某發動機放氣帶開關異常故障原因分析

艾 婧

（中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

某型飛機在起飛過程中出現了發動機放氣帶開關異常情況，導致了壓氣機喘振故障，經過現場排查確定為某發動機附件離心傳感器故障，作為直接控制發動機放氣帶打開和關閉的附件，其性能不穩定是導致放氣帶開關異常的主要原因，直接影響飛機的飛行安全。通過分析喘振故障現象和工作原理，對離心傳感器進行分解檢查和性能試驗，查找性能不穩定的原因并提出改進意見。

1 故障分析

1.1 故障現象

某型飛機在飛行過程中，某發動機在轉速4000r/min收油門過程中發生喘振故障。當發動機轉速降至2500r/min、排氣溫度上升至670℃時，飛行員將左發拉停，稍后重啟發動機成功。當飛機返航收油門時故障再現，飛行員妥善處置后安全著陸。發動機地面檢查放氣帶操縱系統，發現當推油門時發動機工作正常，當收油門時故障復現。在出現喘振故障時，放氣帶關閉轉速為3890r/min，打開轉速為3310r/min，超出規定轉速差不超過50r/min。經排查認為這次故障為離心傳感器工作異常所致，該發更換離心傳感器后故障消失。

發動機配裝的離心傳感器工作時間239h9min，階段規定壽命1000h。

1.2 工作原理

離心傳感器是某發動機放氣機構組成部件之一，其功用是感受發動機轉速，通過控制放氣機構電磁活門電路的接通和斷開來控制發動機放氣帶的關閉和打開。

離心傳感器由殼體、上蓋、離心飛重、分油活門、傳動軸、彈簧、調整螺釘、薄膜、插座和微動開關等組成，微動開關與插座間由導線連接，插座與發動機電插頭連接。分油活門在離心飛重的軸向分力和彈簧力的作用下軸向移動，控制薄膜滑油腔油路通斷，最終控制微動開關的通斷，實現對放氣帶開關的控制，結構如圖1所示。

圖1 離心傳感器結構原理圖

某發動機為防止喘振，在壓氣機3、4級之間裝有放氣帶，當發動機轉速在（3800+50）r/min上下時，離心傳感器控制發動機放氣帶的關閉與打開，保證當發動機在轉速增加或減少的過渡狀態下工作時壓氣機遠離喘振邊界。

當發動機轉速大于（3800+50）r/min時，彈簧壓緊力小于離心飛重產生的軸向分力，分油活門上移，發動機滑油系統通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路連通，這時轉換活門內薄膜頂桿在0.4MPa滑油壓力作用下與轉換裝置殼體面止靠，薄膜頂桿推動微動開關按鈕接通放氣機構電磁活門電路，放氣帶關閉。

當發動機轉速小于（3800+50）r/min時，彈簧壓緊力大于離心飛重產生的軸向分力，分油活門下移，發動機滑油系統通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路被分油活門的分油邊堵住，這時轉換裝置內薄膜頂桿在彈簧力作用下恢復初始位置，微動開關按鈕斷開放氣機構電磁活門電路，放氣帶打開。

1.3 產品檢查

1.3.1 性能錄取

故障離心傳感器返廠后，在試驗器上錄取6遍接通/斷開轉速（對應發動機放氣帶的關閉/打開轉速），結果斷開轉速變化較大且轉速差均大于規定值，故障復現，見表1。

表1 性能數據

1.3.2 分解檢查

分解檢查發現離心傳感器的分油活門外圓和內孔均存在磨損痕跡，軸組件外圓有周向磨粒磨損痕跡。軸外表面與銅襯套配合部位形成兩個磨損環帶，磨痕微觀形貌為深且窄的犁溝，說明有異物進入軸組件間隙且異物為高硬度片狀物。

檢查分油活門臺階一側有周向磨粒磨損痕跡，磨損處無熱變色現象，臺階2處有1道周向磨損痕跡，磨痕微觀形貌為深且窄的犁溝；發現分油活門表面有被輾壓的金屬物，尺寸約為20μm，如圖2所示，經能譜分析異物為鋁屑，說明在工作過程中有鋁屑進入分油活門與軸組件配合間隙。

