通用航空飛機(jī)動力裝置的故障樹模型診斷分析

李志民

摘要：近幾年國內(nèi)航空業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是通用航空領(lǐng)域突飛猛進(jìn)，活塞發(fā)動機(jī)在通用航空領(lǐng)域扮演著尤為重要的角色。飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)與其他機(jī)械發(fā)動機(jī)相比較由于飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)長期處在極端苛刻的環(huán)境下工作，發(fā)生故障不可避免。而發(fā)動機(jī)的故障頻率直接決定了是否能安全、高效地保障運(yùn)行。飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)如果出現(xiàn)故障不光是影響高效安全運(yùn)行，還可能發(fā)生更為嚴(yán)重飛行事故。所以，建立發(fā)動機(jī)的故障樹模型，通過對故障樹模型分析很好的提高了發(fā)現(xiàn)和排除飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障效率。本文首先簡要介紹該發(fā)動機(jī)故障種類及各自工作特點(diǎn)，再通過故障樹模型舉例出飛機(jī)發(fā)動機(jī)的幾條典型的故障分析。這些介紹對飛機(jī)發(fā)動機(jī)的日常維護(hù)和故障排除有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)發(fā)動機(jī);故障樹;故障樹模型

0 ?引言

飛機(jī)發(fā)動機(jī)是一種將燃料具備的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，屬于熱機(jī)范疇。只是應(yīng)用在飛機(jī)上，對發(fā)動機(jī)性能的要求更高，必須滿足飛機(jī)對發(fā)動機(jī)嚴(yán)苛工作環(huán)境的要求。目前，發(fā)動機(jī)分為兩大類型：航空活塞發(fā)動機(jī)和航空噴氣發(fā)動機(jī)。本文主要研究的是屬于廣泛應(yīng)用在通用航空領(lǐng)域的飛機(jī)活塞汽油發(fā)動機(jī)。

飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)是一種四行程、電火花點(diǎn)火、往復(fù)式的汽油內(nèi)燃機(jī)。目前，主要用在輕型低速飛機(jī)上。由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的工作對飛機(jī)的性能、飛行安全和效益起著決定性作用，而且在通航領(lǐng)域大多數(shù)為輕型飛機(jī)，操縱的大多是初學(xué)者，操縱方法的不恰當(dāng)容易對發(fā)動機(jī)造成損傷。所以飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)應(yīng)滿足的基本性能要求：充足功率、較低的燃油消耗率、較小的尺寸、可靠的性能、較長的使用壽命、簡單的維護(hù)方式等[1]。

1 ?飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)的基本組成

裝有活塞式汽油發(fā)動機(jī)的飛機(jī)，起飛的動力是由螺旋槳提供的，所以飛機(jī)的推進(jìn)裝置是螺旋槳。發(fā)動機(jī)和螺旋槳就組成了整個飛機(jī)的動力裝置。本文里著重介紹航空飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)的典型故障。航空活塞發(fā)動機(jī)是由一部分主要部件加上各個分管工作系統(tǒng)合起來組成的。

1.1 發(fā)動機(jī)的主要部件

飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)的主要內(nèi)部件有活塞體、連桿、機(jī)匣、氣門機(jī)構(gòu)、曲軸、氣缸本體等。

氣缸：氣缸是提供給燃料進(jìn)行燃燒并將產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的地方。

活塞：活塞在氣缸內(nèi)部作直線往復(fù)運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換?；钊w上環(huán)繞著兩圈刮油環(huán)和一圈擋油環(huán)，油環(huán)和活塞組成一體來避免機(jī)匣內(nèi)的潤滑油在活塞運(yùn)動時流往氣缸的燃燒室里面去。

連桿：桿連接曲軸與活塞，傳遞能量。將活塞在氣缸內(nèi)做的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動，并帶動齒輪使磁電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生高壓電傳遞給電嘴生成電火花點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的混合氣，完成整個循環(huán)。連桿是受力件，由連合金鋼制成。

曲軸：曲軸由連桿將活塞往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的圓周運(yùn)動，從而帶動螺旋槳和磁電機(jī)。曲軸也是受力件。

