張 翼，龔 智

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)研發(fā)中心，合肥 230088)

0 引言

某飛行器平臺(tái)的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)配置了兩臺(tái)進(jìn)口航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，為飛行器在整個(gè)飛行包線內(nèi)提供矢量推力，參與實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)操縱和控制，在舵面效率較低的狀態(tài)下提供更多的飛行控制選擇，對(duì)于飛行器平臺(tái)技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。該型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)成熟簡(jiǎn)單可靠，采用二沖程燃燒循環(huán)，四氣缸水平對(duì)置結(jié)構(gòu)，風(fēng)冷散熱和混合氣潤(rùn)滑，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為37 kW。

在飛行器平臺(tái)的測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中，多次出現(xiàn)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障，表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、起動(dòng)過(guò)程起動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速偏低、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗、起動(dòng)電機(jī)因頻繁長(zhǎng)時(shí)間起動(dòng)導(dǎo)致燒損。本文對(duì)飛行器平臺(tái)各研制階段發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障情況進(jìn)行了梳理，分析和研究發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常起動(dòng)的根本原因，制定相應(yīng)的改進(jìn)和防控措施，旨在降低發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障的發(fā)生率，有效保障飛行器平臺(tái)的科研任務(wù)。

1 起動(dòng)工作原理

起動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，工作模式是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)起動(dòng)機(jī)的電路接通后，起動(dòng)機(jī)內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)動(dòng)作：開(kāi)關(guān)動(dòng)鐵芯移動(dòng)并拉動(dòng)撥叉，起動(dòng)接觸器閉合，起動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。撥叉推動(dòng)單向離合和驅(qū)動(dòng)齒輪向右移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈嚙合并驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪是主動(dòng)齒輪，飛輪齒圈是從動(dòng)齒輪。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后，飛輪齒圈的轉(zhuǎn)速比起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速高很多，飛輪齒圈便成為主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，因?yàn)樵O(shè)置有單向離合器，驅(qū)動(dòng)齒輪不會(huì)對(duì)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速?zèng)_擊影響。當(dāng)電路斷開(kāi)后，起動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧作用下回到原位，撥叉拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪退出嚙合狀態(tài)。

圖1 起動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造

飛行器平臺(tái)的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和燃油裝置組成，動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)各裝置的工作交聯(lián)關(guān)系如圖2所示?；陲w行器平臺(tái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的操作步驟為：(1)飛控計(jì)算機(jī)向壓力監(jiān)控單元發(fā)送取消熄火信號(hào)，壓力監(jiān)控單元斷開(kāi)熄火電路；(2)飛控計(jì)算機(jī)向配電盒發(fā)送起動(dòng)信號(hào)，配電盒的起動(dòng)電路接觸器閉合后接通起動(dòng)電路，起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈嚙合，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)建立后自行運(yùn)轉(zhuǎn)即為起動(dòng)成功；(4)飛控計(jì)算機(jī)向配電盒發(fā)送取消起動(dòng)信號(hào)，起動(dòng)電路斷開(kāi)，起動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)并與飛輪齒圈脫離。

圖2 動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)各裝置的工作交聯(lián)關(guān)系

2 故障分析和原因定位

2.1 故障分析

根據(jù)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，結(jié)合起動(dòng)失效模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障進(jìn)行分析，建立故障樹(shù)對(duì)潛在原因進(jìn)行梳理和排查。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)題故障樹(shù)如圖3所示。故障樹(shù)頂層的故障現(xiàn)象是發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)，根據(jù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)組成角度梳理出1級(jí)故障共5個(gè)，根據(jù)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)的部件組成角度梳理出2級(jí)故障共24個(gè)，再按照技術(shù)狀態(tài)定義3級(jí)故障共11個(gè)。

2.2 故障排查

根據(jù)圖3中羅列的故障樹(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障進(jìn)行逐級(jí)排查分析和研究，在對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢查和測(cè)試后，可以明確排除燃油供給系統(tǒng)故障(0103)、進(jìn)排氣系統(tǒng)故障(0104)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)故障(0105)造成發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的可能性。在對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)故障(0101)和點(diǎn)火系統(tǒng)故障(0102)的排查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些異?，F(xiàn)象，具體過(guò)程情況如下所述。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)題故障樹(shù)

2.2.1 起動(dòng)系統(tǒng)排查

檢查起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈的嚙合狀態(tài)，手動(dòng)拔出驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈嚙合并進(jìn)行盤(pán)齒檢查，齒輪嚙合深度達(dá)到三分之二齒高，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)順暢無(wú)卡滯問(wèn)題。盤(pán)槳檢查發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在拆卸掉火花塞的狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足技術(shù)要求，由此可判斷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)正常。

在發(fā)生起動(dòng)故障更換上新起動(dòng)機(jī)后，對(duì)艇上發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的電壓和電流狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)機(jī)正負(fù)極之間的電壓均會(huì)由28 V拉低至22 V左右，起動(dòng)機(jī)正極電纜的起動(dòng)瞬間峰值電流是隨著起動(dòng)次數(shù)增多而逐漸降低，起動(dòng)時(shí)間則是隨著起動(dòng)次數(shù)增多而逐漸增長(zhǎng)，在進(jìn)行第24次起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)已無(wú)法起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)機(jī)發(fā)生冒煙燒毀，起動(dòng)過(guò)程狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 起動(dòng)過(guò)程狀態(tài)參數(shù)

