葉忠陽，應(yīng) 勇，楊朝瑞

（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；2.成都國營錦江機(jī)器廠，四川 成都 610043）

引言

燃?xì)鉁u輪起動機(jī)以其體積小、重量輕、大推重比、大功率、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)及自啟動等多方面的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的起動系統(tǒng)中。某型燃?xì)鉁u輪起動機(jī)在工作時通過電起動機(jī)帶轉(zhuǎn)起動，再通過燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的燃?xì)馔苿幼杂蓽u輪，自由渦輪軸輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)扭矩的傳遞，其主要功能包括發(fā)動機(jī)地面起動、發(fā)動機(jī)冷運轉(zhuǎn)、燃?xì)鉁u輪起動機(jī)冷運轉(zhuǎn)、發(fā)動機(jī)空中起動、飛機(jī)備份電源等，而每一個功能實現(xiàn)的背后都包含著一套或多套針對性控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控。本文將從某型燃?xì)鉁u輪起動機(jī)供電的工作狀態(tài)（動力狀態(tài)）出發(fā)，對其工作過程中出現(xiàn)的自由渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)故障進(jìn)行分析研究，同時為其他型號燃?xì)鉁u輪起動機(jī)或發(fā)動機(jī)類似故障提供修復(fù)參考[1-2]。

1 起動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工作原理

機(jī)械液壓式調(diào)控是航空推進(jìn)系統(tǒng)最早也是最常見的調(diào)控方式，隨著科技的進(jìn)步、材料的升級及加工工藝的不斷發(fā)展，機(jī)械液壓式調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計及制造技術(shù)也在不斷完善，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的狀態(tài)反饋，滿足發(fā)動機(jī)多種復(fù)雜情況的自動調(diào)節(jié)需求[3]。

作為某型燃?xì)鉁u輪起動機(jī)控制系統(tǒng)的燃滑油附件，主要由滑油系統(tǒng)、燃油供給和調(diào)節(jié)系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等組成，通過停車電磁鐵、慢車電磁鐵、動力狀態(tài)電磁鐵的通斷控制實現(xiàn)起動機(jī)工作狀態(tài)的切換。在燃?xì)鉁u輪起動機(jī)工作過程中，調(diào)控系統(tǒng)通過感受燃?xì)鉁u輪起動機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速NTK、壓氣機(jī)渦輪后P2壓力、自由渦輪轉(zhuǎn)速NTC實現(xiàn)燃?xì)鉁u輪起動機(jī)狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)，在進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過關(guān)斷活門控制燃油通路，并由壓力信號器輸出電動起動機(jī)斷開信號使電動起動機(jī)退出起動帶轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)燃?xì)鉁u輪起動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，其壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速與自由渦輪轉(zhuǎn)速也保持相對穩(wěn)定以實現(xiàn)起動機(jī)穩(wěn)定輸出的目的。燃?xì)鉁u輪起動機(jī)穩(wěn)定工作時主要通過控制燃油供給來進(jìn)行工作狀態(tài)的調(diào)整，當(dāng)壓氣機(jī)渦輪或自由渦輪出現(xiàn)超轉(zhuǎn)時，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器離心飛重在旋轉(zhuǎn)過程中離心力增加，克服彈簧彈力，帶動活門移動，減小活門開度，降低燃油通路上供給燃燒室的燃油流量，導(dǎo)致輸出功率下降，渦輪轉(zhuǎn)速降低；伴隨渦輪轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速等比例降低，彈簧彈力大于離心飛重的旋轉(zhuǎn)離心力，活門位置回移，開度增大，燃油供給量增加，輸出功率增加，渦輪轉(zhuǎn)速回升。通過反復(fù)動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)起動機(jī)工作狀態(tài)的動態(tài)穩(wěn)定[4-5]。

