楊向群 田楊濤 王勝 袁杰

摘要：反推作動(dòng)器用于同步驅(qū)動(dòng)反推力裝置移動(dòng)外罩展開，實(shí)現(xiàn)大型飛機(jī)在著陸后或中斷起飛（RTO）過程中減小飛機(jī)速度、縮短滑跑距離，尤其是在雨雪天氣下，保證飛機(jī)安全降落。針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)反推作動(dòng)器外場卡滯無法收起的故障問題，通過反推作動(dòng)系統(tǒng)工作原理分析，開展了卡滯故障原因分析，建立了作動(dòng)器卡滯故障樹。然后對(duì)底事件逐一排查，對(duì)產(chǎn)品分解檢查以及試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定該卡滯故障是由于反推作動(dòng)器在側(cè)向載荷作用下絲杠絲母傳動(dòng)副卡滯，進(jìn)而導(dǎo)致反推力裝置無法收回。最后，通過對(duì)絲母內(nèi)螺紋牙尖增加倒角，并在模擬反推力裝置側(cè)向載荷的試驗(yàn)條件下開展改進(jìn)產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，絲母的內(nèi)螺紋牙尖增加倒角后，減小了絲杠絲母傳動(dòng)副在側(cè)向載荷下的摩擦力，減輕了磨損，提高了反推作動(dòng)器在工作中承受側(cè)向載荷的能力，防止作動(dòng)器卡滯。本文故障分析方法與結(jié)果對(duì)外場同類故障排除具有積極的指導(dǎo)意義，也為后續(xù)同類產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)和新研產(chǎn)品開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；反推力裝置；液壓；作動(dòng)器；卡滯

中圖分類號(hào)：V211文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.08.007

反推力裝置是大型飛機(jī)重要的減速裝置，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣尾管處，通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方向，在著陸后或在中斷起飛（rejected take off，RTO）過程中幫助減小飛機(jī)的速度。與制動(dòng)、擾流板等其他幾種減速方式相比，反推力裝置能夠有效縮短飛機(jī)著陸滑跑距離，減少制動(dòng)片的磨損，應(yīng)急效果好，且減速效果不受濕滑或結(jié)冰跑道影響，保證飛機(jī)安全，在大型飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用[1-4]。反推力裝置的結(jié)構(gòu)類型主要有抓斗式、瓣式和葉柵式，現(xiàn)在以大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的大型飛機(jī)主要采用結(jié)構(gòu)靈巧緊湊、反推力比較平穩(wěn)的葉柵式反推力裝置。葉柵式反推力裝置的每個(gè)半部一般有兩個(gè)或三個(gè)反推作動(dòng)器，同步軟軸使各個(gè)反推作動(dòng)器以相同的速度下伸出和收進(jìn)實(shí)現(xiàn)反推力裝置展開與收起。在反推力裝置展開操作過程中，反推作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)每個(gè)移動(dòng)外罩向后移動(dòng)使折流門旋轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇涵道，風(fēng)扇空氣排氣改變方向并通過葉柵流出，從而產(chǎn)生反推力[5-10]，葉柵式反推力裝置原理如圖1所示。

某發(fā)動(dòng)機(jī)的葉柵式反推力裝置采用液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)，在外場使用過程中，飛機(jī)順航向右側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)反推力裝置完全展開后，當(dāng)壓下反推桿回到收起位置時(shí)，反推力裝置無法收回。檢查系統(tǒng)的液壓與電氣均正常，通過人工方式手動(dòng)驅(qū)動(dòng)反推作動(dòng)器收起，反推作動(dòng)器卡滯在故障位置無法運(yùn)動(dòng)。該問題造成飛機(jī)無法再次起飛，嚴(yán)重影響了飛行任務(wù)。

因此，本文針對(duì)反推作動(dòng)器卡滯故障問題，通過反推作動(dòng)器的工作機(jī)理分析，建立故障樹，分析可能引發(fā)該卡滯故障的故障模式，定位故障原因，提出改進(jìn)措施并進(jìn)行驗(yàn)證，為反推作動(dòng)器同類故障排除提供參考。