氣門：氣門分為進(jìn)氣門和排氣門，有效的控制進(jìn)、排氣門的開關(guān)才能保證準(zhǔn)時的將霧化好的燃油混合氣送達(dá)到氣缸內(nèi)并準(zhǔn)時的將燃燒后的廢氣排出氣缸外。并且氣門設(shè)計(jì)為早開晚關(guān)的形式來讓燃料更充分地燃燒，廢氣更完全的排出，從而提高整個發(fā)動機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性，氣門是連同推桿套、搖臂、推桿、氣門彈簧等一起組成氣門機(jī)構(gòu)的一部分。

機(jī)匣：相當(dāng)于是一臺發(fā)動機(jī)的身體，用來安裝每個氣缸和各種部附件，承載曲軸和傳遞拉力，將發(fā)動機(jī)上所有的部附件組合起來，組成一個完整的發(fā)動機(jī)，并且還為潤滑油提供儲存場所的地方。機(jī)匣使用耐高溫的高強(qiáng)度鋁合金或鋁鎂合金制成[2]。

1.2 飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)的各個工作系統(tǒng)

要讓發(fā)動機(jī)能夠正常工作，除了上面提到的主要部件外，還需要依靠飛機(jī)發(fā)動機(jī)上面的各種工作系統(tǒng)。

飛機(jī)燃油系統(tǒng)：燃油系統(tǒng)功能主要是存放足量的航空燃油并在飛行狀態(tài)中向所需要的系統(tǒng)提供連續(xù)的、適量的、霧化好的、干凈的飛機(jī)發(fā)動機(jī)燃料。

點(diǎn)火控制系統(tǒng)：要使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力，首先需要使氣缸內(nèi)霧化的混合氣被點(diǎn)燃?，F(xiàn)代飛機(jī)活塞式汽油發(fā)動機(jī)點(diǎn)火所使用的汽油燃料主要是航空汽油，點(diǎn)火的方式一般是電嘴點(diǎn)火。目前飛機(jī)活塞式汽油發(fā)動機(jī)都主要是通過利用高壓電火花來對氣缸內(nèi)的汽油混合氣點(diǎn)火。由于每一次啟動都需要點(diǎn)一次火，因此，點(diǎn)火控制系統(tǒng)的啟動穩(wěn)定性將直接影響發(fā)動機(jī)的工作功率、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，關(guān)系著飛機(jī)發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和啟動工作是否成功。點(diǎn)火控制系統(tǒng)對于現(xiàn)代活塞式汽油發(fā)動機(jī)的使用具有十分重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。

滑油系統(tǒng)：飛機(jī)活塞發(fā)動機(jī)里面互相接觸的零部件在工作時會產(chǎn)生摩擦。零件產(chǎn)生的摩擦不僅使部分零件磨損，還降低了發(fā)動機(jī)的輸出功率，從而造成發(fā)動機(jī)的使用時間變短，甚至?xí)斐砂l(fā)動機(jī)損壞?；拖到y(tǒng)的作用就是把符合粘度要求的純凈的滑油輸送到各個摩擦的零件表面去，讓發(fā)動機(jī)的機(jī)件能夠得到充分的潤滑和冷卻，來減小摩擦消耗的功率、減少機(jī)件的磨損，提高發(fā)動機(jī)的輸出功率，延長使用時間且保證工作正常。

冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)的功用是讓氣缸的部分熱量散發(fā)，確保氣缸溫度正常，以及通過導(dǎo)風(fēng)板和滑油散熱器對循環(huán)的滑油進(jìn)行冷卻。

啟動系統(tǒng)：發(fā)動機(jī)的啟動是指發(fā)動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到慢車狀態(tài)再到工作狀態(tài)。啟動系統(tǒng)的功用就是在空中或地面使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定可靠地啟動起來。啟動系統(tǒng)工作的好壞，工作是否可靠，直接關(guān)系到飛機(jī)能否及時起飛，同時對飛行安全也有密切的關(guān)系[3]。

2 ?各工作系統(tǒng)的典型故障

滑油系統(tǒng)典型故障：滑油系統(tǒng)主要問題多數(shù)為滑油壓力過高或過低，機(jī)匣密封不嚴(yán)滲油導(dǎo)致的滑油消耗量高，冷卻系統(tǒng)散熱不良以及活塞套件密封不嚴(yán)高溫燃?xì)飧Z出引起的滑油溫度偏高等。