2 起動機(jī)動力狀態(tài)說明

燃?xì)鉁u輪起動機(jī)動力狀態(tài)控制部分主要由動力狀態(tài)活門組件、錐形彈簧、杠桿機(jī)構(gòu)和自由渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成（見圖1），燃?xì)鉁u輪起動機(jī)正常啟動時，動力狀態(tài)電磁鐵處于斷開狀態(tài)，壓力燃油連通低壓腔并同時作用于動力狀態(tài)活門組件的左右腔實現(xiàn)油液壓力平衡，此時動力狀態(tài)活門組件維持原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，燃油控制系統(tǒng)中油液壓力變化對動力狀態(tài)活門組件的影響可以忽略不計。當(dāng)起動機(jī)進(jìn)入動力狀態(tài)時，動力狀態(tài)電磁鐵通電，切斷了壓力燃油通往低壓腔及動力狀態(tài)活門組件右側(cè)腔體的油路，導(dǎo)致動力狀態(tài)活門組件左側(cè)腔體內(nèi)油壓升高，原有的平衡被破壞，活門左側(cè)腔體油壓、錐形彈簧綜合作用力大于活門右側(cè)腔體油壓和彈簧綜合作用力，活門向右移動，此時錐形彈簧伸長、壓縮量減少，作用在杠桿機(jī)構(gòu)上的彈力因彈簧壓縮量減小而減小，而杠桿上端由頂桿傳遞過來的自由渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器壓力未變化，導(dǎo)致杠桿機(jī)構(gòu)上端受到的頂桿壓力大于下端錐形彈簧施加的彈簧力，此時杠桿機(jī)構(gòu)上、下端受力不再平衡，受不平衡力的影響，杠桿上端向燃油進(jìn)口處（左側(cè)）旋轉(zhuǎn)，下端向錐形彈簧側(cè)（右側(cè)）旋轉(zhuǎn)。在此過程中，燃油進(jìn)口油路被杠桿機(jī)構(gòu)上端的擋板活門關(guān)小，輸送至燃燒室的燃油流量減小，起動機(jī)輸出功率降低，通過降低燃油供給量保證了燃?xì)鉁u輪起動機(jī)動力狀態(tài)下低輸出功率的需求；而錐形彈簧因杠桿機(jī)構(gòu)下端右移，壓縮量增加，作用于杠桿的彈力因壓縮量的增加而增大，在動態(tài)變化中使杠桿機(jī)構(gòu)形成新的平衡，并維持穩(wěn)定。

圖1 動力狀態(tài)控制部分結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，燃?xì)鉁u輪起動機(jī)正常工作狀態(tài)與動力狀態(tài)的切換主要通過動力狀態(tài)活門組件左右側(cè)油路的通斷來實現(xiàn)，當(dāng)燃?xì)鉁u輪起動機(jī)進(jìn)入動力狀態(tài)并穩(wěn)定工作后，其動力狀態(tài)的輸出功率由杠桿機(jī)構(gòu)上端擋板活門的開度決定，此時可通過調(diào)節(jié)動力狀態(tài)活門組件和錐形彈簧，改變施加在杠桿機(jī)構(gòu)下端作用力的方式，實現(xiàn)燃?xì)鉁u輪起動機(jī)動力狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3 動力狀態(tài)超轉(zhuǎn)故障現(xiàn)象

3.1 故障現(xiàn)象

某型燃?xì)鉁u輪起動機(jī)在試車臺上進(jìn)行性能復(fù)查，當(dāng)進(jìn)行動力狀態(tài)性能檢查時，按下設(shè)備上動力狀態(tài)按鈕后，按照預(yù)設(shè)值給燃?xì)鉁u輪起動機(jī)增加扭矩負(fù)載，使燃?xì)鉁u輪起動機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到90%，保持扭矩恒定，此時本該保持動態(tài)穩(wěn)定的起動機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、自由渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速持續(xù)異常升高，出現(xiàn)超轉(zhuǎn)故障，試車臺立即停車。待檢查線路、自查設(shè)備合格后，再次開車驗證，故障依舊，換裝燃滑油附件后，故障消失，動力狀態(tài)功能正常。

