某渦軸發動機火警虛警故障分析與研究

張秋生，景剛，唐寧，孫正楠，梁小康

（1.92635部隊，青島 266041；2.91049部隊，青島 266100）

引言

火警探測系統是渦軸發動機防火系統的重要組成部分，能夠實時監測發動機運行狀態是否平穩。當發動機溫度異常時（高于探測值），引起火警器的兩個金屬片伸長，溫度異常時（高于探測），引起火警器的兩個金屬片伸長，使兩個金屬片之間接觸點斷開，并產生預警信號，幫助飛行員及時了解直升機的運行狀態，空中關停發動機甚至釋放滅火瓶，飛機返航、備降。如果火警探測系統發生故障不能發出預警信號，或產生“火警虛警誤報”等異常故障，誘發飛行事故鏈，造成直升機在空中停飛[1,2]，對直升機任務完成率和飛行安全造成較大影響。隨著戰訓任務的加重，如何有效地降低渦軸發動機火警探測系統的虛警率，已成為直升機保持持續作戰能力急需解決的問題之一。

1 故障現象

某渦軸發動機在正常飛行過程中火警指示燈多次閃亮報警，檢查發動機艙的溫度監測數據，最高溫度分別為47.5 ℃（低溫區）、132.6 ℃（中溫區）、188.76 ℃（高溫區），溫度正常，未出現超溫情況，判斷火警探測系統存在虛警故障。對發動機火警探測器的電阻值采集后發現，火警探測器輸出電阻存在異常。

2 火警探測系統原理

直升機火警探測系統的探測方式通常采用溫度探測，即在發動機機體周圍設置許多相互串聯的火警探測器，通過探測回路電阻值得變化情況，實現對環境的感知實時監測。假如在飛行運行過程中，發動機火警探測器感知到溫度值超過系統預設閾值時，火警探測系統立刻通過控制回路發出報警信號，傳遞給飛行員火警警示信息[3,4]，飛行員分析直升機的運行狀態，采取空中關停發動機甚至釋放滅火瓶的緊急措施。

火警探測系統由火警檢測盒和火警探測器（其中每套含3臺低溫火警探測器、4臺中溫火警探測器、2臺高溫火警探測器）組成。火警探測器跟火警控制盒采用串聯方式，正常的回流條和應急回流條利用斷路器為火警控制盒供電，如圖1所示。當監測范圍內發生火警或溫度異常升高并達到火警探測器設定的溫度時，火警探測器動作，通過火警控制盒發出火警信號。

圖1 火警探測系統原理圖

1）當火警探測器回路對地電阻值小于300 Ω（對地短路狀態）時，火警控制盒輸出“線路故障”告警信號。

2）當火警探測器回路對地電阻值大于300 Ω時，火警控制盒正常工作。

3）當檢測到火警探測器回路電阻值[0，200）（正常狀態）時，火警檢測盒無告警信號輸出。

4）當檢測到火警探測器回路電阻值[200，1.1k）（接觸不良狀態）時，火警檢測盒輸出“線路故障”告警信號。

5）當檢測到火警探測器回路電阻值[1.1k，27k]（火警狀態）時，火警檢測盒輸出“火警”告警信號。

6）當檢測到火警探測器回路電阻值（27 k，+∞）（斷路狀態）時，火警檢測盒輸出“線路故障”告警信號。

火警探測器為雙金屬片原理探測器，產品利用雙金屬材料隨溫度變化產生形變的特性工作，當產品檢測區域內的空氣溫度升高時，雙金屬片1和雙金屬片2產生彎曲變形，兩觸點隨之運動并保持閉合狀態，當雙金屬片1與調節螺釘接觸后停止形變，與之連接的觸點停止運動，而雙金屬片2則繼續變形，隨后兩觸點分開，將火警電阻R接入火警回路，產品結構圖見圖2，線路原理圖見圖3。

圖2 火警探測器結構圖

圖3 線路原理圖

3 火警虛警故障排查與分析

3.1 故障分析與定位

由于高溫、高濕、高鹽霧等典型海洋服役環境，以及發動機復雜工況引發的振動、電磁干擾等外部環境，使得火警探測系統內部元器件、控制線路經常出現磨損破壞、短路等故障模式，常見的故障類型如下：

1）電氣線路發生故障

直升機在飛行過程中，高強度、持續運轉的發動機所產生高溫振動的工作環境，使得線路容易出現磨損破壞、短路，以及探測器末端脫落等故障[5,6]。再加上潮濕的海洋服役環境，受潮的電路極易引發火警虛報的故障現象。除此之外，火警探測器通常采用接線端子的形式進行連接，潮濕、振動的服役環境導致接線端子受潮或者松動，極易造成火警控制盒出現異常，從而產生火警虛報的警示信號。

