蔣聰，劉冕，熊欣，李皓冉

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210006)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟，越來(lái)越多的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)逐步采用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)來(lái)替代燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)?？諝鉁u輪起動(dòng)機(jī)的可靠性也越來(lái)越受到重視，研究其故障診斷意義重大，不僅可以對(duì)起動(dòng)機(jī)的故障狀態(tài)、故障部位及原因作出及時(shí)且準(zhǔn)確的判斷，還可以預(yù)防起動(dòng)機(jī)潛在故障的發(fā)生，不僅降低了維修成本，也保證了飛機(jī)的出勤率。

目前，在航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)故障診斷中，我國(guó)起步較晚，且尚未有一套完善的故障診斷體系，同時(shí)使用的方法功能單一，診斷準(zhǔn)確率較低[1]。因此建立用于軍民兩用航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)故障診斷的專家系統(tǒng)，使普通維修人員也可以獲得專家級(jí)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)高效排故，是十分必要的。

1 故障診斷方法

本文以某型航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用故障樹(shù)分析法與基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法[2]，根據(jù)維修專家的經(jīng)驗(yàn)和維修一線數(shù)據(jù)建立起動(dòng)機(jī)故障樹(shù)，開(kāi)展定性分析和研究，且重點(diǎn)集中在故障樹(shù)的建立和故障樹(shù)的定性分析[3]，為后續(xù)建立故障診斷系統(tǒng)積累樣本。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)體積最小、質(zhì)量最輕、渦輪轉(zhuǎn)速最高的單級(jí)渦輪起動(dòng)機(jī)。正常工作時(shí)，一定壓力和溫度的壓縮氣體由進(jìn)氣殼體進(jìn)入起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)機(jī)利用壓縮氣體膨脹作功，通過(guò)單級(jí)渦輪獲得軸功率，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)和離合器傳遞功率，最終由輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

3 典型故障診斷

3.1 故障統(tǒng)計(jì)

結(jié)合科研與維修一線數(shù)據(jù)，針對(duì)某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)近10年的故障開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分類，見(jiàn)表1。

表1 故障統(tǒng)計(jì)表

從表1可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該型起動(dòng)機(jī)故障的主要原因是輸出軸斷裂、渦輪失穩(wěn)碰擦和內(nèi)部異常磨損3種情況[4]。下文將針對(duì)這幾種情況開(kāi)展故障樹(shù)的建立和定性分析。

3.2 輸出軸斷裂診斷

輸出軸是起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣之間最重要的傳扭部件，是決定發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常點(diǎn)火啟動(dòng)的關(guān)鍵部件之一。近年來(lái)隨著大量的配裝，輸出軸斷裂故障也成為航空用起動(dòng)機(jī)故障診斷的重點(diǎn)。輸出軸斷裂通常有兩種原因，需要通過(guò)斷口形貌來(lái)判斷是瞬時(shí)過(guò)載斷裂(圖1)或是材料疲勞斷裂(圖2)。在確定斷口形貌后，再結(jié)合飛行參數(shù)曲線即可判斷故障原因是沖擊轉(zhuǎn)矩過(guò)大還是材料承扭能力不足。

圖1 過(guò)載韌窩形貌

圖2 疲勞斷裂形貌

航空旋轉(zhuǎn)類部件上普遍存在沖擊轉(zhuǎn)矩，瞬時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩過(guò)大是導(dǎo)致空氣渦輪起動(dòng)機(jī)輸出軸斷裂最常見(jiàn)原因之一，同時(shí)過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩也將導(dǎo)致齒輪斷裂和離合器磨損等影響產(chǎn)品安全性的問(wèn)題發(fā)生，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩的形成和預(yù)防也越來(lái)越受到重視[5]。

過(guò)大的瞬時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩來(lái)自于進(jìn)氣壓力超調(diào)、起動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈齒側(cè)間隙、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)的隨機(jī)性綜合作用。往往單一因素導(dǎo)致的沖擊轉(zhuǎn)矩?zé)o法達(dá)到足夠的斷軸量值，但綜合因素是可以達(dá)到的[6]。輸出軸在以上因素作用下發(fā)生的斷裂屬于保護(hù)起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)免受繼發(fā)破壞性質(zhì)的主動(dòng)斷軸，斷裂位置在輸出軸設(shè)置的最薄弱位置。