3.2 風(fēng)險分析

動力狀態(tài)是起動機(jī)的低功率工作狀態(tài)，主要為飛機(jī)的相關(guān)輔助功能提供動力。若起動機(jī)在動力狀態(tài)時出現(xiàn)超轉(zhuǎn)，其輸出的功率會隨之變化，不符合要求的輸出功率會造成起動機(jī)工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致附件損傷。

為理清故障原因，結(jié)合本次試車超轉(zhuǎn)故障，開展全面故障分析。

4 故障原因

結(jié)合產(chǎn)品工作原理，由故障表現(xiàn)分析原因可能有試車設(shè)備出現(xiàn)故障和燃滑油附件工作異常，導(dǎo)致供給渦輪起動機(jī)燃燒室的燃油量過大，燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)未按照動力狀態(tài)工作要求供給燃油。因該臺燃?xì)鉁u輪起動機(jī)更換燃滑油附件后，故障消失，判斷該故障原因應(yīng)為產(chǎn)品燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障即燃滑油附件故障。

4.1 動力狀態(tài)活門故障

活門（見圖2）由皮碗、環(huán)形彈簧、擋圈、活門桿等主要部件組成，裝配時皮碗呈向外舒張狀態(tài)，安裝襯套后環(huán)形彈簧提供的壓力將氟塑料碗壁壓緊在襯套上，以保證活門內(nèi)部密封，隔離活門組件腔體實現(xiàn)油液壓力反饋控制。

圖2 活門結(jié)構(gòu)圖

4.1.1 活門密封失效

起動機(jī)進(jìn)入動力狀態(tài)后，活門原有的受力平衡被打破，活門單側(cè)受到燃油壓力（F油=ΔP油·S面積）作用，抵消彈簧力（F彈=K系數(shù)·X變形量）開始移動，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在這個過程中若皮碗密封失效，則活門組件左右腔體串油，兩油腔壓力相同或壓力差無法滿足動力狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)，等效于工作在高功率輸出的起動機(jī)狀態(tài)，加之負(fù)載降低導(dǎo)致發(fā)生超轉(zhuǎn)故障。

4.1.2 活門移動阻力超差

活門在襯套中移動有一定的阻力，若活門移動阻力過大或卡滯，雖然活門兩邊腔體壓力發(fā)生了變化，但是活門工作過程中并未產(chǎn)生移動，壓力反饋失效，導(dǎo)致起動機(jī)動力狀態(tài)失效，發(fā)生超轉(zhuǎn)故障。

4.2 彈簧形變異常

動力狀態(tài)活門組件彈簧為圓柱形壓力彈簧，其兩端分別聯(lián)接活門和彈簧安裝座（見圖3）。在起動機(jī)動力狀態(tài)，該彈簧隨壓力變化進(jìn)一步壓縮，若彈簧圓柱面與裝配腔的襯套壁發(fā)生接觸摩擦，則會導(dǎo)致彈簧狀態(tài)改變受阻，無法正常受力變化，進(jìn)而導(dǎo)致活門無法移動或移動距離受限，影響起動機(jī)動力狀態(tài)的自動調(diào)整，出現(xiàn)超轉(zhuǎn)故障。

圖3 動力狀態(tài)活門組件

4.3 動力狀態(tài)電磁鐵功能失效

動力狀態(tài)電磁鐵安裝于燃滑油附件上，是起動機(jī)進(jìn)入動力狀態(tài)的觸發(fā)開關(guān)，只有當(dāng)電磁鐵通電將油路斷開形成壓力差，起動機(jī)動力狀態(tài)的相關(guān)調(diào)整原件才能正常進(jìn)入工作狀態(tài)，發(fā)揮調(diào)控作用。若電磁鐵動作失敗或密封面未成功切斷油液通路，則起動機(jī)雖然發(fā)出狀態(tài)調(diào)整的信號，但是其仍未進(jìn)入動力狀態(tài)工作模式。

