基于故障樹分析的發動機轉子卡滯故障分析

李慈應 葉靜 李姝霖

摘 ?要：本文介紹了某航空發動機出廠驗收試驗過程中的燃氣發生器轉子卡滯故障及其解決措施。通過分解檢查，并結合故障樹分析及復查，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過了試驗驗證。

關鍵詞：渦軸發動機;燃氣發生器;轉子卡滯;故障樹

中圖分類號：V263?文獻標識碼： A ???文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

故障樹分析法，簡稱為FTA，又稱為失效樹分析法，是一種以故障樹為工具，分析系統發生故障的各種途徑，對系統的安全性或可靠性進行評價的一種圖形演繹方法^[1]。FTA已被國內外公認為是一種對復雜系統進行安全性和可靠性分析的一種好方法^[2]。

本文針對某型航空發動機在試車過程中發生燃氣發生器轉子卡滯故障，通過故障樹分析，結合分解檢查等工作查明了故障產生的具體原因，提出了技術解決措施，貫徹措施后進行了試驗驗證，最終排除了故障。

1故障現象

某型渦軸發動機1038號機進行首次工廠試車磨合階段結束后正常停車，燃氣發生器轉子余轉時間較正常停車時間減少6s，試車員扳轉燃氣發生器轉子發現轉子卡滯。待發動機冷卻后返裝配中心分解檢查發現迷宮式封嚴套筒涂層存在部分刮磨痕跡，深度0.066mm，其余部位未見異常。更換迷宮式封嚴套筒后進行驗收試車，磨合階段結束后正常停車，仍然發生轉子卡滯現象。

隨后，對該型發動機1039號機及1041號機進行首次工廠試車，發生與1038號機相同的故障，返裝配中心分解檢查后，燃氣發生器單元體發現迷宮式封嚴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，無異常現象，因此將故障問題定位至鼓筒軸篦齒與迷宮式封嚴套筒存在刮磨。

2故障分析

2.1故障樹

本文采用故障樹分析方法進行故障分析。根據故障現象建立故障樹如圖1所示。

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

初步分析推測，由于鼓筒軸及迷宮封嚴套筒所在位置離前后軸承距離相對較大，加上迷宮封嚴套筒以懸臂方式安裝，在熱態較易發生變形，因此二者配合處可能發生刮磨現象，導致轉子卡滯。

2.2故障排查

本文根據故障樹，通過分解檢查、與樣件對比、工藝復查、理化分析等手段進行故障排查。

燃氣發生器單元體分解至零組件狀態，檢查迷宮式封嚴套筒涂層整圈嚴重磨損，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（具體情況見圖2）;燃氣渦輪導向器、燃氣渦輪葉片和自由渦輪導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，對比測量了國產件和樣件，結果見表1。

從表1測量結果看以看出，3件國產件測量結果均符合設計圖要求，但與樣件相比國產鼓筒軸篦齒齒尖較寬，1038號機為（0.54～0.59）mm，1037號機為（0.49～0.54）mm，1037號機為（0.44～0.50）mm，而樣機新件為（0.26～0.375）mm。工藝規程中規定了篦齒寬度為0.25?+0.15 ?-0.07mm，而國產鼓筒軸篦齒寬度為0.4自由公差。

2.2.2迷宮式封嚴套筒有關尺寸檢查

為對比國產迷宮封嚴套筒與樣機新件和科研批的差異，計量樣機新件，國產12-2批新件，1039故障件，1005科研批試驗件各一件。經對比可知，樣機新件Φ4氣孔內壁孔口倒圓角0.2-0.3，國產件孔口無明顯倒圓角（如圖4）。其它尺寸國產件與樣機新件無明顯差異。具體情況見下表2。

2.2.3轉、靜子各部位跳動

按要求對轉、靜子各部位跳動進行了檢查，結果均符合要求，各部位的跳動值均在控制要求內，無超差，可以排除因轉子跳動超差偏磨的因素。

2.2.4迷宮式封嚴套筒的涂層加工質量復查

復查入庫的8件迷宮式封嚴套筒噴涂原始記錄，8件零件噴涂前金相顯微試驗，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行返修。返修采用車削加工去除原有涂層，車削后保證壁厚及相關尺寸要求，并重新噴涂。

