某型ATS上極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效分析

張國浩 史鑫垚

摘 要：為了找出空氣渦輪起動(dòng)機(jī)上極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效的原因，首先對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，得出可能原因?yàn)榕渲貕K與活塞桿、外座之間搭接間隙增大了。分解檢查后對(duì)該裝置進(jìn)行了尺寸計(jì)量及相關(guān)表面硬度進(jìn)行了檢測(cè)，從而分析出失效原因。接下來，根據(jù)尺寸計(jì)量的結(jié)果建立了三維實(shí)體模型，將模型按特定位置進(jìn)行裝配，測(cè)出了兩個(gè)特定位置處的搭接間隙，將其與配重塊長(zhǎng)度進(jìn)行比較，驗(yàn)證了失效產(chǎn)生的原因。

關(guān)鍵詞：ATS;極限轉(zhuǎn)速傳感裝置

航空發(fā)動(dòng)機(jī)與ATS的轉(zhuǎn)子通過超越離合器進(jìn)行連接，用來傳遞起動(dòng)扭矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值以后，其在超越離合器的作用下與發(fā)動(dòng)機(jī)分離。此時(shí)如果不切斷ATS的氣源，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，甚至發(fā)生超轉(zhuǎn)，威脅軸承壽命、造成振動(dòng)增大，甚至轉(zhuǎn)子破裂等嚴(yán)重后果[1]。因此在ATS上設(shè)置一套極限轉(zhuǎn)速傳感裝置來保護(hù)自身的安全顯得尤為重要。

某型ATS配裝發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)過程中，監(jiān)測(cè)到ATS振動(dòng)劇烈增大，而電子控制器未檢測(cè)到超轉(zhuǎn)信號(hào)。緊急停機(jī)后拆下ATS發(fā)現(xiàn)極限轉(zhuǎn)速傳感裝置一配重塊已經(jīng)脫落。

1轉(zhuǎn)速傳感裝置

1.1組成

極限轉(zhuǎn)速傳感裝置由微動(dòng)開關(guān)、旋鈕、活塞桿、配重塊（上下兩側(cè)各一塊）、外座、內(nèi)座、襯套、彈簧、擋圈、調(diào)整墊片、連接銷等組成（見圖1），其中微動(dòng)開關(guān)和旋鈕屬于靜子件，通過螺栓固定在ATS導(dǎo)向器上;其他部分稱為傳感器，通過螺紋連接在渦輪轉(zhuǎn)子組件上，隨ATS轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 極限轉(zhuǎn)速傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2工作原理

在設(shè)計(jì)保護(hù)轉(zhuǎn)速以下時(shí)，配重塊對(duì)活塞桿的離心頂力小于彈簧對(duì)活塞桿的初始拉緊力，配重塊是不運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)超過這一轉(zhuǎn)速時(shí)，配重塊開始轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞桿被頂出;同時(shí)隨轉(zhuǎn)速增大、活塞桿頂出距離增加，配重塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心頂力的增速大于彈簧拉緊力，從而使得活塞桿的富余頂力越來越大。當(dāng)富余頂力足夠大時(shí)活塞桿推動(dòng)旋鈕，從而觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)輸出電信號(hào)至電子控制器。

因此根據(jù)上述原理：ATS轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過上述設(shè)計(jì)保護(hù)轉(zhuǎn)速時(shí)，配重塊繞外座接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)配重塊與外座、活塞桿接觸點(diǎn)最小距離（簡(jiǎn)稱搭接間隙）大于配重塊長(zhǎng)度時(shí)，配重塊就會(huì)從外座脫出。

2搭接間隙增大原因分析

2.1材料磨損導(dǎo)致搭接間隙增大

配重塊與內(nèi)、外座三者都采用了相同的不銹鋼材料（1Cr11Ni2W2MoV）和熱處理標(biāo)準(zhǔn)，不同之處在于熱處理冷卻要求不同，即硬度存在差別。據(jù)此，對(duì)他們的硬度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表1所示：

從表中數(shù)據(jù)可以看出：配重塊硬度超過外座，實(shí)際工作中，當(dāng)配重塊繞外座卡槽旋轉(zhuǎn)時(shí)，外座有磨損的風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)量外座卡槽距中心線尺寸，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后增大了0.15mm，說明傳感器外座實(shí)際使用后被配重塊磨損了0.15mm。

表1? 硬度測(cè)量結(jié)果

序號(hào) 名稱 設(shè)計(jì)硬度要求 實(shí)際測(cè)量硬度

1 活塞桿 HRC33.4～41.6 HRC 40.5

2 配重塊 HRC36.5～41.5 HRC 41.3

3 外? 座 HRC33.4～41.6 HRC 34.4

2.2零件超差

對(duì)ATS傳感裝置進(jìn)行分解計(jì)量，發(fā)現(xiàn)除上述外座卡槽受磨損超差外，還存在一處超差情況：襯套內(nèi)徑尺寸為Φ3.8mm，超出其設(shè)計(jì)極大值Φ3.3mm，這樣會(huì)導(dǎo)致工作過程中活塞桿產(chǎn)生較大偏斜。若將脫落的配重塊和此超差襯套原樣復(fù)裝到極限轉(zhuǎn)速傳感裝置，通過試驗(yàn)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，可能會(huì)給試驗(yàn)帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此本文提出一種利用傳感器分解后零件實(shí)際計(jì)量尺寸，對(duì)其建立三維模型，運(yùn)用特定位置裝配的方法進(jìn)行失效分析，確認(rèn)該處超差對(duì)極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效的影響，大大簡(jiǎn)化了分析過程并加快了分析進(jìn)度。

