Cessna 172R飛機(jī)地面慢車停車故障研究

王立綱

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 廣漢分院，四川 廣漢618307)

0 引言

飛機(jī)燃油調(diào)節(jié)裝置是保證飛機(jī)在不同的飛行高度、速度，不同的大氣溫度、壓力下，在發(fā)動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速以及任意改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，可靠地供燃油，以保證燃燒穩(wěn)定，不熄火的裝置，是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的核心。Cessna 172R飛機(jī)自2006年被某飛行訓(xùn)練單位引進(jìn)后，一直作為飛行訓(xùn)練的初級(jí)教練機(jī)使用，服役13年來(lái)，每架飛機(jī)每年平均完成4000多次起落，若燃油調(diào)節(jié)一旦出現(xiàn)故障，導(dǎo)致飛機(jī)在著陸滑行中停車，不僅會(huì)給后續(xù)飛機(jī)的安全落地造成威脅，而且根據(jù)現(xiàn)有航空安全信息報(bào)送要求，事發(fā)單位還需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間來(lái)進(jìn)行此類事件的報(bào)送和調(diào)查工作，影響正常的運(yùn)行；隨著飛機(jī)機(jī)齡的增長(zhǎng)，故障發(fā)生的概率也明顯增加，為此必須保持警惕并加以研究，制定相應(yīng)的維修對(duì)策，來(lái)降低該故障的發(fā)生率，提高燃調(diào)系統(tǒng)的可靠性和安全性，保障飛行教員和飛行學(xué)生的生命安全以及國(guó)家財(cái)產(chǎn)的安全。本文以實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中遇到的飛機(jī)在地面滑行階段慢車停車故障為研究對(duì)象，結(jié)合燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理和歷史故障統(tǒng)計(jì)，確定故障發(fā)生的最終原因，再根據(jù)實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出維修對(duì)策。

1 故障描述

2018年7月某日，某飛行訓(xùn)練單位一架Cessna 172R飛機(jī)執(zhí)行本場(chǎng)夜間起落帶飛訓(xùn)練任務(wù)，飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)落地著陸脫離跑道進(jìn)入C滑行道后，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車轉(zhuǎn)速停車，后由機(jī)務(wù)人員牽引回機(jī)庫(kù)進(jìn)行檢查。在對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)外觀進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)正常，對(duì)飛機(jī)的SD卡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)停車前的那一階段有明顯的富油現(xiàn)象，且根據(jù)機(jī)組人員陳述，在油門桿已經(jīng)收到慢車位后，飛行人員有繼續(xù)向后拉油門桿的動(dòng)作。因此在故障分析時(shí)需要分兩部分，一是研究燃調(diào)系統(tǒng)本身，因?yàn)槿颊{(diào)系統(tǒng)是飛機(jī)慢車燃油的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)研究慢車調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；二是研究飛行員操縱控制。

2 燃調(diào)系統(tǒng)概述

2.1 燃調(diào)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理

Cessna 172R飛機(jī)中IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)采用美國(guó)Precision公司生產(chǎn)的RSA-5ADl型直接噴射式燃油調(diào)節(jié)器(以下簡(jiǎn)稱燃調(diào))，燃調(diào)組成圖如圖1所示，該燃調(diào)系統(tǒng)包括燃調(diào)殼體、文氏管、油門桿、油門、混合比操縱桿、慢車轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)螺釘、慢車混合比調(diào)節(jié)裝置、氣膜、油膜、球閥、慢車恒速?gòu)椈傻萚1]，如圖1所示。

燃調(diào)主要是由一個(gè)空氣流量傳感部件、一個(gè)計(jì)量部件和一個(gè)燃油調(diào)節(jié)部件組成?？諝饬髁總鞲胁考?文氏管和空氣薄膜，即圖1中的AB室)通過(guò)感受節(jié)氣門處沖壓壓力和文氏管喉部壓力，計(jì)量發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的消耗量，這些壓力作用于一個(gè)空氣薄膜的兩側(cè)，空氣薄膜兩側(cè)的壓差為空氣計(jì)量力。燃油計(jì)量部件(包括球形活門和燃油薄膜，即圖1中的CD室)來(lái)計(jì)量燃油，其燃油薄膜的一邊作用于進(jìn)口燃油壓力，另一邊作用于計(jì)量燃油壓力，燃油薄膜兩邊的壓差為燃油計(jì)量力。燃油調(diào)節(jié)部件：它裝在空氣流量部件上，包括進(jìn)油濾、慢車混合比調(diào)節(jié)活門、慢車活門及定油嘴等，其功用是計(jì)量和調(diào)節(jié)流到流量分配器的燃油。

