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        基于功能共振的萊康明發(fā)動機點火系統(tǒng)故障分析

        2022-04-19 09:19:50周長春蘇月肖荃益
        科學技術創(chuàng)新 2022年12期
        關鍵詞:共振發(fā)動機變化

        周長春 蘇月 肖荃益

        (中國民用航空飛行學院,四川 廣漢 618307)

        航空活塞發(fā)動機具有性能穩(wěn)定、油耗低、動力充足等特點,在通航領域得到廣泛運用。萊康明發(fā)動機因其獨特的構(gòu)造特點在國際市場占有主導位置,并且在中國的市場需求也在穩(wěn)步增長,截止目前萊康明公司已生產(chǎn)超過1000 臺發(fā)動機,國內(nèi)飛行訓練使用的教練機如Cessna172R、TB20、西門諾爾都配備萊康明公司的發(fā)動機。

        隨著對萊康明發(fā)動機的使用及維護不斷增多,發(fā)現(xiàn)其中點火系統(tǒng)的故障率占比最高。點火系統(tǒng)作為活塞發(fā)動機重要系統(tǒng)之一,較高的故障率不僅增加了飛行訓練的安全風險,也影響飛行學生的培養(yǎng)計劃,增加維護部門的維護成本。因此以下選用萊康明公司生產(chǎn)的IO-360-L2A 型發(fā)動機點火系統(tǒng)為研究對象,通過使用功能共振分析方法對點火系統(tǒng)進行分析研究,得出對點火系統(tǒng)正常工作影響較大的致因因子,提出有效的安全建議。

        1 萊康明發(fā)動機點火系統(tǒng)基本組成及工作流程

        點火系統(tǒng)的主要功能是為在適當?shù)臅r刻產(chǎn)生電火花,以點燃汽缸內(nèi)的油氣混合物,從而保證發(fā)動機的正常起動。萊康明發(fā)動機的點火系統(tǒng)為電磁機式點火系統(tǒng),主要由磁電機、磁電機點火開關、高壓導線及電嘴等組成的。此型發(fā)動機一共有四個水平對置的汽缸,其各有兩個電嘴,并且裝配有兩個電磁機通過高壓導線分別控制,因此具有兩套獨立的點火系統(tǒng)。

        在發(fā)動機起動系統(tǒng)功能完好的前提下,首先將磁電機開關至于“START”位,起動機接通電源,帶動發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動。磁鐵轉(zhuǎn)子跟隨曲軸轉(zhuǎn)動形成與鐵芯變化的相對位置,產(chǎn)生數(shù)值與方向都變的基本磁通。初級線圈內(nèi)因其產(chǎn)生感應電動勢,大小與基本磁通變化率成正比,并接通低壓電路。而隨之產(chǎn)生的電磁場阻礙低壓電流的變化,因此低壓電流的最大值點在磁電機轉(zhuǎn)子中立位置后一定角度。在低壓電流最大時斷開斷電器,使軟磁芯中磁通變化率最大,產(chǎn)生最大的高壓電以提供電嘴所需的擊穿電壓。為防止斷電器觸點產(chǎn)生電火花,并聯(lián)電容吸收斷電時自感應電動勢產(chǎn)生的自感電流。分電器根據(jù)點火次序分配高電壓。選用沖擊聯(lián)軸器解決發(fā)動機剛啟動時因轉(zhuǎn)速太小而無法產(chǎn)生足夠高壓電動勢的問題。在發(fā)動機正常起動后,開關自動跳至“BOTH”位以斷開電源,兩個磁電機同時工作,并持續(xù)到正常工作過程。高壓導線傳輸高壓電至點火電嘴,電嘴兩級間形成高電位差電離兩級間氣體,產(chǎn)生電火花。最后,發(fā)動機停車后,磁電機開關轉(zhuǎn)至“OFF”位,切斷磁電機與螺旋槳的聯(lián)系,防止誤點火。點火系統(tǒng)工作流程圖如圖1 所示。

