楊浩偉 潘 早 王 沛

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077）

1 課題背景與研究意義

自渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世以來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)喘振就引起人們的廣泛關(guān)注，喘振一直嚴(yán)重地干擾著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)喘振時(shí)，可能使壓氣機(jī)葉片被打壞，其次渦輪前溫度急劇上升，使渦輪葉片過(guò)熱而損壞，最終可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，對(duì)飛機(jī)安全構(gòu)成威脅。航空發(fā)動(dòng)機(jī)防喘技術(shù)主要有兩個(gè)方面：一是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以預(yù)防喘振；二是設(shè)計(jì)防喘調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。本文圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析和研究，使防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠保質(zhì)保量生產(chǎn)、飛行中能夠穩(wěn)定可靠工作。

目前，現(xiàn)役型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)均采用機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器，俄制發(fā)動(dòng)機(jī)也以機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器為主。機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器技術(shù)成熟、可靠性高，特別是引入三維凸輪等計(jì)算裝置，使機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器功能也比較強(qiáng)大，能夠完成復(fù)雜、高性能控制任務(wù)。但是機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一般有接受發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的指令形成裝置、電壓指令變?yōu)闄C(jī)械信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置、轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)力矩的飛重裝置、控制活門、作動(dòng)筒、杠桿機(jī)構(gòu)、反饋凸輪等組成。一旦發(fā)生故障，很難找到關(guān)鍵點(diǎn)，排除故障。某發(fā)動(dòng)機(jī)防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見(jiàn)故障有IGV 擺動(dòng)等。本課題正是基于這種背景提出來(lái)的。

2 防喘調(diào)節(jié)器的工作原理

2.1 防喘調(diào)節(jié)器的工作原理

防喘調(diào)節(jié)器用于發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是防喘系統(tǒng)的中樞裝置，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝一臺(tái)產(chǎn)品，它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)高速齒輪箱的前面，由高速齒輪箱傳動(dòng)。

如圖1 所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，防喘調(diào)節(jié)器在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣溫度T1 電壓信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速NH 信號(hào)的共同作用下，操縱防喘作動(dòng)筒輸出行程，調(diào)節(jié)高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片的進(jìn)氣角度和放氣活門的開(kāi)度，從而控制高壓壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量，防止發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。

圖1 防喘調(diào)節(jié)器工作原理圖

2.2 防喘調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

從控制系統(tǒng)角度分析，可以將防喘調(diào)節(jié)器的工作原理用如下系統(tǒng)方框圖描述。（圖2）

圖2 防喘調(diào)節(jié)器產(chǎn)品控制框圖

防喘調(diào)節(jié)器是一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)方框圖和工作原理可以看出，系統(tǒng)輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入和發(fā)動(dòng)機(jī)入口溫度T1，系統(tǒng)輸出為作動(dòng)筒行程輸出。

系統(tǒng)存在兩個(gè)反饋閉環(huán)，其一為溫度信號(hào)機(jī)構(gòu)中采集搖臂轉(zhuǎn)角反饋到溫控放大器、經(jīng)溫控放大器結(jié)合溫度輸入處理后給出電機(jī)電壓輸入信號(hào)，形成閉環(huán)，在此稱為T1 溫度閉環(huán)；其二為力反饋機(jī)構(gòu)采集作動(dòng)筒行程反饋到分油活門機(jī)構(gòu)受力輸入端，形成閉環(huán)，在此稱為主閉環(huán)。

在整個(gè)系統(tǒng)中，溫度閉環(huán)的反饋和溫控放大器由其它廠家設(shè)計(jì)，反饋參數(shù)也不受本系統(tǒng)控制，因此對(duì)于主閉環(huán)來(lái)說(shuō)，我們只能認(rèn)為溫度輸入部分是一個(gè)近似線性的、有可以調(diào)初值的放大環(huán)節(jié)。

防喘調(diào)節(jié)器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)的外部工作條件十分復(fù)雜，在此不做過(guò)多闡述，而廠內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由試驗(yàn)臺(tái)和產(chǎn)品組成的試驗(yàn)系統(tǒng)的條件是可知并且可控的。