對(duì)起動(dòng)過(guò)程的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，起動(dòng)峰值電流始終偏小，首次起動(dòng)的峰值電流也比經(jīng)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)小了30 A。經(jīng)檢測(cè)，從配電盒到起動(dòng)機(jī)之間的整個(gè)起動(dòng)回路的電阻值為22.6 mΩ，超出20 mΩ的限值要求。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)，燒毀的起動(dòng)機(jī)內(nèi)部嚴(yán)重?zé)g，電刷和整流子部分已經(jīng)燒損破碎，燒損起動(dòng)機(jī)拆解狀態(tài)如圖4所示。

圖4 燒損起動(dòng)機(jī)拆解狀態(tài)

2.2.2 點(diǎn)火系統(tǒng)排查

在檢查起動(dòng)故障發(fā)動(dòng)機(jī)上的火花塞時(shí)，發(fā)現(xiàn)火花塞電機(jī)無(wú)燒蝕痕跡，電極間隙滿足要求，但是電極和散熱槽處覆蓋較多燃油，同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)壁和活塞頭部都存留較多燃油。經(jīng)分析，此積油來(lái)自起動(dòng)前往燃燒室注射的燃油，因發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)不成功導(dǎo)致注入的燃油無(wú)法消耗掉而積存在燃燒室內(nèi)。

為了排除積油淹缸的可能性，分兩步進(jìn)行了測(cè)試檢查：首先，清洗火花塞后采用外置電路逐個(gè)進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，4個(gè)火花塞跳火狀態(tài)均正常，由此可分析判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的磁電機(jī)、點(diǎn)火線圈、點(diǎn)火線纜和熄火線纜狀態(tài)正常；其次，在對(duì)化油器清洗并通過(guò)盤(pán)槳來(lái)進(jìn)一步清潔氣缸內(nèi)的殘余積油后進(jìn)行起動(dòng)測(cè)試，該狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)一次性起動(dòng)成功，但起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，在6 s左右。

2.3 原因定位

正常狀態(tài)下，起動(dòng)機(jī)在2 s內(nèi)就能將發(fā)動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)完成起動(dòng)。該飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)多次發(fā)生起動(dòng)故障，其根本原因有兩個(gè)：一是起動(dòng)回路的電阻值超出限值要求，回路阻值過(guò)高導(dǎo)致起動(dòng)峰值電流降低，因此起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)自運(yùn)行所需轉(zhuǎn)速；二是發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制邏輯不合理，在起動(dòng)時(shí)間的控制上并沒(méi)有與轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，而是采用8 s的固定起動(dòng)時(shí)間。長(zhǎng)時(shí)間起動(dòng)拖轉(zhuǎn)過(guò)程使得起動(dòng)機(jī)內(nèi)部堆積大量熱，起動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電刷和電極觸點(diǎn)發(fā)生局部燒蝕，起動(dòng)性能不斷衰減，因此在多次起動(dòng)測(cè)試后起動(dòng)機(jī)徹底燒毀。更換回路總電阻值為8.2 Ω的起動(dòng)線纜后進(jìn)行起動(dòng)測(cè)試，起動(dòng)速度較之前狀態(tài)明顯加快，起動(dòng)時(shí)間均在800 ms以內(nèi)。起動(dòng)過(guò)程的相關(guān)電氣參數(shù)如圖5所示。起動(dòng)開(kāi)始階段需要克服發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的靜摩擦力，因此起動(dòng)機(jī)的輸出扭矩為最大狀態(tài)，相應(yīng)的峰值電流達(dá)到354 A，隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的不斷提高，起動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和電流都不斷降低，當(dāng)電流值下降至0～10 A范圍時(shí)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)已自行運(yùn)轉(zhuǎn)并處于反拖起動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，相應(yīng)電流變化的時(shí)間段即為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間。

圖5 起動(dòng)過(guò)程的相關(guān)電氣參數(shù)

排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的注油淹缸問(wèn)題，應(yīng)該是此次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障的間接原因而非根本原因，反復(fù)的起動(dòng)排查測(cè)試致使注油次數(shù)過(guò)多，注入的燃油無(wú)法燃燒消耗掉，故發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸出現(xiàn)淹缸，該問(wèn)題也同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)。

3 結(jié)論

通過(guò)飛行器平臺(tái)研制階段的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試驗(yàn)證工作，全面梳理和排查了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電路的電氣參數(shù)對(duì)起動(dòng)性能的影響模式和原理，主要得到以下結(jié)論：

(1)起動(dòng)回路的電阻值直接影響到起動(dòng)峰值電流和起動(dòng)時(shí)間，關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功起動(dòng)，需嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行起動(dòng)回路的電纜設(shè)計(jì)；

(2)長(zhǎng)時(shí)間起動(dòng)過(guò)程堆積的大量熱載荷易導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)內(nèi)部電刷等部件燒蝕，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略，通過(guò)基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制邏輯縮短起動(dòng)拖轉(zhuǎn)時(shí)間，減少熱載荷引起的損害；

(3)優(yōu)化起動(dòng)操作流程，避免因起動(dòng)注油操作不當(dāng)導(dǎo)致的淹缸影響到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能。