燃調(diào)的工作原理簡(jiǎn)述為：通過(guò)計(jì)量空氣流量，將空氣流量信號(hào)作為一個(gè)伺服活門，伺服活門精確地調(diào)節(jié)所需燃油壓力，然后通過(guò)燃油控制系統(tǒng)，使得燃油流量與空氣流量成正比[2]，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作情況下的需要。

2.2 慢車調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成及功能

RSA-5AD1型燃調(diào)的慢車調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)確保發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)能夠穩(wěn)定的工作。主要由風(fēng)門機(jī)構(gòu)、風(fēng)門搖臂、慢車轉(zhuǎn)速螺釘、互聯(lián)桿機(jī)構(gòu)和慢車供油活門組件等及其他零部件組成，慢車調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖如圖2所示。各部件主要功能為[3-4]：

(1)風(fēng)門機(jī)構(gòu)(風(fēng)門、風(fēng)門軸)：主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量；

(2)風(fēng)門搖臂：通過(guò)油門桿鋼索操縱風(fēng)門搖臂打開(kāi)風(fēng)門；

(3)慢車轉(zhuǎn)速螺釘：控制風(fēng)門搖臂止擋位置，調(diào)節(jié)慢車轉(zhuǎn)速；

(4)互連桿機(jī)構(gòu)：主要調(diào)節(jié)慢車供油活門位置，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)慢車混合比；

(5)慢車供油活門組件：控制慢車位燃調(diào)供油量。

圖2慢車調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖

3 故障分析

3.1 故障統(tǒng)計(jì)

Cessna 172R飛機(jī)每年在地面滑跑過(guò)程中或者在定檢后試車過(guò)程中都會(huì)發(fā)生多起油門慢車停車故障，共有的現(xiàn)象是地面慢車過(guò)富油。根據(jù)換件情況，慢車過(guò)富油主要集中在更換互聯(lián)桿機(jī)構(gòu)或因燃調(diào)風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的綜合間隙過(guò)大(風(fēng)門軸、限位釘?shù)炔扛郊L(zhǎng)期磨損造成)而換燃調(diào)等。某飛行訓(xùn)練單位該機(jī)型2015年至2018年期間地面慢車停車故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3 所示，地面慢車停車故障換件情況統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖3地面慢車停車故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4地面慢車停車故障換件情況統(tǒng)計(jì)

3.2 故障原因分析

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及初步原理分析認(rèn)為該故障可能存在兩個(gè)方面的原因：一是機(jī)械原因，主要是根據(jù)燃調(diào)慢車調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部附件更換狀況得出；二是人的原因，主要是針對(duì)飛行人員的操作。

3.2.1 機(jī)械原因

(1)風(fēng)門機(jī)構(gòu)間隙

當(dāng)油門桿處于慢車位時(shí)，風(fēng)門開(kāi)度已經(jīng)很小，因風(fēng)門軸長(zhǎng)期磨損造成的間隙逐漸變大，加上定位彈簧的拉力，油門桿慢車時(shí)風(fēng)門控制搖臂實(shí)際并未完全靠于止擋位，實(shí)際拉桿時(shí)克服了綜合間隙后，風(fēng)門開(kāi)度進(jìn)一步減小，進(jìn)氣量在原來(lái)的基礎(chǔ)上繼續(xù)減少，但燃油量未減少，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)慢車富油停車。