1反推作動(dòng)器工作原理

在反推力裝置展開和收起操作過程中，反推作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)移動(dòng)外罩，反推力裝置的左、右部分分別有三個(gè)反推作動(dòng)器，反推作動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。反推作動(dòng)器是一個(gè)線位移液壓作動(dòng)器，通過活塞末端的球軸承與移動(dòng)外罩連接，其主要組成有筒體、活塞、絲杠、蝸輪和蝸桿，絲杠采用梯形絲杠。當(dāng)需要打開反推時(shí)，液壓控制裝置控制高壓油同時(shí)進(jìn)入液壓作動(dòng)器的展開腔與收進(jìn)腔，活塞在兩腔面積差產(chǎn)生的力作用下伸出，移動(dòng)外罩展開；收起反推時(shí)，液壓控制裝置控制低壓油進(jìn)入液壓作動(dòng)器的展開腔，收進(jìn)腔保持高壓油，活塞在高壓油的作用下收進(jìn)，移動(dòng)外罩收起。

每個(gè)移動(dòng)外罩的三個(gè)液壓作動(dòng)器是沿發(fā)動(dòng)機(jī)周向布置的，為了保證各個(gè)作動(dòng)器能夠同步運(yùn)動(dòng)，在每個(gè)液壓作動(dòng)器之間連接有同步軟軸，同步軟軸與蝸桿連接，蝸桿通過蝸輪與絲杠連接，與絲杠配合的絲母固定于活塞上，反推作動(dòng)器原理如圖3所示。在反推作動(dòng)系統(tǒng)展開或收起過程中，當(dāng)相鄰兩個(gè)液壓作動(dòng)器由于氣動(dòng)載荷不一致等造成位移差時(shí)，在同步軟軸上就會(huì)形成扭轉(zhuǎn)角，從而使同步軟軸上產(chǎn)生同步扭矩。此時(shí)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)較快的作動(dòng)器，同步扭矩成為負(fù)載力；而對(duì)于運(yùn)動(dòng)較慢的作動(dòng)器，同步扭矩成為驅(qū)動(dòng)力，最終在由絲杠、絲母、蝸輪、蝸桿、同步軟軸組成的同步機(jī)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)反推作動(dòng)器的同步運(yùn)動(dòng)。

2卡滯故障原因分析

根據(jù)反推作動(dòng)器的工作原理，結(jié)合本次故障現(xiàn)象開展相關(guān)的影響因素及其失效狀態(tài)分析，梳理出可能導(dǎo)致作動(dòng)器卡滯的故障原因[11]。

2.1影響因素分析

反推作動(dòng)器工作時(shí)，作動(dòng)器兩腔通液壓油，液壓驅(qū)動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)活塞驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與絲杠同步運(yùn)動(dòng)的蝸輪驅(qū)動(dòng)蝸桿輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)原理如圖4所示。經(jīng)分析，作動(dòng)器中機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的卡滯是導(dǎo)致作動(dòng)器卡滯的直接原因，作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)部件主要有筒體活塞運(yùn)動(dòng)副、絲杠絲母傳動(dòng)副、蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，其中絲杠絲母傳動(dòng)副中包含角接觸軸承，蝸輪蝸桿傳動(dòng)副中包含深溝球軸承。

作動(dòng)器的筒體用于固定安裝，活塞相對(duì)筒體輸出直線運(yùn)動(dòng)，活塞的直線運(yùn)動(dòng)通過絲杠輸出同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過蝸輪實(shí)現(xiàn)蝸桿的同步旋轉(zhuǎn)輸出，蝸桿的旋轉(zhuǎn)輸出用于通過同步軟軸實(shí)現(xiàn)沿周向布置的相鄰作動(dòng)器之間的同步直線運(yùn)動(dòng)。因此，筒體活塞運(yùn)動(dòng)副卡滯、絲杠絲母傳動(dòng)副卡滯和蝸輪蝸桿傳動(dòng)副卡滯為可能導(dǎo)致反推作動(dòng)器卡滯的三個(gè)因素。