        圖1 某型發(fā)動機點火系統(tǒng)工作流程圖

        2 功能共振分析方法

        功能共振分析方法(FRAM),最初也被稱之為功能共振事故模型,它是由Erik Hollnagel 于2004 年提出,F(xiàn)RAM 認為失敗是功能或任務的正??勺冃缘墓舱癯霈F(xiàn)的結(jié)果,因此它以系統(tǒng)正常運行情況的描述為基礎,從而找出系統(tǒng)未達到預期情況下的致因。該方法適用于復雜系統(tǒng)的事故分析或風險評估。

        功能共振方法有四個原理:成功和失敗來自同樣的源頭,事件發(fā)生后結(jié)果的好壞都是由同樣的原因引起;近似調(diào)整原則,當情況不明確或資源不足時,通過調(diào)整以完成工作;事件的發(fā)生不遵循因果關系原理,有可能是涌現(xiàn)的結(jié)果;系統(tǒng)功能間的耦合與關聯(lián)無法精準預測,需用特定的原理說明。

        FRAM 具體步驟如下所示:

        (1)準備工作:理解并確定系統(tǒng)日常情況下應當如何運行,轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)為目標所必須的功能;同時確認此次FRAM 分析是用于事故調(diào)查還是風險評估。

        (2)識別與描述功能:根據(jù)系統(tǒng)設計原理及結(jié)構(gòu)構(gòu)成等信息,對系統(tǒng)日常運行過程中所需功能進行識別;再以功能的六角形模型表示為模板,從以下6 個不同的方面對功能的特征進行語言描述:輸入:使功能啟動的事物,或功能將要處理轉(zhuǎn)化的事物;輸出:功能運行的結(jié)果;前提:功能發(fā)生必須存在的前提條件;資源:功能執(zhí)行中所需或消耗掉的事物;控制:用于監(jiān)督或控制該功能的限制,如計劃、步驟、指導指示等;時間:對功能正常運行起到影響的時間約束。識別和描述系統(tǒng)的所有功能后,使用FMV 軟件進行表征,形成一個正常運行狀態(tài)下的系統(tǒng)網(wǎng)絡圖,方便后期分析。

        (3)功能變化的識別:為了能夠理解上下游功能耦合,需要密切關注功能的可變性,在FRAM 中,較之于功能本身會發(fā)生的變化,分析中更加側(cè)重于能夠引起功能的輸出變化的變化。主要有三種變化:內(nèi)在變化、外在變化、上下游功能耦合。判斷出變化的來源后,通過對時間和精度的描述對功能變化進行簡單篩選,對需要深入分析的單個功能,再進行復雜描述。

        (4)確定功能共振:上下游功能耦合是指一個功能的可變性可以由上游功能的耦合而產(chǎn)生,在上一步中確定好單個功能的變化后,借助上下游功能耦合的概念,尋找引發(fā)不期望結(jié)果的因素,確定功能共振,分析影響功能共振因素以及失效連接關系。

        (5)分析結(jié)果:通過前三步對系統(tǒng)建模的完成進行結(jié)果分析,針對發(fā)生共振的功能模塊,根據(jù)特定情況下的上下游功能耦合及功能間的失效連接關系,識別導致功能發(fā)生性能變化的原因,并制定相應的保護措施。目的是在不失去控制的情況下提高結(jié)果成功的可能性。除了普遍使用的消除、預防、保護和易化的方法外,F(xiàn)RAM 分析中提出了另外兩種手段,即監(jiān)控與抑制。

