直升機(jī)發(fā)動機(jī)滑油中金屬屑在線處置系統(tǒng)設(shè)計

陳 濤

(中航工業(yè) 哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán) 有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

直升機(jī)發(fā)動機(jī)滑油中金屬屑在線處置系統(tǒng)設(shè)計

陳 濤

(中航工業(yè) 哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán) 有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

滑油中金屬屑監(jiān)控和在線處置已成為保障國內(nèi)外新一代發(fā)動機(jī)健康運(yùn)轉(zhuǎn)的主要技術(shù)手段。通過脈沖電流技術(shù)，研制一種儲能裝置和燒蝕裝置，實現(xiàn)直升機(jī)發(fā)動機(jī)滑油中正常磨損金屬屑在線處置能力。通過直升機(jī)飛行中控制程序，減少金屬屑虛警率，確保發(fā)動機(jī)健康高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。填補(bǔ)了國內(nèi)直升機(jī)發(fā)動機(jī)滑油中金屬屑在線處置技術(shù)的空白。

直升機(jī)； 發(fā)動機(jī)； 金屬屑； 在線處置

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)滑油中的金屬屑包含大量反映工作狀態(tài)的信息，滑油中金屬屑監(jiān)控和在線處置已成為保障國內(nèi)外新一代發(fā)動機(jī)健康運(yùn)轉(zhuǎn)的主要技術(shù)手段。金屬屑監(jiān)控能夠為發(fā)動機(jī)的健康診斷系統(tǒng)監(jiān)控中心提供實時數(shù)據(jù)，提供隱藏在發(fā)動機(jī)內(nèi)的深層損傷信息，同時對磨損狀態(tài)進(jìn)行趨勢分析、預(yù)警和在線處置，確保發(fā)動機(jī)健康高效地運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

發(fā)動機(jī)金屬屑在線處置技術(shù)在國內(nèi)航空上尚屬空白。國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)，發(fā)動機(jī)磨損狀況主要通過金屬屑告警以及工作滑油定期檢測來進(jìn)行預(yù)防和維修。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，直升機(jī)上發(fā)動機(jī)約70 %以上的金屬屑告警為虛報警，主要為正常磨損的金屬屑產(chǎn)生聚積所造成。目前，國內(nèi)軍民用直升機(jī)發(fā)動機(jī)金屬屑主要采用磁性探測技術(shù)，該探測技術(shù)只能完成直升機(jī)上發(fā)動機(jī)金屬屑的探測和輸出告警信息，不具備金屬屑在線處置能力。磁性探測技術(shù)一般需要與滑油光譜分析技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行金屬屑離線檢測，離線檢測方法周期長、成本高、測定方法繁瑣，人為因素影響大[2]。

直升機(jī)在飛行過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)金屬屑含量達(dá)到一定程度后發(fā)出告警信息，按應(yīng)急程序直升機(jī)應(yīng)單發(fā)飛行，盡快著陸，地面進(jìn)行離線檢測和滑油光譜分析等維護(hù)工作，嚴(yán)重影響了直升機(jī)使用安全性和戰(zhàn)訓(xùn)能力。

本文設(shè)計直升機(jī)發(fā)動機(jī)滑油中金屬屑采用在線處置系統(tǒng)，主要目的是在直升機(jī)使用過程中，對發(fā)動機(jī)正常磨損的金屬屑進(jìn)行在線燒蝕，消除告警信息，有效降低發(fā)動機(jī)金屬屑虛警率，從而保證直升機(jī)安全性和使用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計邏輯

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。其中，脈沖儲能裝置安裝在駕駛艙儀表板上，并由綜顯系統(tǒng)控制。燒蝕裝置、探測傳感器為一體化設(shè)計，與發(fā)動機(jī)連接。探測傳感器監(jiān)控發(fā)動機(jī)滑油中金屬屑，通過綜顯系統(tǒng)輸出金屬屑告警。燒蝕裝置接受脈沖儲能裝置的脈沖電流后，對金屬屑進(jìn)行燒蝕。燒蝕處置開關(guān)安裝在駕駛艙控制開關(guān)板上，當(dāng)金屬屑告警后，機(jī)組人員按程序操作燒蝕處置開關(guān)，燒蝕處置開關(guān)可自動復(fù)位。金屬屑告警在綜顯系統(tǒng)上顯示。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

脈沖儲能裝置主要技術(shù)參數(shù)為：1)放電電容值：270～330 μF；2)工作電壓：28 VDC。燒蝕裝置主要技術(shù)參數(shù)為：1)金屬屑燒蝕過程中，最大電流8 A，持續(xù)時間300 ms，峰值電流20 A，持續(xù)時間1 ms；2)金屬屑燒蝕工作時，能夠至少燒蝕直徑正常磨損的鐵屑，而不能燒蝕直徑非正常磨損的鐵屑。