2.2失效狀態(tài)分析

筒體活塞運(yùn)動(dòng)副卡滯、絲杠絲母傳動(dòng)副卡滯和蝸輪蝸桿傳動(dòng)副卡滯均為機(jī)械運(yùn)動(dòng)卡滯，一般造成機(jī)械運(yùn)動(dòng)卡滯的原因主要有兩方面：一是機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效造成卡滯無法運(yùn)動(dòng)，二是外來異物卡在運(yùn)動(dòng)配合部位導(dǎo)致無法運(yùn)動(dòng)。

除外來異物造成運(yùn)動(dòng)卡滯外，活塞與筒體的變形、絲杠與絲母配合間隙減小、絲杠與絲母配合面損傷、蝸輪蝸桿配合減小、蝸輪蝸桿配合面損傷、角接觸軸承卡滯、深溝球軸承卡滯等機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效模式也可能導(dǎo)致作動(dòng)器發(fā)生卡滯故障。

2.3故障樹分析

故障樹分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）是對(duì)引起系統(tǒng)故障的各種原因進(jìn)行分析和確定導(dǎo)致故障發(fā)生的各種可能原因，包括硬件、軟件以及人為環(huán)境等進(jìn)行邏輯因果分析。將系統(tǒng)故障與組成系統(tǒng)各零部件的故障有機(jī)聯(lián)系在一起，可以找出系統(tǒng)的全部可能失效狀態(tài)。

基于上述卡滯故障的影響因素與失效狀態(tài)分析，建立反推作動(dòng)器卡滯的故障樹（見圖5），以反推作動(dòng)器卡滯的頂事件為出發(fā)點(diǎn)，向下逐級(jí)分解出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的三個(gè)故障原因：M1筒體活塞運(yùn)動(dòng)副卡滯、M2絲杠絲母傳動(dòng)副卡滯和M3蝸輪蝸桿傳動(dòng)副卡滯，采用邏輯門符號(hào)和事件符號(hào)表示事件之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)成因果關(guān)系圖，共分析出X1活塞變形、X2筒體變形、X3筒體活塞運(yùn)動(dòng)副異物卡阻、X4絲杠絲母配合間隙減小、X5絲杠絲母配合面損傷、X6角接觸軸承卡滯、X7絲杠絲母傳動(dòng)副異物卡阻、X8蝸輪蝸桿配合間隙減小、X9蝸輪蝸桿配合面損傷、X10深溝球軸承卡滯、X11蝸輪蝸桿傳動(dòng)副異物卡阻共11個(gè)底事件。

3故障定位及解決措施

3.1故障定位及確認(rèn)

通過對(duì)可能導(dǎo)致卡滯故障的11個(gè)故障原因進(jìn)行初步分析，首先對(duì)反推作動(dòng)器進(jìn)行了分解檢查，然后分別對(duì)活塞、筒體、絲杠、絲母、蝸輪、蝸桿等零件進(jìn)行尺寸計(jì)量、零件表面質(zhì)量檢查以及角接觸軸承和深溝球軸承靈活性檢查，依次對(duì)故障原因進(jìn)行排查分析，最終確認(rèn)底事件X5絲杠絲母配合面損傷為可能故障原因，具體排查方案與排查結(jié)果見表1。

從絲杠絲母配合面表面損傷部位初步分析，同時(shí)結(jié)合反推系統(tǒng)工作原理，初步確認(rèn)為反推作動(dòng)器安裝在反推力裝置上時(shí)活塞接頭端存在側(cè)向載荷，在側(cè)向載荷作用下絲杠與絲母配合面摩擦力增大，活塞在液壓驅(qū)動(dòng)力的作用下使絲杠與絲母卡死。為了確認(rèn)故障機(jī)理，通過測量得到反推作動(dòng)器在反推力裝置上的側(cè)向載荷約150N，然后另選取一臺(tái)驗(yàn)收合格的反推作動(dòng)器，在作動(dòng)器的輸出端施加150N的側(cè)向載荷后通壓工作，產(chǎn)品卡滯無運(yùn)動(dòng)輸出，與外場使用故障現(xiàn)象一致。因此，確認(rèn)在側(cè)向力作用下導(dǎo)致反推作動(dòng)器絲杠與絲母卡死是本次卡滯故障的根本原因。圖6為表面存在損傷的絲母實(shí)物圖。

