航空用空氣渦輪起動機典型故障診斷分析

蔣聰，劉冕，熊欣，李皓冉

(中國航空工業(yè)集團有限公司 金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210006)

0 引言

隨著國內(nèi)航空發(fā)動機技術(shù)成熟，越來越多的軍用發(fā)動機逐步采用空氣渦輪起動機來替代燃氣渦輪起動機?？諝鉁u輪起動機的可靠性也越來越受到重視，研究其故障診斷意義重大，不僅可以對起動機的故障狀態(tài)、故障部位及原因作出及時且準確的判斷，還可以預(yù)防起動機潛在故障的發(fā)生，不僅降低了維修成本，也保證了飛機的出勤率。

目前，在航空用空氣渦輪起動機故障診斷中，我國起步較晚，且尚未有一套完善的故障診斷體系，同時使用的方法功能單一，診斷準確率較低[1]。因此建立用于軍民兩用航空用空氣渦輪起動機故障診斷的專家系統(tǒng)，使普通維修人員也可以獲得專家級的經(jīng)驗知識，以實現(xiàn)高效排故，是十分必要的。

1 故障診斷方法

本文以某型航空用空氣渦輪起動機為研究對象，采用故障樹分析法與基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法[2]，根據(jù)維修專家的經(jīng)驗和維修一線數(shù)據(jù)建立起動機故障樹，開展定性分析和研究，且重點集中在故障樹的建立和故障樹的定性分析[3]，為后續(xù)建立故障診斷系統(tǒng)積累樣本。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

某型空氣渦輪起動機是目前國內(nèi)體積最小、質(zhì)量最輕、渦輪轉(zhuǎn)速最高的單級渦輪起動機。正常工作時，一定壓力和溫度的壓縮氣體由進氣殼體進入起動機，起動機利用壓縮氣體膨脹作功，通過單級渦輪獲得軸功率，經(jīng)減速機構(gòu)和離合器傳遞功率，最終由輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動發(fā)動機起動。

3 典型故障診斷

3.1 故障統(tǒng)計

結(jié)合科研與維修一線數(shù)據(jù)，針對某型空氣渦輪起動機近10年的故障開展統(tǒng)計分類，見表1。

表1 故障統(tǒng)計表

從表1可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該型起動機故障的主要原因是輸出軸斷裂、渦輪失穩(wěn)碰擦和內(nèi)部異常磨損3種情況[4]。下文將針對這幾種情況開展故障樹的建立和定性分析。

3.2 輸出軸斷裂診斷

輸出軸是起動機與發(fā)動機附件機匣之間最重要的傳扭部件，是決定發(fā)動機能否正常點火啟動的關(guān)鍵部件之一。近年來隨著大量的配裝，輸出軸斷裂故障也成為航空用起動機故障診斷的重點。輸出軸斷裂通常有兩種原因，需要通過斷口形貌來判斷是瞬時過載斷裂(圖1)或是材料疲勞斷裂(圖2)。在確定斷口形貌后，再結(jié)合飛行參數(shù)曲線即可判斷故障原因是沖擊轉(zhuǎn)矩過大還是材料承扭能力不足。

圖1 過載韌窩形貌

圖2 疲勞斷裂形貌

航空旋轉(zhuǎn)類部件上普遍存在沖擊轉(zhuǎn)矩，瞬時沖擊轉(zhuǎn)矩過大是導(dǎo)致空氣渦輪起動機輸出軸斷裂最常見原因之一，同時過大的沖擊轉(zhuǎn)矩也將導(dǎo)致齒輪斷裂和離合器磨損等影響產(chǎn)品安全性的問題發(fā)生，在產(chǎn)品設(shè)計時沖擊轉(zhuǎn)矩的形成和預(yù)防也越來越受到重視[5]。

過大的瞬時沖擊轉(zhuǎn)矩來自于進氣壓力超調(diào)、起動系統(tǒng)傳動鏈齒側(cè)間隙、發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)的隨機性綜合作用。往往單一因素導(dǎo)致的沖擊轉(zhuǎn)矩?zé)o法達到足夠的斷軸量值，但綜合因素是可以達到的[6]。輸出軸在以上因素作用下發(fā)生的斷裂屬于保護起動機和發(fā)動機免受繼發(fā)破壞性質(zhì)的主動斷軸，斷裂位置在輸出軸設(shè)置的最薄弱位置。