根據(jù)以上的分析可以歸納出此類輸出軸斷裂故障診斷故障樹(shù)，如圖3所示。

圖3 輸出軸斷裂診斷故障樹(shù)

3.3 渦輪失穩(wěn)碰擦診斷

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常外在的直接表象就是渦輪失穩(wěn)碰擦，而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)最主要的振動(dòng)源就是減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)外空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用兩種形式，一種是類似圖4的偏置型簡(jiǎn)單二級(jí)齒輪，另一種是類似圖5的行星齒輪。

圖4 偏置二級(jí)齒輪

圖5 行星齒輪

偏置二級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，但其在低轉(zhuǎn)速條件下振動(dòng)性能較差，而在高轉(zhuǎn)速條件下，采用行星齒輪系的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)特性有較高的要求，一旦該兩種減速機(jī)構(gòu)零件的結(jié)構(gòu)和制造精度存在偏差，都將會(huì)引發(fā)整個(gè)渦輪動(dòng)力系統(tǒng)失穩(wěn)，繼而將導(dǎo)致渦輪葉片與外機(jī)匣嚴(yán)重的碰擦(圖6和圖7)，產(chǎn)生火花和卡滯[7]。

圖6 渦輪葉尖碰擦痕跡

圖7 外機(jī)匣碰擦痕跡

因此作為預(yù)判渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生碰擦的技術(shù)措施之一，在多型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)調(diào)試過(guò)程中均采用了M+P振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，并且通過(guò)判斷振動(dòng)譜線(圖8)中的幅值點(diǎn)來(lái)尋找異常振動(dòng)源。

圖8 某型起動(dòng)機(jī)振動(dòng)譜線(時(shí)域-加速度)

根據(jù)設(shè)計(jì)及維修經(jīng)驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)子組件軸系剛度、轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量超大、約束部件中軸線偏差、支承軸承徑向游隙過(guò)大和齒輪減速系統(tǒng)嚙合異常等因素均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失穩(wěn)，據(jù)此編制此類故障的故障樹(shù)，如圖9所示。

圖9 渦輪失穩(wěn)碰擦故障樹(shù)

3.4 內(nèi)部異常磨損

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)通常有兩種潤(rùn)滑方式：獨(dú)立潤(rùn)滑和共享潤(rùn)滑。獨(dú)立潤(rùn)滑由于便于發(fā)現(xiàn)獨(dú)立LRU內(nèi)部潤(rùn)滑條件、易于查找問(wèn)題根源且不會(huì)污染其余部件而被廣泛應(yīng)用[8]。但獨(dú)立潤(rùn)滑由于受內(nèi)部空間限制，滑油量通常較少，因此特別需要加強(qiáng)對(duì)滑油顏色、雜質(zhì)和消耗量的檢查。

若檢查發(fā)現(xiàn)滑油顏色發(fā)黑或消耗量大，則需要及時(shí)檢查起動(dòng)機(jī)內(nèi)部是否發(fā)生異常磨損，因?yàn)榛彤惓ＭǔＪ菄?yán)重故障發(fā)生的先兆，這是一個(gè)不易察覺(jué)且逐漸積累量變的過(guò)程，能最直觀表征這一問(wèn)題的就是進(jìn)行滑油雜質(zhì)分析[9]。

根據(jù)某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的檢查維修經(jīng)驗(yàn)及滑油分析結(jié)果來(lái)判斷，導(dǎo)致異常磨損的主要原因一般有3種：動(dòng)密封石墨磨損、齒輪齒面磨損和離合器楔塊及其配合面磨損。根據(jù)以上的分析可以歸納出故障診斷故障樹(shù)，如圖10所示。

圖10 內(nèi)部異常磨損故障樹(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某型航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)為對(duì)象，通過(guò)收集其科研與生產(chǎn)一線大量的樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并歸納出其在使用中的幾種常見(jiàn)故障現(xiàn)象，針對(duì)輸出軸斷裂、渦輪失穩(wěn)碰擦和內(nèi)部異常磨損3種典型故障原因，剖析其形成機(jī)理和危害，并采用故障樹(shù)分析法開(kāi)展定性分析和研究，為后續(xù)建立故障診斷系統(tǒng)積累樣本。