燃油系統(tǒng)典型故障：起動注油困難，燃油流量不穩(wěn)定，燃油調(diào)節(jié)過富油，天氣溫度影響過貧或過富油，油箱的容積誤差大等。

點(diǎn)火系統(tǒng)典型故障：電嘴間隙偏大會引起擊穿電壓增大，造成點(diǎn)火困難，甚至不點(diǎn)火。電嘴的間隙偏小，電火花的強(qiáng)度減小，不產(chǎn)生電火花。磁電機(jī)本體故障，磁電機(jī)電容損壞，沖擊聯(lián)軸器彈簧斷裂等。高壓導(dǎo)線銹蝕破損發(fā)生漏電，電嘴點(diǎn)火電壓低等情況都會影響導(dǎo)電性能等。

冷卻系統(tǒng)典型故障：氣缸散熱片變形和裂紋，滑油散熱器風(fēng)網(wǎng)堵塞，導(dǎo)風(fēng)板斷裂，導(dǎo)風(fēng)板膠皮脫落等。啟動系統(tǒng)典型故障：由于手法不正確或重復(fù)操作啟動按鈕造成打齒，脫開機(jī)構(gòu)損壞造成的啟動后齒輪未脫開，輸入導(dǎo)線松動導(dǎo)致啟動乏力，本體內(nèi)部零件損壞以至于起動機(jī)不工作等。

主要機(jī)件典型故障：進(jìn)氣壓力不足，活塞漲圈密封不嚴(yán)，連桿受力彎曲，氣門卡阻，機(jī)匣漏油，缸體散熱片變形裂紋，連接部件松動等。

3 ?故障樹模型建立

由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)相對復(fù)雜，并且具有潤滑、燃油、啟動、點(diǎn)火和冷卻等系統(tǒng)，所以對發(fā)動機(jī)故障的定位相對比較困難，每一個系統(tǒng)的非正常問題都可能引起多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)異常，而一個系統(tǒng)不正常或失效很可能是由多個系統(tǒng)的損壞造成的。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的故障是在實(shí)際故障現(xiàn)象和工作人員的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，分化每個系統(tǒng)的部件以及子部件，讓故障清晰化明朗化，所以采用故障樹模型來分析可以提高診斷故障的準(zhǔn)確率和排除故障的效率[4]。發(fā)動機(jī)常見的故障有：滑油壓力低、燃油過富油、電嘴積鉛掛油短路不點(diǎn)火、啟動困難、散熱不均勻、進(jìn)氣壓力不足、氣門卡阻、機(jī)匣密封不嚴(yán)漏油等[5]。建立故障樹模型可以讓維修人員從基本的故障現(xiàn)象入手，順向或者逆向的推斷出每一個故障的準(zhǔn)確位置。有效的提高維修排故的效率，使飛機(jī)能安全高效的投入到運(yùn)行中去。以發(fā)動機(jī)抖動故障為例，故障樹模型的建立如圖1所示。

4 ?結(jié)語

飛機(jī)活塞式發(fā)動機(jī)的各個系統(tǒng)故障可能有多種原因。實(shí)踐表明，通過建立故障樹模型，則可以將造成故障的原因基本列舉出來，這樣有助于我們更好的熟悉發(fā)動機(jī)的每個系統(tǒng)，熟練的掌握系統(tǒng)故障發(fā)生的規(guī)律和特點(diǎn)，讓普通維修人員在工作中能利用較短時間準(zhǔn)確的完成發(fā)動機(jī)的排故工作。故障樹模型分析法應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)排故對保證飛行安全具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)軍.基于故障樹分析法的航空活塞發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[2]Cessna172R飛機(jī)機(jī)型培訓(xùn)教材.廣漢：中國民航飛行學(xué)院機(jī)務(wù)處，2007.

[3]趙廷渝，李衛(wèi)東.航空活塞動力裝置.廣漢：中國民航飛行學(xué)院，1999.

[4]史定華.故障樹分析技術(shù)方法和理論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1999.

[5]《航空活塞發(fā)動機(jī)維修經(jīng)驗(yàn)匯編》，中國民用航空飛行學(xué)院機(jī)務(wù)處.