燒蝕處置開關(guān)主要技術(shù)特征為：兩臺發(fā)動機(jī)對應(yīng)的兩位開關(guān)、具有復(fù)位功能。直升機(jī)上布置主要技術(shù)特征為：1)燒蝕裝置與探測傳感器一體設(shè)計，并安裝在發(fā)動機(jī)本體上，與工作滑油循環(huán)區(qū)域接觸；2)脈沖儲能裝置與燒蝕裝置分離設(shè)計，安裝在駕駛艙儀表上，并由綜合顯示系統(tǒng)控制。

直升機(jī)上控制程序主要技術(shù)特征為：1)燒蝕處置開關(guān)為人工手動控制；2)直升機(jī)同一飛行過程中，可兩次執(zhí)行金屬屑在線處置；3)綜顯系統(tǒng)記錄金屬屑燒蝕次數(shù)。

1.3 機(jī)上控制程序

直升機(jī)發(fā)動機(jī)金屬屑在線處置系統(tǒng)在直升機(jī)上的控制程序為：直升機(jī)地面狀態(tài)，機(jī)載系統(tǒng)接通電源后，脈沖儲能裝置充電儲能；當(dāng)發(fā)動機(jī)起動以及飛行過程中，探測傳感器監(jiān)控到金屬屑，發(fā)出金屬屑告警時，駕駛員操作燒蝕處置開關(guān)，綜顯系統(tǒng)控制脈沖儲能裝置輸入脈沖信號300 ms給燒蝕裝置，進(jìn)行金屬屑燒蝕。綜顯做記錄金屬屑燒蝕次數(shù)。

直升機(jī)同一飛行過程中，允許兩次金屬屑告警后的燒蝕操作：出現(xiàn)第一次金屬屑告警后，對燒蝕處置開關(guān)操作一次，金屬屑告警熄滅，則直升機(jī)繼續(xù)飛行，如金屬屑告警不熄滅，直升機(jī)盡快著陸；繼續(xù)飛行過程中，出現(xiàn)第二次金屬屑告警，則重復(fù)第一次操作步驟。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 探測傳感器

探測傳感器主要由殼體組件、探測頭組件、密封圈等組成。當(dāng)探測頭從殼體組件中拔出后，殼體組件中的自封活門在彈簧壓力的作用下與殼體密封面相接觸，從而起到自密封的作用[3]。

2.2 脈沖儲能裝置和燒蝕裝置

脈沖儲能裝置和燒蝕裝置進(jìn)行分離設(shè)計，脈沖儲能裝置安裝在直升機(jī)綜顯系統(tǒng)上。技術(shù)上采用了模塊化設(shè)計，主要由儲能模塊、燒蝕模塊、控制邏輯電路，分別實現(xiàn)儲能、燒蝕、報警功能。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

產(chǎn)品在探測頭吸附小顆粒金屬屑時，導(dǎo)通電路進(jìn)行燒蝕，斷開電路，不產(chǎn)生報警信號；探測頭吸附大顆粒金屬屑時，不能燒蝕斷開，導(dǎo)通電路產(chǎn)生報警信號。基于以上工作機(jī)理，系統(tǒng)采用RC充放電電路，電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖Fig 2 Principle diagram of circuit

4 機(jī)上控制電氣設(shè)計

直升機(jī)上控制的電氣設(shè)計如圖3所示。

圖3 直升機(jī)上電氣控制原理Fig 3 Principle diagram of electrical control for helicopter

4.1 金屬屑探測

正常狀態(tài)，左發(fā)金屬屑傳感器探測部位未累積金屬屑，座艙顯示系統(tǒng)的左發(fā)金屬屑告誡信息輸入接口接收到開路信號，CAS信息窗口無指示。

當(dāng)左發(fā)金屬屑傳感器探測部位累計足夠量金屬屑時，通過繼電器常閉觸點(diǎn)的連通，座艙顯示系統(tǒng)的左發(fā)金屬屑告誡信息輸入接口接收到地信號，在座艙顯示系統(tǒng)的CAS信息頁面顯示琥珀色“L ENG CHIP”告誡信息。

4.2 金屬屑燒蝕

當(dāng)左發(fā)金屬屑傳感器探測到足夠量金屬屑，激發(fā)“L ENG CHIP”告誡時，將頂部開關(guān)板上的“CHIP BURN”開關(guān)扳動到“L ENG”位置后松開，開關(guān)手柄自動回彈到“OFF”位置。座艙顯示系統(tǒng)的左發(fā)燒蝕命令接口接收到瞬間的地信號，左發(fā)燒蝕控制接口隨即輸出地信號，接通繼電器的線圈供電，繼電器工作斷開常閉觸點(diǎn)，接通長開觸點(diǎn)。由于長閉觸點(diǎn)斷開，座艙顯示系統(tǒng)的左發(fā)金屬屑告誡信息輸入接口接收到開路信號，CAS信息窗口“L ENG CHIP”琥珀色告誡信息消失。由于常開觸點(diǎn)接通，電容放電產(chǎn)生大電流，對左發(fā)金屬屑傳感器探測部位的金屬屑進(jìn)行燒蝕。