經復查，涂層加工過程受控，質量符合標準要求。

2.2.5涂層成分分析

對1039號機、1005號機及樣機件迷宮式封嚴套筒涂層進行了對比分析，經分析可知，國產件迷宮式封嚴套筒涂層成分與樣機件涂層成分一致，涂層材料為底層NiAl20%+面層AlSi6%。另外，經外觀檢查，國產件涂層部位呈金屬白亮色，樣機新件涂層部位呈淺棕色，從涂層顏色分析，樣機新件進行了鉻酸鹽處理。

2.2.6涂層特種工藝分析

經涂層冶金質量分析可知，1005、1039以及樣機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與樣機涂層顯微硬度相當（HV_0.1：27～40），1039顯微硬度相對較高（HV_0.1：33～62），分析認為顯微硬度的差異與工作時間和工作溫度有關。

經涂層冶金質量分析可知，涂層質量與樣機相當，未見明顯差異，符合技術條件要求。

2.2.7小結

根據故障樹，通過對問題的定位分析，以及國產件與樣機件的差異對比，國產件迷宮式封嚴套筒、鼓筒軸有以下差異：

迷宮式封嚴套筒：在涂層成分分析時，發現國產件涂層部位呈金屬白亮色，樣機新件涂層部位呈淺棕色，分析后可知樣件涂層部位有經過鉻酸鹽處理。

鼓筒軸篦齒尺寸：國產件篦齒寬度0.4自由公差;樣機件篦齒寬度在0.26～0.375范圍內。

3故障機理分析

綜合分析認為，造成轉子卡滯模式為：試車過程中，未經鉻酸鹽表面處理的涂層抗磨損與抗粘結性能差，迷宮式封嚴套筒涂層與鼓筒軸篦齒產生磨損，在篦齒上形成粘接，進一步加劇涂層磨損及鼓筒軸篦齒的粘附堆積，進而刮磨部位的溫度不斷升高，產生熔化現象，在篦齒兩側形成大量的粘附物，使篦齒的寬度增加，厚度加大，迷宮式封嚴套筒與鼓筒軸間隙逐漸較小甚至消失，導致發動機停車過程中，轉子轉動速度不斷減小，轉子余轉時間減少，出現卡滯現象。

分解檢查并進行相關的質量復查后，對故障原因進行了定位和機理分析，根據該分析工廠進行了驗證試車及問題復現，最終表明本次故障由以下幾個因素綜合形成：

（1）未經鉻酸鹽處理的迷宮式封嚴套筒在試車過程中鼓筒軸篦齒容易發生粘結。

（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）迷宮式封嚴套筒和鼓筒軸配合單邊間隙偏下差，以及國產化小組件跳動較混裝批略大，減少轉靜子之間的間隙，加大異常磨損的機率。

4排故措施及試驗驗證

針對轉子卡滯的原因，制定了以下4條措施：

（1）更改迷宮式封嚴套筒進行鉻酸鹽處理。

（2）更改鼓筒軸篦齒齒尖寬度，尺寸按0.40 ???-0.15mm。

（3）迷宮式封嚴套筒按設計要求對Ф4內孔進行R0.2～0.3倒角。

（4）迷宮式封嚴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。

按上述技術措施執行，1005號發動機換裝涂層經鉻酸鹽處理的迷宮式封嚴套筒進行了10小時驗證時試車及分解檢查無異常，9臺份該型國產化發動機工廠試車過程中未發現轉子卡滯現象，分解檢查迷宮式封嚴套筒涂層部位輕微磨損（屬正常磨損），鼓筒軸篦齒上無粘附物，故障排除。

5結語

本文通過故障樹分析，應用分解檢查、與樣件對比、工藝復查、理化分析等手段，查明了轉子卡滯故障的主要原因在于迷宮式封嚴套筒未進行鉻酸鹽處理及鼓筒軸篦齒齒尖寬度尺寸較寬。針對這些原因分別提出了合理的解決方案，經試驗驗證，方案可行，排除了故障。

參考文獻

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

[2] 史定華等.故障樹分析技術方法和理論[M].北京師范大學出版社，1993.

收稿日期：2019-07-25

作者簡介：李慈應（1988—），男，福建泰寧人，碩士研究生，主管設計師，工程師，研究方向：發動機總體結構設計。