風(fēng)門軸使用兩個(gè)風(fēng)門軸軸套與燃調(diào)殼體相連，工作中風(fēng)門軸在軸套中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的開(kāi)閉，風(fēng)門軸可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)間隙分為徑向和軸向間隙，風(fēng)門軸裝配示意圖如圖5所示。根據(jù)RSA-5AD1型燃調(diào)翻修手冊(cè)，軸向間隙標(biāo)準(zhǔn)值為0.002～0.008 in，該間隙標(biāo)準(zhǔn)在廠家燃調(diào)翻修工藝中已明確，翻修過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行，可以確保軸向間隙符合要求。徑向間隙(即風(fēng)門軸-軸套之間間隙)分為兩種情況，一是風(fēng)門軸與軸套之間的配合容差，二是兩個(gè)軸套之間的同軸度。風(fēng)門軸與軸套之間的配合容差較大時(shí)，風(fēng)門軸兩端均出現(xiàn)較大間隙，風(fēng)門軸將在軸套中晃動(dòng)，造成風(fēng)門位置不在設(shè)定位置。風(fēng)門軸與軸套之間的一端容差大一端容差小，由于容差小的軸套限制了軸的位移量，此時(shí)在正常使用時(shí)，風(fēng)門能實(shí)現(xiàn)正常功能。但若出現(xiàn)用力拉油門桿的情況，風(fēng)門軸由于另一端軸套間隙大，風(fēng)門軸出現(xiàn)彈性變形，風(fēng)門將不再正常功能位。風(fēng)門軸與軸套不同軸有兩種情況，一種情況為風(fēng)門軸軸套研磨不標(biāo)準(zhǔn)；另一種情況為風(fēng)門軸彎曲。這兩種情況在使用中均會(huì)出現(xiàn)軸套快速磨損，風(fēng)門軸與軸套之間出現(xiàn)間隙超標(biāo)情況。

(2)限位釘

限位釘由上半部分的膠木環(huán)和下半部分的金屬環(huán)組成，下半部分用膠粘結(jié)于安裝座中，限位釘安裝位置及實(shí)物圖如圖6所示。限位釘與慢車轉(zhuǎn)速調(diào)整螺釘配合使用，作為慢車轉(zhuǎn)速調(diào)整螺釘?shù)闹箵?，限制風(fēng)門慢車時(shí)的位置。限位釘?shù)乃蓜?dòng)或破損將直接導(dǎo)致風(fēng)門關(guān)小，造成燃調(diào)無(wú)法提供足夠的空氣，致使發(fā)動(dòng)機(jī)富油停車。

(3)互連桿機(jī)構(gòu)

互連桿機(jī)構(gòu)圖如圖7所示，主要由上、下U型夾和中間調(diào)節(jié)螺栓構(gòu)成，并用定位銷釘固定在兩端，上端連接風(fēng)門控制組件，下端連接慢車活門控制組件；2個(gè)定位銷中間掛接一根定位彈簧，作用是防止調(diào)節(jié)螺釘由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)導(dǎo)致螺釘自由轉(zhuǎn)動(dòng)，造成貧富油混亂；調(diào)節(jié)螺栓上端為細(xì)螺紋，下端為粗螺紋。

圖7 互連桿機(jī)構(gòu)圖

互連桿調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)一個(gè)齒變化量約為20 rpm，混合比轉(zhuǎn)速變化量最合適的范圍是增加10～50 rpm。慢車供油控制活門開(kāi)度大小受互連桿長(zhǎng)度影響，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓，互連桿長(zhǎng)度增加，活門旋轉(zhuǎn)使出油孔開(kāi)度增大，供油量增加，混合氣變富油，反之，則變貧油。在操作過(guò)程中，互連桿機(jī)構(gòu)上下U型夾、定位銷釘、調(diào)節(jié)螺釘會(huì)持續(xù)的磨損，過(guò)大的間隙也將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油氣混合比例不符合要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)富油停車。并且該處的磨損間隙使用彈簧是無(wú)法消除的。

(4)燃調(diào)進(jìn)氣道處污染

進(jìn)氣道不屬于定期維護(hù)的位置，而空氣中微小的雜質(zhì)進(jìn)入進(jìn)氣道積累附著會(huì)形成污垢。污垢直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，在慢車位風(fēng)門開(kāi)度不變的情況下，污垢越厚，進(jìn)氣量越小，發(fā)動(dòng)機(jī)越富油[5]。

3.2.2 飛行操縱原因

正常情況下飛機(jī)在著陸滑跑過(guò)程中，機(jī)組人員應(yīng)該單手握住油門桿，油門置于慢車位，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)油門開(kāi)度，使用剎車來(lái)實(shí)現(xiàn)減速[6]。但根據(jù)實(shí)際的調(diào)研得知，大部分飛行教員和飛行學(xué)生認(rèn)為油門也是著陸滑行中可用的減速裝置，可以通過(guò)一直拉住油門實(shí)現(xiàn)有效減速。