執(zhí)行左發(fā)金屬屑燒蝕后，座艙顯示系統(tǒng)的左發(fā)燒蝕控制接口輸出由地信號轉(zhuǎn)換為開路，繼電器線圈供電斷開，繼電器停止工作，常閉觸點(diǎn)接通，常開觸點(diǎn)斷開。左發(fā)金屬

屑探測線路恢復(fù)，如告誡狀態(tài)依然存在，則座艙顯示系統(tǒng)的CAS信息頁面顯示琥珀色“L ENG CHIP”告誡信息，如告誡狀態(tài)消失，則座艙顯示系統(tǒng)的CAS信息頁面不會顯示“L ENG CHIP”告誡信息。由于常開觸點(diǎn)接通，電容的充電線路恢復(fù)，開始充電，為下一次燒蝕做準(zhǔn)備。

5 機(jī)上應(yīng)急處置程序

直升機(jī)飛行過程中，發(fā)動機(jī)金屬屑告警后故障處理的應(yīng)急程序見圖4。發(fā)動機(jī)工作滑油中金屬屑絕大多數(shù)為正常磨損所產(chǎn)生，從故障處理應(yīng)急程序可以看出，金屬屑在線燒蝕功能，可以大大提高直升機(jī)的持續(xù)飛行時間，不會因為發(fā)動機(jī)正常磨損而妨礙直升機(jī)正常作業(yè)任務(wù)[6～8]。

圖4 直升機(jī)應(yīng)急程序Fig 4 Emergence program for helicopter

6 結(jié) 論

直升機(jī)發(fā)動機(jī)采用金屬屑在線處置系統(tǒng)尤其適用高原地區(qū)使用的直升機(jī)。我國高原地區(qū)地域遼闊，其高原環(huán)境對直升機(jī)使用影響非常大，尤其長期低溫條件下起動，對直升機(jī)上發(fā)動機(jī)的磨損相當(dāng)嚴(yán)重，其磨損量占發(fā)動機(jī)總使用磨損量50 %～70 %，所以，高原地區(qū)飛行的直升機(jī)發(fā)動機(jī)金屬屑告警頻率較大，對直升機(jī)使用影響較大[4，5]。

發(fā)動機(jī)金屬屑在線處置技術(shù)在國內(nèi)航空上尚屬空白，該系統(tǒng)成功研發(fā)可以直接應(yīng)用于軍民用直升機(jī)發(fā)動機(jī)上健康診斷系統(tǒng)。目前，國內(nèi)自主研發(fā)的航空發(fā)動機(jī)均可以進(jìn)行原有金屬屑監(jiān)控技術(shù)改造，增加在線燒蝕功能，可有效提高現(xiàn)役直升機(jī)的出勤率。

[1] 鄧先偉，周 強(qiáng)，馮玉學(xué)，等.HB5883—85磁性屑末檢測器通用技術(shù)條件[S].

[2] 蔣新桐，施學(xué)明，許祖興，等.飛機(jī)設(shè)計手冊 直升機(jī)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005：994-995.

[3] 聶 鵬，韓 嬌，徐 濤，等.滑油金屬磨屑在線電磁檢測傳感器的仿真研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016(3)： 4-6.

[4] 裴 鑫，香承虎，劉亞巍.直升機(jī)在高原地區(qū)使用特點(diǎn)分析[C]∥第二十八屆全國直升機(jī)年會，上虞：中國航空學(xué)會，2012：1348-1350.

[5] 胡國橋，魏 峰，潘寒盡.高原直升機(jī)軍事需求問題研究[C]∥第二十六屆全國直升機(jī)年會，西安：中國航空學(xué)會，2010：34-36.

Design of chip on-line disposal system of helicopter engine oil

CHEN Tao

(Harbin Aircraft Industry Group Co Ltd，Aviation Industry of China,Harbin 150066,China)

Oil chip monitoring and on-line disposal is principally technical means for new generation of engine security at home and abroad.Through impulse current technology，develop a reserve device and ablation device，achieve on-line disposal ability of normal abrasion chip in helicopter engine oil.Through control procedure of helicopter flight，reduce false alarm rate of chip，ensure engine work healthily and high efficiently.Fill in a gap in chip on-line disposal technology for helicopter engine oil.

helicopter； engine； chip； on-line disposal

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0107—02

2016—05—16

V 228

B

1000—9787(2016)07—0107—02

陳 濤(1975-)，男，遼寧清原人，碩士，高級工程師，主要從事飛機(jī)動力裝置設(shè)計和應(yīng)用工作。