3.2改進(jìn)措施

針對(duì)反推作動(dòng)器在側(cè)向載荷作用下絲杠與絲母摩擦力增大導(dǎo)致卡滯這一故障原因，將絲母的內(nèi)螺紋牙尖增加倒角，如圖7所示，減小絲杠絲母傳動(dòng)副在側(cè)向載荷下的摩擦力，減輕磨損，從而提高反推作動(dòng)器在工作中承受側(cè)向載荷能力。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證故障定位的準(zhǔn)確性與改進(jìn)措施的有效性，制定了如下試驗(yàn)驗(yàn)證方案：

（1）選取兩個(gè)試驗(yàn)件：一個(gè)是為將故障產(chǎn)品的絲杠絲母傳動(dòng)副更換為已落實(shí)改進(jìn)措施的絲杠絲母傳動(dòng)副；另一個(gè)是已實(shí)施改進(jìn)措施的新產(chǎn)品。

（2）分別將兩個(gè)試驗(yàn)件水平安裝于試驗(yàn)臺(tái)（見圖8），通過在產(chǎn)品輸出端吊掛砝碼產(chǎn)生150N的側(cè)向載荷，通壓使產(chǎn)品以（20±5）mm/s的速度，往復(fù)運(yùn)動(dòng)25次，觀察產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)情況。

在試驗(yàn)過程中，兩個(gè)試驗(yàn)件均能正常平穩(wěn)往復(fù)運(yùn)行且無卡滯或突跳現(xiàn)象，確定本次故障原因判斷準(zhǔn)確、機(jī)理分析正確，改進(jìn)措施有效。

5結(jié)束語

本文對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)反推作動(dòng)器的外場卡滯故障進(jìn)行分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合反推作動(dòng)系統(tǒng)工作原理分析，開展了作動(dòng)器卡滯故障影響因素研究，將系統(tǒng)故障與組成系統(tǒng)各零部件的故障有機(jī)聯(lián)系在一起，找出了系統(tǒng)的全部可能失效狀態(tài)，建立了反推作動(dòng)器卡滯故障樹。根據(jù)故障樹梳理出的底事件，通過分解檢查、尺寸計(jì)量、零件表面質(zhì)量檢查、軸承運(yùn)動(dòng)靈活性檢查，逐一排查11個(gè)底事件后定位了卡滯故障原因。由于反推作動(dòng)器在側(cè)向載荷作用下絲杠與絲母配合面摩擦力增大，活塞在液壓驅(qū)動(dòng)力的作用下使絲杠與絲母卡死，導(dǎo)致反推作動(dòng)器卡滯，進(jìn)而導(dǎo)致反推力裝置無法收回。

通過增加絲母的內(nèi)螺紋牙尖倒角，減小絲杠絲母傳動(dòng)副在側(cè)向載荷下的摩擦力，減輕磨損，提高了反推作動(dòng)器在工作中承受側(cè)向載荷能力。并在模擬反推力裝置側(cè)向載荷的試驗(yàn)條件下，對(duì)落實(shí)改進(jìn)措施的產(chǎn)品進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了反推作動(dòng)器卡滯故障原因定位準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施有效。本文故障研究所采用的方法與改進(jìn)措施，對(duì)外場同類故障排除具有積極的指導(dǎo)意義，也為后續(xù)同類產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)和新研產(chǎn)品開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]隋杰飛，朱巖.液壓作動(dòng)反推力裝置安全性設(shè)計(jì)與研究[J].液壓與氣動(dòng)， 2016（1）：104-107. Sui Jiefei， Zhu Yan. The safety design and research of hydraulic action thrust reverser[J]. Chinese Hydraulic & Pneumatics， 2016（1）：104-107.（in Chinese）

[2]袁杰，王文山，鄭艷鋒.商用飛機(jī)反推控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析[C]//飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)理論與實(shí)踐第二屆民用飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)國際論壇，2016. Yuan Jie， Wang Wenshan， Zheng Yanfeng. Analysis on the development trend of commercial aircraft reverse control system[C]//Proceedings of the Second International Forum on CivilAircraft Electromechanical Systems，2016.（in Chinese）

