基于故障樹(shù)分析的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子卡滯故障分析

李慈應(yīng) 葉靜 李姝霖

摘 ?要：本文介紹了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)出廠驗(yàn)收試驗(yàn)過(guò)程中的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子卡滯故障及其解決措施。通過(guò)分解檢查，并結(jié)合故障樹(shù)分析及復(fù)查，明確了故障的具體原因，制定了合理可行的解決方案并最終經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);燃?xì)獍l(fā)生器;轉(zhuǎn)子卡滯;故障樹(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：V263?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

故障樹(shù)分析法，簡(jiǎn)稱(chēng)為FTA，又稱(chēng)為失效樹(shù)分析法，是一種以故障樹(shù)為工具，分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑，對(duì)系統(tǒng)的安全性或可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種圖形演繹方法^[1]。FTA已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性分析的一種好方法^[2]。

本文針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)過(guò)程中發(fā)生燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子卡滯故障，通過(guò)故障樹(shù)分析，結(jié)合分解檢查等工作查明了故障產(chǎn)生的具體原因，提出了技術(shù)解決措施，貫徹措施后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最終排除了故障。

1故障現(xiàn)象

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)1038號(hào)機(jī)進(jìn)行首次工廠試車(chē)磨合階段結(jié)束后正常停車(chē)，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子余轉(zhuǎn)時(shí)間較正常停車(chē)時(shí)間減少6s，試車(chē)員扳轉(zhuǎn)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯。待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻后返裝配中心分解檢查發(fā)現(xiàn)迷宮式封嚴(yán)套筒涂層存在部分刮磨痕跡，深度0.066mm，其余部位未見(jiàn)異常。更換迷宮式封嚴(yán)套筒后進(jìn)行驗(yàn)收試車(chē)，磨合階段結(jié)束后正常停車(chē)，仍然發(fā)生轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象。

隨后，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)1039號(hào)機(jī)及1041號(hào)機(jī)進(jìn)行首次工廠試車(chē)，發(fā)生與1038號(hào)機(jī)相同的故障，返裝配中心分解檢查后，燃?xì)獍l(fā)生器單元體發(fā)現(xiàn)迷宮式封嚴(yán)套筒涂層存在刮磨痕跡，鼓筒軸上與涂層配合部位篦齒有涂層粘附，分解檢查其它單元體，無(wú)異?，F(xiàn)象，因此將故障問(wèn)題定位至鼓筒軸篦齒與迷宮式封嚴(yán)套筒存在刮磨。

2故障分析

2.1故障樹(shù)

本文采用故障樹(shù)分析方法進(jìn)行故障分析。根據(jù)故障現(xiàn)象建立故障樹(shù)如圖1所示。

X1：鼓筒軸篦齒尺寸;X2：迷宮式封嚴(yán)套筒尺寸;X3：迷宮式封嚴(yán)套筒小組件跳動(dòng);X4：涂層加工;X5：涂層成分;X6：涂層特種工藝

初步分析推測(cè)，由于鼓筒軸及迷宮封嚴(yán)套筒所在位置離前后軸承距離相對(duì)較大，加上迷宮封嚴(yán)套筒以懸臂方式安裝，在熱態(tài)較易發(fā)生變形，因此二者配合處可能發(fā)生刮磨現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡滯。

2.2故障排查

本文根據(jù)故障樹(shù)，通過(guò)分解檢查、與樣件對(duì)比、工藝復(fù)查、理化分析等手段進(jìn)行故障排查。

燃?xì)獍l(fā)生器單元體分解至零組件狀態(tài)，檢查迷宮式封嚴(yán)套筒涂層整圈嚴(yán)重磨損，最大深度約0.70mm，甚至磨損至鋼基;鼓筒軸后端7道篦齒齒尖有磨損痕跡，篦齒側(cè)面有涂層粘附，篦齒齒槽及齒尖有顆粒狀涂層粘附（具體情況見(jiàn)圖2）;燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器、燃?xì)鉁u輪葉片和自由渦輪導(dǎo)向器葉身均有涂層粘附。