圖2 片狀鋁屑形貌

1.3.3 油液分析

分析離心傳感器產品內存留油液和清洗油液，發現有顆粒狀金屬物，微觀形貌如圖3～圖4所示。對滑油中的金屬物進行能譜分析，其成分主要有鋁合金、鎂合金、銅合金、鍍鎘層和鋼，見表2和表3[2]，金屬物尺寸為5μm～300μm，分析離心傳感器零件材料，無鎂合金材料，分析認為應屬于其他滑油系統附件磨損產生。

圖3 存留滑油中金屬物微觀形貌

圖4 清洗收集金屬物形貌

表2 存留滑油中金屬物分析結果

表3 清洗收集金屬物分析結果

1 Mg：0.04% Al：99.82% Cu：0.14% 40 鋁合金2 Mg：87.21% Cu：11.93% Zn：0.86% 20～40 鎂合金3 Al：0.55% Cd：99.45% 70 鍍鎘層4 Al：85.60% Si：13.48% Fe：0.93% 80 鋁合金5 Cr：1.15% Mn：0.58%Fe：94.35% Ni：3.92% 5～20 鋼6 Al：1.27% Cu：77.17%Sn：7.52% Pb：14.03% 5～20 銅合金7 Cr：0.38% Fe：99.62% 10 低合金鋼

1.3.4 滑油系統分析

發動機滑油系統的功用是為發動機所有的齒輪、軸承、軸和花鍵套齒提供適量的滑油進行潤滑和冷卻，保證機件正常工作。某發動機滑油系統是一個封閉式循環系統，滑油被進油泵抽取，經過增壓、過濾送至各個需要潤滑的地方進行潤滑和冷卻后，流至收油池內，再通過回油泵抽回，經散熱器送回滑油箱，準備再次使用。

某發動機滑油系統在離心傳感器的入口處設置單層金屬方孔網油濾，濾網材料為黃銅H80，網孔尺寸為0.071mm，金屬絲徑為0.056mm。滑油中小于0.071mm的顆粒物均可通過濾網進入離心傳感器內部，而零件配合間隙為0.025mm～0.03mm和0.028mm～0.04mm，說明滑油中金屬物進入離心傳感器配合間隙為該附件性能不穩定的主要原因。

1.4 性能復試

為了驗證離心傳感器故障是否為金屬物進入分油活門和軸組件間隙導致，在對離心傳感器所有零件僅進行沖洗后，在同一試驗器上錄取6遍接通、斷開轉速，錄取性能結果顯示除了接通轉速大于規定值的情況，接通轉速穩定且轉速差合格。接通轉速大于規定值的原因為當裝用發動機時匹配調整所致。通過對比出廠和清洗前后的性能數據，如圖5所示，說明離心傳感器性能不穩定的原因是金屬物進入分油活門和軸組件間隙導致分油活門運動不靈活。

圖5 轉速差

2 改進方向

為了解決這類故障問題，對比分析離心傳感器的分油活門與其他燃油調節器轉速分油活門的尺寸和工作條件，工作參數見表4，離心傳感器的分油活門配合間隙大于燃油調節器的轉速分油活門配合間隙，而燃油調節器自1975年以來從未發生過轉速分油活門卡滯故障，說明離心傳感器結構可滿足使用要求。

表4 工作參數對比

方格式金屬網有效過濾面積比如公式（1）所示[1]。

式中：F為方格式金屬濾網有效過濾面積比；ω為網孔邊長；d為網線直徑。

經計算網孔尺寸為0.071mm，當金屬絲徑為0.056mm時，濾網的有效過濾面積比為31.7%；網孔尺寸為0.04mm，當金屬絲徑為0.03mm時，濾網的有效過濾面積比為32.6%。說明兩種規格的濾網有效過濾面積比相當，在同一介質條件下流通能力相當，說明離心傳感器進口處油濾可采用0.04mm/0.03mm規格的濾網。

3 結語

通過對離心傳感器進行性能檢查、分解檢查、分油活門及軸組件冶金檢測，發現了外來金屬異物引發的異常磨損痕跡；結合產品工作原理和工作環境等進行分析，定位故障原因是外來異物進入分油活門與軸組件配合間隙，在隨發動機工作中發生異常磨損，進而導致離心傳感器轉速不穩定，最終造成發動機放氣帶開關異常故障。借鑒類似產品，采取提高某發動機的離心傳感器進口處油濾精度，可改善其工作環境，降低外部污染，提高性能穩定性。