[3]陳永琴，汪天興，蘇三買，等.反推力裝置液壓作動(dòng)系統(tǒng)AMESim建模與仿真[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)， 2017， 32（11）：2791-2799. Chen Yongqin，Wang Tianxing，Su Sanmai， et al. Modeling and simulation of thrust reverser hydraulic actuation system based on AMESim[J]. Journal of Aerospace Power， 2017， 32（11）：2791-2799.（in Chinese）

[4]雷偉.波音737NG飛機(jī)反推排故與維護(hù)[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究， 2018， 131（4）：85-90. Lei Wei. Troubleshooting and maintenance of thrust reverser for 737NG aircraft[J]. Civil Aircraft Design & Research，2018， 131（4）：85-90.（in Chinese）

[5]杜剛，金捷.大型運(yùn)輸機(jī)反推力裝置[C]//大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會(huì)年學(xué)術(shù)年會(huì)， 2007. Du Gang， Jin Jie. Reverse thrust device for large transport aircraft[C]// High-level Forum on Key Technologies of Large Aircraftand Annual AcademicConferenceofChinese Aeronautical Society， 2007.（in Chinese）

[6]靳寶林，邢偉紅，劉殿春.飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)反推力裝置[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 2004， 30（4）：48-52. Jin Baolin， Xing Weihong， Liu Dianchun. Aircraft/Engine propulsion system of thrust reverser[J]. Aircraft Engine， 2004， 30（4）：48-52.（in Chinese）

[7]Asbury S C，Yetter J A. Static performance of six innovative thrust reverser concepts for subsonic transport applications[R]. Summary of the NASA Langley Innovative Thrust Reverser Test Program，2000.

[8]Santin，Barbosa M A，Bontempo J R，et al. Overview on thrust reverser design[C]//18th International Congress of Mechanical Engineering，2005.

[9]張國棟，王強(qiáng).主要幾何參數(shù)對(duì)葉柵式反推力裝置性能的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)， 2014， 27（1）：145-151. Zhang Guodong， Wang Qiang. The influence of main geometric parameters on the performance of cascade reverse thrust device[J]. Journal of Aerospace Power， 2014， 27（1）：145-151.（in Chinese）

[10]謝葉平，王強(qiáng)，邵萬仁，等.葉柵式反推裝置阻流門運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)氣動(dòng)性能的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010（6）：1297-1302.Xie Yeping， Wang Qiang， Shao Wanren， et al. Effect of kinetic mechanism of blocker doors on aerodynamic performance for a cascade thrust reverser[J]. Journal of Aerospace Power， 2010（6）：1297-1302.（in Chinese）

[11]石鵬飛，張航，陳潔.先進(jìn)民機(jī)飛控系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)考慮[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2019， 30（12）：52-58. ShiPengfei，ZhangHang，ChenJie.Safetydesign considerations for advanced civil aircraft flight control system[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019，30（12）：52-58.（in Chinese）

Analysis of Jammed Failure of Aero-engine Reverse Actuator

Yang Xiangqun1，Tian Yangtao2，Wang Sheng2，Yuan Jie2

1. The Fifth Military Representative Office of the Military Representative Bureau of the Air Force Equipment Department in Xian，Xian 710077，China

2. AVIC Qingan Group Co.，Ltd.，Xian 710077，China

Abstract： The reverse thrust actuator is used to synchronously drive the reverse thrust device to move the sleeve to deploy， which can reduce the aircraft speed and shorten the taxi distance after landing or RTO. Especially in rain and snow weather， it makes sure the safe landing. Aiming at the problem that the reverse thrust actuator could not stow， through the analysis of the working principle of the reverse thrust actuation system， the jammed failure reason analysis was carried out， and the jammed fault tree of actuator was established. Then， the bottom events were investigated one by one， and the product decomposition and test verification were conducted. Finally， it determines that the jam failure is due to the jam between screw and nut under the side load， which causes the thrust reverse device to fail to be retracted. At last， the side load test was conducted. The results show that increasing in the chamfer of the internal thread tip of the nut can reduce the friction and wear， and improve the thrust reverse actuator to withstand the lateral direction force during work， which prevents the actuator from jamming. The failure analysis and the results have profound meaning for troubleshooting， and also play a role in the following improvement of similar products design and the development of new research products.

Key Words： aircraft engine； thrust reverse device； hydraulic； actuator； jam