2.2.1鼓筒軸篦齒尺寸檢查

按照鼓筒軸篦齒的圖樣要求即圖3，對(duì)比測(cè)量了國(guó)產(chǎn)件和樣件，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1測(cè)量結(jié)果看以看出，3件國(guó)產(chǎn)件測(cè)量結(jié)果均符合設(shè)計(jì)圖要求，但與樣件相比國(guó)產(chǎn)鼓筒軸篦齒齒尖較寬，1038號(hào)機(jī)為（0.54～0.59）mm，1037號(hào)機(jī)為（0.49～0.54）mm，1037號(hào)機(jī)為（0.44～0.50）mm，而樣機(jī)新件為（0.26～0.375）mm。工藝規(guī)程中規(guī)定了篦齒寬度為0.25?+0.15 ?-0.07mm，而國(guó)產(chǎn)鼓筒軸篦齒寬度為0.4自由公差。

2.2.2迷宮式封嚴(yán)套筒有關(guān)尺寸檢查

為對(duì)比國(guó)產(chǎn)迷宮封嚴(yán)套筒與樣機(jī)新件和科研批的差異，計(jì)量樣機(jī)新件，國(guó)產(chǎn)12-2批新件，1039故障件，1005科研批試驗(yàn)件各一件。經(jīng)對(duì)比可知，樣機(jī)新件Φ4氣孔內(nèi)壁孔口倒圓角0.2-0.3，國(guó)產(chǎn)件孔口無(wú)明顯倒圓角（如圖4）。其它尺寸國(guó)產(chǎn)件與樣機(jī)新件無(wú)明顯差異。具體情況見(jiàn)下表2。

2.2.3轉(zhuǎn)、靜子各部位跳動(dòng)

按要求對(duì)轉(zhuǎn)、靜子各部位跳動(dòng)進(jìn)行了檢查，結(jié)果均符合要求，各部位的跳動(dòng)值均在控制要求內(nèi)，無(wú)超差，可以排除因轉(zhuǎn)子跳動(dòng)超差偏磨的因素。

2.2.4迷宮式封嚴(yán)套筒的涂層加工質(zhì)量復(fù)查

復(fù)查入庫(kù)的8件迷宮式封嚴(yán)套筒噴涂原始記錄，8件零件噴涂前金相顯微試驗(yàn)，噴涂后超聲波檢查以及尺寸和外觀檢查均合格，其中有3件首次噴涂后超聲波檢查不合格曾進(jìn)行返修。返修采用車(chē)削加工去除原有涂層，車(chē)削后保證壁厚及相關(guān)尺寸要求，并重新噴涂。

經(jīng)復(fù)查，涂層加工過(guò)程受控，質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.5涂層成分分析

對(duì)1039號(hào)機(jī)、1005號(hào)機(jī)及樣機(jī)件迷宮式封嚴(yán)套筒涂層進(jìn)行了對(duì)比分析，經(jīng)分析可知，國(guó)產(chǎn)件迷宮式封嚴(yán)套筒涂層成分與樣機(jī)件涂層成分一致，涂層材料為底層NiAl20%+面層AlSi6%。另外，經(jīng)外觀檢查，國(guó)產(chǎn)件涂層部位呈金屬白亮色，樣機(jī)新件涂層部位呈淺棕色，從涂層顏色分析，樣機(jī)新件進(jìn)行了鉻酸鹽處理。

2.2.6涂層特種工藝分析

經(jīng)涂層冶金質(zhì)量分析可知，1005、1039以及樣機(jī)涂層孔隙率及未熔顆粒一致，孔隙率及未熔顆粒均小于2%，未熔顆粒最大尺寸小于5μm;1005與樣機(jī)涂層顯微硬度相當(dāng)（HV_0.1：27～40），1039顯微硬度相對(duì)較高（HV_0.1：33～62），分析認(rèn)為顯微硬度的差異與工作時(shí)間和工作溫度有關(guān)。

經(jīng)涂層冶金質(zhì)量分析可知，涂層質(zhì)量與樣機(jī)相當(dāng)，未見(jiàn)明顯差異，符合技術(shù)條件要求。

2.2.7小結(jié)

根據(jù)故障樹(shù)，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的定位分析，以及國(guó)產(chǎn)件與樣機(jī)件的差異對(duì)比，國(guó)產(chǎn)件迷宮式封嚴(yán)套筒、鼓筒軸有以下差異：