圖3 給出了防喘調(diào)節(jié)器試驗(yàn)系統(tǒng)的控制框圖。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入端的信號(hào)改為由一個(gè)小閉環(huán)系統(tǒng)控制輸出的信號(hào)，同時(shí)增加了高壓油壓力控制閉環(huán)，其輸出作為防喘調(diào)節(jié)器液壓系統(tǒng)的輸入，這兩處改變均是因?yàn)榧尤肓嗽囼?yàn)臺(tái)后這兩處信號(hào)由未知變?yōu)橐阎?，由不可控變?yōu)榭煽亍．a(chǎn)品在試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)和產(chǎn)品的組件之間存在相互交叉借用的關(guān)系，由此可知分析防喘調(diào)節(jié)器的IGV 擺動(dòng)故障問(wèn)題，只單純地研究防喘調(diào)節(jié)器本身是不夠的，然而由于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)和數(shù)據(jù)的掌握有限以及本論文篇幅有限，對(duì)完整的控制系統(tǒng)的分析和仿真在此不做研究。

圖3 防喘調(diào)節(jié)器試驗(yàn)系統(tǒng)控制框圖

3 故障現(xiàn)象及故障原因分析

3.1 防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)IGV 擺動(dòng)故障描述

發(fā)動(dòng)機(jī)防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)IGV 擺動(dòng)現(xiàn)象是指當(dāng)防喘調(diào)節(jié)器在廠內(nèi)進(jìn)行空載狀態(tài)下的性能調(diào)試時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)上的防喘作動(dòng)筒活塞桿高頻抖動(dòng)(也叫自振，外場(chǎng)表現(xiàn)為IGV 擺動(dòng))，抖動(dòng)量大于±0.18mm 的技術(shù)要求（可通過(guò)活塞桿上連接的測(cè)量百分表觀察到）。有時(shí)，由于表針的擺動(dòng)頻率很高，眼睛很難分辨指針。嚴(yán)重時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)與產(chǎn)品一體共振。通常，活塞桿的自振頻率隨轉(zhuǎn)速升高而升高。

3.2 IGV 擺動(dòng)故障的影響因素分析

對(duì)自振現(xiàn)象不同分類的控制理論解釋：

從自振現(xiàn)象和系統(tǒng)組成分析結(jié)果可以看出，本防喘調(diào)節(jié)器系統(tǒng)是個(gè)典型的反饋系統(tǒng)，如果如前所述將溫度閉環(huán)看做放大環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)械反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)簡(jiǎn)介中提到的英國(guó)設(shè)計(jì)人員采用的是用工藝保設(shè)計(jì)的思路，從控制系統(tǒng)角度可描述為反饋控制系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)定裕度和魯棒性。系統(tǒng)的自振現(xiàn)象中，大擺幅自振是典型的控制系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的發(fā)散現(xiàn)象，小擺幅自振是典型的控制系統(tǒng)臨界穩(wěn)定導(dǎo)致的等幅振蕩現(xiàn)象。

反之，如果將系統(tǒng)參數(shù)變化引起的不確定性也等效為干擾，結(jié)合主閉環(huán)輸入信號(hào)的干擾，則可以通過(guò)設(shè)計(jì)較高的穩(wěn)定裕度來(lái)保證系統(tǒng)在存在干擾的情況下的穩(wěn)定性。

因此，本產(chǎn)品對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感性的根本原因是系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)定裕度。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 振動(dòng)測(cè)試

防喘調(diào)節(jié)器IGV 擺動(dòng)故障的主要表現(xiàn)形式是輸出作動(dòng)筒按照一定的頻率振動(dòng)，為了排除按照固有自振頻率振動(dòng)的可能和找到振動(dòng)源，研究人員使用專業(yè)儀器對(duì)試驗(yàn)臺(tái)和產(chǎn)品進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試。

具體執(zhí)行中，通過(guò)對(duì)防喘作動(dòng)器工裝、殼體、活塞桿以及百分表等部位布置加速度傳感器，測(cè)試各部位振動(dòng)情況，得到頻率分布狀況，為故障定位提供數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合圖4 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，可以發(fā)現(xiàn)作動(dòng)筒輸出端和試驗(yàn)臺(tái)上各點(diǎn)的振動(dòng)不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變，并且振動(dòng)基頻近似為電源公頻頻率；防喘調(diào)節(jié)器殼體上與彈簧壓縮方向同向的傳感器測(cè)得的信號(hào)的基頻與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速換算到防喘調(diào)節(jié)器輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同，并且頻譜顯示的另外兩個(gè)峰值分別是的基頻的三倍頻和五倍頻。

由以上結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

彈簧的固有振動(dòng)和受迫振動(dòng)不是防喘調(diào)節(jié)器防喘作動(dòng)筒的輸出振動(dòng)的主因。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入軸的轉(zhuǎn)速是彈簧受迫振動(dòng)的激勵(lì)源，因?yàn)閺椈晌挥诜来{(diào)節(jié)器系統(tǒng)的反饋回路中，其由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速引起的高頻振動(dòng)可以看作為系統(tǒng)的噪聲進(jìn)入系統(tǒng)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響。（圖4）

