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

隨著國內航空發動機技術成熟，越來越多的軍用發動機逐步采用空氣渦輪起動機來替代燃氣渦輪起動機。空氣渦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、故障部位及原因作出及時且準確的判斷，還可以預防起動機潛在故障的發生，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，使普通維修人員也可以獲得專家級的經驗知識，以實現高效排故，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則的診斷專家系統相結合的方法[2]，根據維修專家的經驗和維修一線數據建立起動機故障樹，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]，為后續建立故障診斷系統積累樣本。

2 結構與工作原理

某型空氣渦輪起動機是目前國內體積最小、質量最輕、渦輪轉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，經減速機構和離合器傳遞功率，最終由輸出軸輸出轉矩和轉速，帶動發動機起動。

3 典型故障診斷

3.1 故障統計

結合科研與維修一線數據，針對某型空氣渦輪起動機近10年的故障開展統計分類，見表1。

表1 故障統計表

從表1可以發現導致該型起動機故障的主要原因是輸出軸斷裂、渦輪失穩碰擦和內部異常磨損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動機附件機匣之間最重要的傳扭部件，是決定發動機能否正常點火啟動的關鍵部件之一。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，再結合飛行參數曲線即可判斷故障原因是沖擊轉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

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

過大的瞬時沖擊轉矩來自于進氣壓力超調、起動系統傳動鏈齒側間隙、發動機轉動慣量等參數的隨機性綜合作用。往往單一因素導致的沖擊轉矩無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生的斷裂屬于保護起動機和發動機免受繼發破壞性質的主動斷軸，斷裂位置在輸出軸設置的最薄弱位置。

根據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碰擦，而導致整個系統失穩最主要的振動源就是減速傳動機構。目前國內外空氣渦輪起動機的減速傳動機構一般采用兩種形式，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結構簡單，質量輕，但其在低轉速條件下振動性能較差，而在高轉速條件下，采用行星齒輪系的減速傳動機構對系統的振動特性有較高的要求，一旦該兩種減速機構零件的結構和制造精度存在偏差，都將會引發整個渦輪動力系統失穩，繼而將導致渦輪葉片與外機匣嚴重的碰擦(圖6和圖7)，產生火花和卡滯[7]。

圖6 渦輪葉尖碰擦痕跡

圖7 外機匣碰擦痕跡

因此作為預判渦輪轉子發生碰擦的技術措施之一，在多型空氣渦輪起動機調試過程中均采用了M+P振動測量系統，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)

根據設計及維修經驗可知，轉子組件軸系剛度、轉子動不平衡量超大、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嚙合異常等因素均會導致整個系統的失穩，據此編制此類故障的故障樹，如圖9所示。

圖9 渦輪失穩碰擦故障樹

3.4 內部異常磨損

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現獨立LRU內部潤滑條件、易于查找問題根源且不會污染其余部件而被廣泛應用[8]。但獨立潤滑由于受內部空間限制，滑油量通常較少，因此特別需要加強對滑油顏色、雜質和消耗量的檢查。

若檢查發現滑油顏色發黑或消耗量大，則需要及時檢查起動機內部是否發生異常磨損，因為滑油異常通常是嚴重故障發生的先兆，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分析[9]。

根據某型空氣渦輪起動機的檢查維修經驗及滑油分析結果來判斷，導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 內部異常磨損故障樹

4 結語

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一線大量的樣本數據，統計并歸納出其在使用中的幾種常見故障現象，針對輸出軸斷裂、渦輪失穩碰擦和內部異常磨損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，為后續建立故障診斷系統積累樣本。