因此，在僅使用剎車達(dá)不到預(yù)期的減速效果想時(shí)，尤其是在學(xué)生機(jī)組訓(xùn)練情況下，學(xué)生機(jī)組會(huì)出現(xiàn)在快速脫離跑道情況下的緊張情緒，此時(shí)機(jī)組人員可能一直拉住油門不放來(lái)實(shí)現(xiàn)減速，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)富油或富油停車。

3.3 排故思路

出現(xiàn)故障后，需進(jìn)行地面試車，在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車穩(wěn)定后使用5千克拉力向后拉油門桿，并保持15秒，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)是否停車，若出現(xiàn)停車現(xiàn)象或掉轉(zhuǎn)過(guò)多時(shí)，主要采取以下排故措施：

(1)檢查互聯(lián)桿上貧富油調(diào)節(jié)螺釘齒輪位置

若齒輪太靠近互連桿上部或下部U型夾，應(yīng)將互連桿機(jī)構(gòu)取下重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，使齒輪位于中間互連桿位置，并調(diào)節(jié)互連桿長(zhǎng)度與之前一致，然后再進(jìn)行地面試車檢查。

(2)檢查互連桿綜合間隙

若綜合間隙大則更換貧富油調(diào)節(jié)螺桿和上、下部U型夾，視情更換表面磨損嚴(yán)重的定位銷和彈性不良的彈簧，然后再進(jìn)行試車檢查。

(3)檢查進(jìn)氣道的污染狀況

對(duì)燃調(diào)進(jìn)氣道的污染狀況進(jìn)行檢查，若污垢較多，則需要進(jìn)行在位清潔。使用清潔汽油在位清潔燃調(diào)進(jìn)氣道，重點(diǎn)清潔風(fēng)門最小開(kāi)度位置內(nèi)壁的污垢。在位清潔時(shí)應(yīng)先用膠帶封住靜壓孔，防止掉落的污垢進(jìn)入靜壓孔。

(4)大部分排故措施是以上3種措施綜合實(shí)施，如果上述措施均無(wú)法解決問(wèn)題，則需要直接更換燃調(diào)。

4 使用和維護(hù)建議

4.1 針對(duì)維修人員的建議

(1)做好發(fā)動(dòng)機(jī)定檢后的試車檢查工作

要使用5千克力拉油門桿，在發(fā)動(dòng)機(jī)保持15秒無(wú)明顯抖動(dòng)、不停車的情況下檢查慢車位拉桿掉轉(zhuǎn)情況[7]，如果存在拉桿后掉轉(zhuǎn)超過(guò)300 rpm，則需檢查互連桿間隙或清潔進(jìn)氣道；或調(diào)節(jié)換車轉(zhuǎn)速或混合比，將慢車轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到700～750 rpm。

(2)注意貧富油調(diào)節(jié)的季節(jié)性特點(diǎn)

不考慮燃調(diào)本身機(jī)械故障的原因，空氣密度也是一個(gè)主要影響因素，空氣密度主要以溫度作為標(biāo)準(zhǔn)。春、秋兩季早中晚溫差較大，定檢試車時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度進(jìn)行判斷，例如場(chǎng)溫相對(duì)當(dāng)日氣溫較高，貧富油可往上限調(diào)節(jié)。夏、冬兩季早中晚溫度較接近，一天內(nèi)場(chǎng)溫場(chǎng)壓一般不會(huì)大幅度變化，建議貧富油調(diào)至中間值，即30 rpm。在陰雨天調(diào)節(jié)，可調(diào)上限。

4.2 針對(duì)飛行人員的建議

(1)每次飛行前，機(jī)組應(yīng)嚴(yán)格按照手冊(cè)要求檢查慢車轉(zhuǎn)速和混合比，使之符合規(guī)定，并正確進(jìn)行暖機(jī)[8]；

(2)飛機(jī)在著陸滑跑過(guò)程中，機(jī)組人員在收油門至慢車位時(shí)不要過(guò)度向后拉油門桿，并注意關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不能過(guò)低。