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)動機的6 個錐齒輪，特別是中央傳動主動錐齒輪(1 號錐齒輪)，其周節(jié)累計誤差與未發(fā)生過放氣帶異常關(guān)閉的大修發(fā)動機相比偏大。由于錐齒輪設(shè)計圖紙無周節(jié)累計誤差控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮到周節(jié)累計誤差是影響齒輪傳動精度和平穩(wěn)性的關(guān)鍵特性參數(shù)，經(jīng)過深入研究，對錐齒輪增加了周節(jié)累計誤差控制要求，并進行了優(yōu)化和驗證。

結(jié)合中央傳動機構(gòu)、右中介傳動機構(gòu)錐齒輪的計量情況，為驗證右部傳動系統(tǒng)錐齒輪對放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速波動的影響，按新增的周節(jié)累計誤差控制標(biāo)準(zhǔn)挑選圖3中2號和4號錐齒輪共2套，分別裝配在故障發(fā)動機上進行對比試車。試車過程中，快推和慢推放氣帶關(guān)閉和打開時轉(zhuǎn)速一致性較好，效果明顯。試車中離心傳感器接通時放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速對比如圖8 所示。從中可看出，相比故障發(fā)動機在返廠狀態(tài)下的試車，在更換傳動錐齒輪后試車情況明顯改善，放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速明顯提高。其中，慢推時從最低約3 840 r/min 提高到3 900 r/min 左右，快推時從最低約3 780 r/min提高到3 880 r/min左右。

圖8 故障發(fā)動機快推和慢推離心傳感器接通時轉(zhuǎn)速對比Fig.8 Speed comparison with connecting of centrifugal sensor by slow/fast pushing

4 解決措施

基于對比試驗及離心傳感器試驗情況分析，故障發(fā)動機放氣帶提前關(guān)閉的主要原因為右部傳動系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，而右部傳動系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)主要與右部傳動系統(tǒng)錐齒輪的周節(jié)累計誤差未制定控制措施有關(guān)。故新增右部傳動系統(tǒng)6個錐齒輪周節(jié)累計誤差控制要求：中央傳動主動錐齒輪(1 號錐齒輪)周節(jié)累計誤差≤0.13 mm，其他5個錐齒輪(2號～6 號錐齒輪)周節(jié)累積誤差≤0.08 mm。對因放氣帶故障返廠的發(fā)動機，采取更換控制周節(jié)累計誤差6 個錐齒輪方案進行排故；對裝配貫徹優(yōu)化齒輪的發(fā)動機的外場使用情況進行跟蹤。后續(xù)地面試車，未再發(fā)生此類故障，有效解決了發(fā)動機放氣帶提前關(guān)閉引發(fā)的喘振故障。

5 結(jié)束語

針對某型發(fā)動機放氣帶提前關(guān)閉引起的發(fā)動機喘振，通過制定故障樹、設(shè)計測速裝置、進行相應(yīng)對比試驗、測量齒輪尺寸等工作，最終明確了故障原因是由于右部傳動系統(tǒng)錐齒輪的周節(jié)累計誤差未控制造成右部傳動系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)導(dǎo)致。據(jù)此，新增右部傳動系統(tǒng)6 個錐齒輪的周節(jié)累計誤差控制，并對故障發(fā)動機進行優(yōu)化齒輪更換。后續(xù)試驗結(jié)果表明，該措施可行、有效，排故效果令人滿意，可為同類故障分析提供參考。