根據(jù)以上的分析可以歸納出此類輸出軸斷裂故障診斷故障樹，如圖3所示。

圖3 輸出軸斷裂診斷故障樹

3.3 渦輪失穩(wěn)碰擦診斷

空氣渦輪起動機振動異常外在的直接表象就是渦輪失穩(wěn)碰擦，而導(dǎo)致整個系統(tǒng)失穩(wěn)最主要的振動源就是減速傳動機構(gòu)。目前國內(nèi)外空氣渦輪起動機的減速傳動機構(gòu)一般采用兩種形式，一種是類似圖4的偏置型簡單二級齒輪，另一種是類似圖5的行星齒輪。

圖4 偏置二級齒輪

圖5 行星齒輪

偏置二級齒輪減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，但其在低轉(zhuǎn)速條件下振動性能較差，而在高轉(zhuǎn)速條件下，采用行星齒輪系的減速傳動機構(gòu)對系統(tǒng)的振動特性有較高的要求，一旦該兩種減速機構(gòu)零件的結(jié)構(gòu)和制造精度存在偏差，都將會引發(fā)整個渦輪動力系統(tǒng)失穩(wěn)，繼而將導(dǎo)致渦輪葉片與外機匣嚴重的碰擦(圖6和圖7)，產(chǎn)生火花和卡滯[7]。

圖6 渦輪葉尖碰擦痕跡

圖7 外機匣碰擦痕跡

因此作為預(yù)判渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生碰擦的技術(shù)措施之一，在多型空氣渦輪起動機調(diào)試過程中均采用了M+P振動測量系統(tǒng)，并且通過判斷振動譜線(圖8)中的幅值點來尋找異常振動源。

圖8 某型起動機振動譜線(時域-加速度)

根據(jù)設(shè)計及維修經(jīng)驗可知，轉(zhuǎn)子組件軸系剛度、轉(zhuǎn)子動不平衡量超大、約束部件中軸線偏差、支承軸承徑向游隙過大和齒輪減速系統(tǒng)嚙合異常等因素均會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失穩(wěn)，據(jù)此編制此類故障的故障樹，如圖9所示。

圖9 渦輪失穩(wěn)碰擦故障樹

3.4 內(nèi)部異常磨損

空氣渦輪起動機通常有兩種潤滑方式：獨立潤滑和共享潤滑。獨立潤滑由于便于發(fā)現(xiàn)獨立LRU內(nèi)部潤滑條件、易于查找問題根源且不會污染其余部件而被廣泛應(yīng)用[8]。但獨立潤滑由于受內(nèi)部空間限制，滑油量通常較少，因此特別需要加強對滑油顏色、雜質(zhì)和消耗量的檢查。

若檢查發(fā)現(xiàn)滑油顏色發(fā)黑或消耗量大，則需要及時檢查起動機內(nèi)部是否發(fā)生異常磨損，因為滑油異常通常是嚴重故障發(fā)生的先兆，這是一個不易察覺且逐漸積累量變的過程，能最直觀表征這一問題的就是進行滑油雜質(zhì)分析[9]。

根據(jù)某型空氣渦輪起動機的檢查維修經(jīng)驗及滑油分析結(jié)果來判斷，導(dǎo)致異常磨損的主要原因一般有3種：動密封石墨磨損、齒輪齒面磨損和離合器楔塊及其配合面磨損。根據(jù)以上的分析可以歸納出故障診斷故障樹，如圖10所示。

圖10 內(nèi)部異常磨損故障樹

4 結(jié)語

本文以某型航空用空氣渦輪起動機為對象，通過收集其科研與生產(chǎn)一線大量的樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并歸納出其在使用中的幾種常見故障現(xiàn)象，針對輸出軸斷裂、渦輪失穩(wěn)碰擦和內(nèi)部異常磨損3種典型故障原因，剖析其形成機理和危害，并采用故障樹分析法開展定性分析和研究，為后續(xù)建立故障診斷系統(tǒng)積累樣本。