圖4 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

4.2 修改活門搭接量測(cè)試

由本文理論分析部分的結(jié)論，增大活門搭接量會(huì)導(dǎo)致活門油路切換時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)而等效增大系統(tǒng)阻尼。本產(chǎn)品在以往的生產(chǎn)和研究過(guò)程中曾多次修改圖紙中的活門搭接量，以此來(lái)緩解作動(dòng)筒輸出的振蕩問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析和借鑒以往的研究和排故結(jié)果可以證明，在一定范圍內(nèi)增大活門搭接量可以有效改善防喘調(diào)節(jié)器作動(dòng)筒輸出的振蕩現(xiàn)象，但搭接量增大到一定數(shù)值時(shí)，這個(gè)改善效果變得不再明顯。

增大活門搭接量對(duì)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題的效果有上限的原因在于增大搭接量雖然增大了系統(tǒng)阻尼從而減小系統(tǒng)振蕩幅值，但增大活門搭接量導(dǎo)致了活門組件對(duì)指令信號(hào)的反應(yīng)速度變慢，進(jìn)而降低了系統(tǒng)帶寬，影響了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性本就是一個(gè)多因素折衷的結(jié)果，一味地調(diào)整某個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的改善作用是有限的，進(jìn)一步地需要多個(gè)因素相結(jié)合，才能有所突破。

4.3 修改彈簧剛度測(cè)試

前期分析結(jié)果表明彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有直接的影響，因此選取了5 個(gè)彈簧進(jìn)行了剛度測(cè)試，并將已知?jiǎng)偠葦?shù)據(jù)的彈簧安裝到同一臺(tái)故障產(chǎn)品上進(jìn)行試驗(yàn)。

其中1-4 號(hào)彈簧的結(jié)果與理論分析結(jié)果相符，即（轉(zhuǎn)下頁(yè)）剛度系數(shù)較小的彈簧對(duì)應(yīng)的作動(dòng)筒輸出振幅較小，而5 號(hào)彈簧的結(jié)果與理論分析結(jié)果相反。目前無(wú)法證實(shí)5 號(hào)彈簧的測(cè)試結(jié)果的不一致性的原因，因此根據(jù)5 個(gè)彈簧的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法得出具有足夠可信度的試驗(yàn)結(jié)論，后續(xù)如果條件允許，可以加大試驗(yàn)樣本數(shù)量開(kāi)展進(jìn)一步的測(cè)試與研究。

5 結(jié)果分析

本文根據(jù)理論分析和仿真計(jì)算的結(jié)果設(shè)計(jì)并開(kāi)展了四個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)，其中，振動(dòng)測(cè)試是對(duì)全系統(tǒng)特性的一次完整的掃描，雖然沒(méi)有得出彈簧是系統(tǒng)輸出自振的主因的結(jié)論，但仍通過(guò)對(duì)系統(tǒng)頻譜特性的分析加深了對(duì)防喘調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)；彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)特性的影響的試驗(yàn)結(jié)果不能形成對(duì)理論的支持，但去除個(gè)別產(chǎn)品之外，彈簧對(duì)系統(tǒng)性能總的影響趨勢(shì)還是比較明晰的，并且也符合理論分析的預(yù)期；活門搭接量測(cè)試和飛重組件平衡力測(cè)試兩個(gè)試驗(yàn)則完美地驗(yàn)證了本文理論分析與仿真計(jì)算的結(jié)果，不過(guò)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，研究者發(fā)現(xiàn)之前建立的仿真模型的參數(shù)存在著偏差，我們利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚沟眯拚蟮哪Ｐ团c實(shí)際系統(tǒng)的誤差更小。

由于課題研究時(shí)間和條件有限，本文對(duì)防喘調(diào)節(jié)系統(tǒng)IGV 擺動(dòng)故障的研究還有很多不足，比如彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)性能的影響的測(cè)試結(jié)果并沒(méi)有與理論分析的結(jié)果相呼應(yīng)，主要原因在于測(cè)試樣本過(guò)少導(dǎo)致測(cè)試野值對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，在后續(xù)的工作中需要進(jìn)一步積累產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期得到具有足夠可信度的結(jié)論，在后續(xù)工作中可以根據(jù)情況創(chuàng)造試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，以求對(duì)前文理論分析和仿真分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。