5 故障排查

針對試車超轉(zhuǎn)故障，結(jié)合上述分析，技術(shù)人員隨即組織開展故障梳理排除工作。

5.1 產(chǎn)品調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障排查

1）產(chǎn)品實物檢查。燃滑油附件上試驗臺性能復(fù)查。將該臺燃滑油附件上試驗臺進(jìn)行動力狀態(tài)性能檢查，供油流量超標(biāo)，特性調(diào)整失敗，故障復(fù)現(xiàn)。反復(fù)對電磁鐵通電，用手感受電磁鐵內(nèi)銜鐵響應(yīng)迅速、移動靈活，用耳朵聽銜鐵動作聲音清晰干脆。

2）燃滑油附件分解檢查。從燃滑油附件上分解開重調(diào)活門帽蓋，檢查發(fā)現(xiàn)柱形彈簧側(cè)面有磨損痕跡，壓縮彈簧存在肉眼可見的彎曲變形，檢查垂直度為2 mm，不合格。從燃滑油附件上分解下電磁鐵通電檢查，其銜鐵動作靈活無卡滯；檢查電磁鐵下密封擋板，其表面無異常且粗糙度合格。從燃滑油附件中取出動力狀態(tài)活門組件進(jìn)行阻力檢查，開始移動及移動過程中阻力矩為4 N·m，滿足技術(shù)要求；隨后對活門組件進(jìn)行密封性試驗檢查，活門密封性良好無滲漏，檢查合格。

結(jié)合故障現(xiàn)象及檢查情況判定故障原因應(yīng)為柱形彈簧在受力壓縮過程中產(chǎn)生徑向移動變形，變形的彈簧側(cè)面與活門襯套壁擠壓接觸，導(dǎo)致活門移動受阻，調(diào)節(jié)失效。

5.2 復(fù)原驗證

為驗證分析的準(zhǔn)確性，將燃滑油附件分別配裝原臺變形彈簧及合格彈簧進(jìn)行對比驗證，裝配原臺變形彈簧的燃滑油附件故障依舊，而換裝合格彈簧的燃滑油附件動力狀態(tài)功能正常。隨后，將更換合格彈簧的燃滑油附件重新裝配起動機(jī)上試車臺進(jìn)行試車，故障消失，動力狀態(tài)功能正常。通過對比驗證，確認(rèn)彈簧變形量超差為導(dǎo)致本次動力狀態(tài)超轉(zhuǎn)故障的原因。

5.3 預(yù)防措施

1）柱形彈簧安裝前進(jìn)行自然狀態(tài)及受力壓縮狀態(tài)下的垂直度檢查，發(fā)現(xiàn)形變超差及時更換合格件；

2）因彈簧安裝腔內(nèi)空間相對寬裕，彈簧裝入安裝腔后未受力時有一定的活動余量，存在彈簧安裝座安裝并擰緊時彈簧姿態(tài)傾斜可能，致使彈簧長時間受力異常，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。故而在彈簧裝配時，應(yīng)保證彈簧安裝位置居中并平穩(wěn)放置于安裝腔內(nèi)后再裝配彈簧安裝座。

6 結(jié)語

本文結(jié)合某型燃?xì)鉁u輪起動機(jī)的超轉(zhuǎn)故障，系統(tǒng)地分析了故障的產(chǎn)生機(jī)理。柱形彈簧因結(jié)構(gòu)異常，受力壓縮時產(chǎn)生徑向變形，接觸并擠壓襯套壁致使彈簧收縮受阻，進(jìn)而影響動力狀態(tài)活門組件的活門移動，導(dǎo)致起動機(jī)進(jìn)入動力狀態(tài)失敗，產(chǎn)生超轉(zhuǎn)故障。該故障可通過本文分析方法進(jìn)行排除和預(yù)防，同時本文分析方法對后續(xù)該類型故障的識別、排除及預(yù)防工作具有借鑒意義。