迷宮式封嚴(yán)套筒：在涂層成分分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)件涂層部位呈金屬白亮色，樣機(jī)新件涂層部位呈淺棕色，分析后可知樣件涂層部位有經(jīng)過(guò)鉻酸鹽處理。

鼓筒軸篦齒尺寸：國(guó)產(chǎn)件篦齒寬度0.4自由公差;樣機(jī)件篦齒寬度在0.26～0.375范圍內(nèi)。

3故障機(jī)理分析

綜合分析認(rèn)為，造成轉(zhuǎn)子卡滯模式為：試車(chē)過(guò)程中，未經(jīng)鉻酸鹽表面處理的涂層抗磨損與抗粘結(jié)性能差，迷宮式封嚴(yán)套筒涂層與鼓筒軸篦齒產(chǎn)生磨損，在篦齒上形成粘接，進(jìn)一步加劇涂層磨損及鼓筒軸篦齒的粘附堆積，進(jìn)而刮磨部位的溫度不斷升高，產(chǎn)生熔化現(xiàn)象，在篦齒兩側(cè)形成大量的粘附物，使篦齒的寬度增加，厚度加大，迷宮式封嚴(yán)套筒與鼓筒軸間隙逐漸較小甚至消失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度不斷減小，轉(zhuǎn)子余轉(zhuǎn)時(shí)間減少，出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。

分解檢查并進(jìn)行相關(guān)的質(zhì)量復(fù)查后，對(duì)故障原因進(jìn)行了定位和機(jī)理分析，根據(jù)該分析工廠進(jìn)行了驗(yàn)證試車(chē)及問(wèn)題復(fù)現(xiàn)，最終表明本次故障由以下幾個(gè)因素綜合形成：

（1）未經(jīng)鉻酸鹽處理的迷宮式封嚴(yán)套筒在試車(chē)過(guò)程中鼓筒軸篦齒容易發(fā)生粘結(jié)。

（2）鼓筒軸篦齒齒尖寬度尺寸較寬，使篦齒和涂層間摩擦阻力增大，加劇涂層磨損。

（3）迷宮式封嚴(yán)套筒和鼓筒軸配合單邊間隙偏下差，以及國(guó)產(chǎn)化小組件跳動(dòng)較混裝批略大，減少轉(zhuǎn)靜子之間的間隙，加大異常磨損的機(jī)率。

4排故措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)轉(zhuǎn)子卡滯的原因，制定了以下4條措施：

（1）更改迷宮式封嚴(yán)套筒進(jìn)行鉻酸鹽處理。

（2）更改鼓筒軸篦齒齒尖寬度，尺寸按0.40 ???-0.15mm。

（3）迷宮式封嚴(yán)套筒按設(shè)計(jì)要求對(duì)Ф4內(nèi)孔進(jìn)行R0.2～0.3倒角。

（4）迷宮式封嚴(yán)套筒與鼓筒軸篦齒單邊間隙按0.12～0.145控制，最小間隙不小于0.12。

按上述技術(shù)措施執(zhí)行，1005號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)換裝涂層經(jīng)鉻酸鹽處理的迷宮式封嚴(yán)套筒進(jìn)行了10小時(shí)驗(yàn)證時(shí)試車(chē)及分解檢查無(wú)異常，9臺(tái)份該型國(guó)產(chǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)工廠試車(chē)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象，分解檢查迷宮式封嚴(yán)套筒涂層部位輕微磨損（屬正常磨損），鼓筒軸篦齒上無(wú)粘附物，故障排除。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)故障樹(shù)分析，應(yīng)用分解檢查、與樣件對(duì)比、工藝復(fù)查、理化分析等手段，查明了轉(zhuǎn)子卡滯故障的主要原因在于迷宮式封嚴(yán)套筒未進(jìn)行鉻酸鹽處理及鼓筒軸篦齒齒尖寬度尺寸較寬。針對(duì)這些原因分別提出了合理的解決方案，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，方案可行，排除了故障。

參考文獻(xiàn)

[1] 周海京等.故障模式、影響及危害性分析與故障樹(shù)分析[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[2] 史定華等.故障樹(shù)分析技術(shù)方法和理論[M].北京師范大學(xué)出版社，1993.

收稿日期：2019-07-25

作者簡(jiǎn)介：李慈應(yīng)（1988—），男，福建泰寧人，碩士研究生，主管設(shè)計(jì)師，工程師，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。