2）火警探測系統的元器件發生故障

火警探測器由于電路中對電阻閾值的設置不合理或溫度變化使回路中的電阻發生改變，使得傳給火警控制盒的電阻值和內部電阻在比對過程中出現誤判，導致虛警現象發生。另外，生產過程中火警探測器機構密封不嚴或質量管控不到位，使得外界環境中微小顆粒滲入到探測器內部，導致溫度感知元器件故障，電阻值增大或是電阻值趨向于無窮大，出現控制盒誤報警的虛假現象。

3） 服役環境電磁干擾嚴重

直升機飛行過程中，安裝于發動機機體的火警探測器處于高溫、振動、電磁干擾的復雜運行環境。惡劣的服役環境，尤其是電磁干擾極易導致火警控制盒發出故障告警信息。而一旦直升機停止工作，其干擾隨即消失，故障現象就會逐漸消失。

對于該渦軸發動機在正常飛行過程中火警指示燈多次閃亮報警的故障現象而言，經對火警探測系統進行故障隔離排查，發現火警探測器鎖緊螺帽與陶瓷座存在約1.5 mm間隙，陶瓷座存在明顯晃動情況，如圖4所示；對產品進行X光檢查，發現產品長接線柱處的鎖緊螺帽與內部六角薄螺母存在明顯間隙，如圖5所示。導致接線片與接線柱間的電連接不可靠，在高溫、振動條件下，接線柱與接線片虛接，造成輸出電阻異常。

圖4 鎖緊螺帽與陶瓷座間隙

圖5 陶瓷座間隙X光檢查

3.2 機理分析

1）輸出電阻異常機理分析

當火警探測器接線柱鎖緊螺帽松動時，其內部為懸空狀態，裝機使用過程中在高溫及振動條件綜合作用下，接線片與鎖緊螺帽間接觸壓力減小，因接觸不良產生虛接。由于在振動條件下，接線片與鎖緊螺帽間接觸壓力受振動條件影響而變化，接觸面積及接觸間隙呈不規則變化，導致電阻呈現不穩定動態跳變，而常溫靜態情況下，產品接線片與鎖緊螺帽間接觸狀態穩態，電阻輸出正常,如圖6所示。當產品輸出電阻達到火警檢測盒火警域值范圍時，則觸發火警系統虛警。

2）鎖緊螺帽松動機理分析

火警探測器裝調過程中，依次將陶瓷座、六角薄螺母按圖7要求裝入產品相應位置，六角薄螺母對陶瓷座起到固定限位作用，其中兩個六角薄螺母按照規定的擰緊力矩擰入接線柱，之后再將鎖緊螺帽擰入接線柱并擰緊,保證鎖緊螺帽與六角薄螺母貼合，最后將外鋸齒鎖緊墊圈、Ⅰ型六角螺母裝配至兩接線柱。

圖7 產品裝配示意圖

由于鎖緊螺帽為圓柱結構,擰緊過程中,擰緊工具與鎖緊螺帽存在圓周方向相對轉動,存在擰不緊的風險,鎖緊螺帽安裝后未采取機械防松緊固措施，火警探測器使用前，需擰松取出Ⅰ型六角螺母及外鋸齒鎖緊墊圈，此時容易將相鄰鎖緊螺帽帶松，從而使得鎖緊螺帽與內部六角薄螺母分離，之后將發動機線纜接線片安裝至接線柱，并通過外鋸齒鎖緊墊圈和Ⅰ型六角螺母擰緊固定，接線片與鎖緊螺帽間壓緊接觸，由于此時鎖緊螺帽內部為懸空狀態，裝機使用過程中在高溫及振動條件綜合作用下，鎖緊螺帽逐漸松動，使得接線片與鎖緊螺帽間接觸壓力減小，因接觸不良產生虛接，從而使得產品輸出電阻異常，達到火警控制盒火警域值范圍時，則觸發火警系統虛警。

4 結論與解決措施

渦軸發動機火警探測器虛警的原因為火警探測器鎖緊螺帽無有效緊固措施，裝機使用過程中在高溫及振動條件綜合作用下，鎖緊螺帽逐漸松動，使得接線片與鎖緊螺帽間接觸壓力減小，因接觸不良產生虛接，從而使得產品輸出電阻異常。在外場維護過程中，機組需要定期對火警探測系統進行檢查和測量，以最大限度地減少元器件故障帶來的火警探測系統安全隱患問題。對于控制線路問題，加強對電氣線路的排查，尤其是容易出現的磨損破壞、短路，以及探測器末端脫落等情況，一旦發現線路或端子松動的情況，立即進行檢修。

于此同時，聚焦鎖緊螺帽松動問題，擬提出如下改進措施：將鎖緊螺帽擰入接線柱，確保螺帽內端面與六角螺母貼合，然后在鎖緊螺帽端面與接線柱螺紋結合處激光點焊固定。