        3 FRAM 在點火系統(tǒng)中的運用

        3.1 識別和描述系統(tǒng)功能

        此次使用FRAM 對點火系統(tǒng)進行建模分析的結(jié)果將用于點火系統(tǒng)的故障分析及風險評估。通過對點火系統(tǒng)的研究,將點火系統(tǒng)工作過程分為12 個步驟,由此識別出點火系統(tǒng)12 個功能:F1 接通起動系統(tǒng)、F2 加速轉(zhuǎn)子、F3 產(chǎn)生磁通、F4 產(chǎn)生低壓電、F5 接通低壓電路、F6 斷開低壓電路、F7 吸收電流、F8 產(chǎn)生高壓電、F9 分配高電壓、F10 傳輸高電壓、F11 點火、F12 進行正常工作。根據(jù)FRAM 的功能描述的六個方面進行具體描述,以F6 斷開低壓電路為例,其描述如表1 所示。

        根據(jù)FRAM 建模的基本規(guī)則,每項功能的特征必須與至少一項其他功能的某個特征相對應,從而形成上下游關系。結(jié)合12 項功能的六角功能分析結(jié)果,建立點火系統(tǒng)功能網(wǎng)絡,如圖2 所示。

        圖2 某型發(fā)動機點火系統(tǒng)功能網(wǎng)絡

        3.2 功能變化的識別

        利用各單元功能六角功能分析表中具體的描述內(nèi)容,結(jié)合以往關于點火系統(tǒng)的故障分析文獻及數(shù)據(jù),從時間或精度對可能造成每個單元功能輸出發(fā)生變化的原因進行評估。文獻[4]對Slick 磁電機中斷電器觸點電腐蝕及化學磨損的故障進行了理論分析,并且系統(tǒng)闡述了斷電器及周圍部件工作原理。文獻[5]選用與本文相同的研究對象,對其常見故障的現(xiàn)象進行描述并提出建議措施及維護要求。文獻[6]在同型點火系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎上,對最常見的電嘴故障及磁電機故障進行了理論分析并提出預防措施。文獻[7]中對同型發(fā)動機出現(xiàn)抖動現(xiàn)象進行致因分析,以求以后的維護工作中能快速有效的排除故障。本文結(jié)合以往文獻中提出的故障致因與2020 年某通航單位同型發(fā)動機點火系統(tǒng)故障數(shù)據(jù),判斷各功能變化的可能性,如表2 所示。

        表2 點火系統(tǒng)中功能輸出的變化

        3.3 確定功能共振

        根據(jù)圖2 所示的某型發(fā)動機點火系統(tǒng)功能網(wǎng)絡,確定與變化的功能有相互影響的單元功能,分析其影響力的大小,從而找出系統(tǒng)可能的故障致因,即失效連接中產(chǎn)生影響的因素就可能是系統(tǒng)發(fā)生故障的因素。因此點火系統(tǒng)功能共振單元能、失效連接及影響因素如表3 所示。

        表3 某型發(fā)動機點火系統(tǒng)失效連接與功能共振影響因素

        3.4 分析結(jié)果及安全建議

        經(jīng)過本文的分析,某型發(fā)動機的點火系統(tǒng)維護及維修工作需要注意以下方面:第一,對于故障次數(shù)較高的部件做好航材管理,主要以維修維護代替更換,節(jié)約維修成本;第二,對磁電機的功能完整性需要定期檢查,完善維護及定檢工單,仔細檢查可能發(fā)生故障的部件;第三,提高測溫等數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的可靠性,以及時發(fā)現(xiàn)未達到預期的情況;第四,要求飛機操作人員正確學習并使用貧富油調(diào)節(jié)技術,給予發(fā)動機一個良好的工作環(huán)境。

        4 結(jié)論

        本文將功能共振分析方法運用到萊康明IO-360-L2A 型發(fā)動機點火系統(tǒng)的故障分析中,根據(jù)點火系統(tǒng)的工作流程識別出其系統(tǒng)功能,繪制功能網(wǎng)絡圖,從系統(tǒng)的角度分析了在工作過程中故障率較高的斷開低壓電路、吸收電流、點火等單元功能輸出發(fā)生變化可能造成的影響,從而分析出可能導致系統(tǒng)故障的原因,并提出針對技術、人員及組織各方面有效的安全建議,以求減少事故或故障的發(fā)生。

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