3 建模分析

3.1建立三維模型

根據(jù)零件分解計(jì)量結(jié)果，活塞桿直徑為Φ3.19mm，錐形帽寬為Φ8.5mm;襯套內(nèi)徑極大值為Φ3.80mm;配重塊長(zhǎng)度Lp極小值為11.15 mm，配重塊厚度最大值d=2 mm;外座卡槽深度極大值為13.25mm。運(yùn)用建模軟件UG對(duì)傳感器建立三維模型，如圖2所示。

圖2 傳感器三維模型

3.2特定位置裝配分析

若傳感器在任一工作位置配重塊存在脫落的可能，則說明此襯套超差可能為極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效的原因。本文選取如下兩個(gè)特定位置，將傳感器三維模型裝配好后便可測(cè)出對(duì)應(yīng)的搭接間隙，通過將其與配重塊長(zhǎng)度進(jìn)行比較，可以判斷出配重塊是否有脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

1）位置1

考慮實(shí)際裝配但工作過程中活塞桿不偏斜時(shí)，配重塊與活塞桿相對(duì)位置如圖3所示。當(dāng)活塞桿行程達(dá)到最大值，活塞襯套與彈簧擋圈端面平齊時(shí)，LJ=10.76mm

2）位置2

同時(shí)由于襯套內(nèi)徑最大值為Φ3.8mm，遠(yuǎn)大于活塞桿直徑Φ3.19mm，所以就必須考慮到活塞桿在實(shí)際工作過程中的擺動(dòng)。如圖4為徑向水平擺動(dòng)量達(dá)到最大時(shí)，配重塊偏斜側(cè)LJ1=11.26> Lp，另一側(cè)LJ2=10.297mm

圖3 當(dāng)活塞桿不偏斜且行程L=4.1時(shí)傳感器示意圖

圖4活塞桿擺動(dòng)量最大且行程為L(zhǎng)=4.1時(shí)傳感器示意圖

4.失效機(jī)理分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，可判斷出本次極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效原因?yàn)椋和庾砻嬗捕绕。ぷ鬟^程中與配重塊接觸受到磨損，導(dǎo)致外座卡槽間隙與中心線距離增大;同時(shí)，由于襯套內(nèi)徑尺寸超差偏大，工作時(shí)在振動(dòng)及殘余不平衡量等載荷作用下，活塞桿向一邊偏斜，這兩個(gè)因素共同作用導(dǎo)致配重塊一側(cè)搭接間隙變大，超過其自身長(zhǎng)度的情況下發(fā)生脫落。

5.改進(jìn)措施及驗(yàn)證情況

針對(duì)極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效發(fā)生的原因，提出了如下改進(jìn)措施：

a）將尺寸超差的襯套更換為合格件;

b）修改外座熱處理要求從而提高外座表面硬度，更換新硬度的外座。

將更換了新襯套和外座的極限轉(zhuǎn)速傳感裝置裝配至ATS上，按照相同的試車大綱進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)順利，ATS振動(dòng)無異常反應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定值v后，繼續(xù)給ATS供氣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大后監(jiān)控中心收到了極限轉(zhuǎn)速傳感裝置傳來的超轉(zhuǎn)電信號(hào)。停機(jī)拆下ATS以后，發(fā)現(xiàn)配重塊沒有脫落。

6 結(jié)論

本文從ATS上極限轉(zhuǎn)速傳感裝置工作原理著手，找出失效發(fā)生的條件。然后對(duì)該裝置進(jìn)行分解檢查、尺寸計(jì)量和硬度檢測(cè)等工作，找出了配重塊脫落導(dǎo)致極限轉(zhuǎn)速傳感裝置失效的原因主要包含兩個(gè)方面：

a）傳感器外座試驗(yàn)時(shí)被配重塊磨損，導(dǎo)致外座凹槽離中心線距離增大，從而加大了配重塊與外座和活塞桿之間的搭接間隙。

b）襯套內(nèi)徑尺寸超差，工作過程中活塞桿產(chǎn)生較大偏斜，導(dǎo)致一側(cè)的搭接間隙變大，甚至超過配重塊的長(zhǎng)度。

針對(duì)這些失效原因，采取更換合格襯套以及提高外座硬度后，復(fù)裝該極限轉(zhuǎn)速傳感裝置，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其功能恢復(fù)正常。

參考文獻(xiàn)

[1] 柏樹生，艾延廷，翟學(xué)等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)常見故障及排除措施[J].航空維修與工程 ，2011，1.