某型直升機空中停車故障研究

于向財，譚巍，劉松福

（海軍航空大學，山東 煙臺 264000）

0 引言

發動機空中停車是指在飛行中由于飛機和發動機設計、操縱、故障和外界環境等原因，導致發動機中的燃料不能持續穩定燃燒、推力消失、自動停轉的現象，簡稱空停。空停會使飛機失去推力，危及飛行安全[1-4]。某型直升機在執行飛行著平臺科目時，飛行員聽到“吱吱”聲，返場途中一臺發動機發生轉速跳變，隨后空中停車。

1 故障現象

返廠后對發動機進行分解檢查，發現主要故障件集中在發動機前部的中央傳動機構，具體的故障件清單如表1所示。

表1 發動機故障件清單

該發動機為自由渦輪軸發動機，燃氣發生器軸與自由渦輪軸是完全分開的。壓氣機為一級軸流壓氣機和一級離心壓氣機。發動機存在故障的中央傳動機構，是發動機前傳動結構的一部分。前傳動結構安裝在發動機前部，包括：上傳動機構、中央傳動機構、下傳附件傳動機構。前傳動結構傳動關系如圖1所示。

圖1 前傳動結構傳動關系示意圖

發動機起動時，起動發電機通過起動傳動鏈帶動發動機燃氣發生器轉動及下傳附件工作。發動機正常工作時，燃氣發生器轉子通過壓氣機軸前端的主動傘齒輪帶動中央傳動機構工作，帶動上傳機構驅動起動發動機發電，同時帶動下傳機構帶動附件正常工作。

2 故障復查

根據發動機空中停車故障情況，依據發動機分解檢查情況，為查找故障原因，重點針對故障齒輪、軸承、鎖片開展了質量、工藝、設計方面的全面復查。

1）質量復查。發動機裝配及試車過程的質量控制和試車性能等指標均合格；主/從動零度螺旋錐齒輪、軸流壓氣機前軸承、軸流壓氣機轉子鎖片、組合軸等零部件的制造過程質量均符合要求。

2）工藝復查。對主/從動零度螺旋錐齒輪、軸流壓氣機前軸承軸、流壓氣機轉子鎖片、組合軸、軸流壓氣機轉子裝配過程的加工工藝路線和工藝規程進行復查，均符合要求。

3）設計復查。對主/從動零度螺旋錐齒輪、軸流壓氣機前軸承、組合軸等故障件進行設計復查和設計更改復查，結果表明設計和設計更改均符合要求。

3 故障樹建立

以發動機空中停車故障為頂事件，按照系統劃分建立故障樹，如表2所示。根據故障樹，共建立40個底事件，對故障底事件進行排查[5-8]。

表2 發動機空中停車故障底事件排查

根據外場反饋，底事件X1～X3、X5、X11可以排除。查閱發動機參數，底事件X4、X6～X8可以排除；通過發動機和燃油調節器返廠分解后，對所有零部件的目視檢查和相關分析，底事件X9～X14、X18、X19、X21～X39可以排除；結合發動機和燃油調節器返廠分解檢查情況和發動機參數分析，底事件X15可以排除。

依據發動機分解檢查結果，底事件X16、X17、X20無法排除，即前傳齒輪軸故障、軸承故障、轉子不平衡量過大。

4 故障機理分析

4.1 軸承故障底事件

分析軸流壓氣機前軸承首先出現故障可能的原因[9-11]包括：質量不合格；設計不合理；滑油異物；潤滑不良；零件裝配不合格；載荷振動異常。結合故障排查和油樣分析結果，可排除前5項。

對軸承做失效分析（如圖2、圖3），可知軸承滾道和滾珠均為大應力疲勞剝落，滾珠爬坡和軸向竄動。保持架為大應力高周疲勞斷裂，側梁斷裂處可見較多疲勞弧線，向外徑面和端面疲勞擴展，裂紋擴展較穩定，擴展區面積較大，且微觀可見細密疲勞條帶特征；橫梁磨損較重，僅少量橫梁斷口局部可見未磨損區域，宏觀可觀察到疲勞弧線，斷口平坦，微觀可見疲勞條帶特征。根據以上判斷，軸承疲勞失效可能與異常載荷和振動有關。

圖2 滾道沿周向擴展疲勞弧線

圖3 滾珠擠壓環帶

由于軸流壓氣機轉子受到向前的軸向力，若軸承因異常載荷振動先失效，則無法起到軸向定位的作用，會導致軸流壓氣機轉子向前竄動與進氣機匣刮磨。同時滾珠及滾道的磨損會導致軸承徑向游隙的增大，壓氣機軸發生偏斜，因此壓氣機葉片一側刮磨嚴重，另一側情況較好。另外，軸承徑向及軸向定位失效，將使主動零度螺旋傘齒輪與從動零度螺旋錐齒輪嚙合異常，使得前附件傳動機構受較大的沖擊力或轉矩。由于組合軸最細的位置為前附件傳動機構強度最薄弱的部位，因此該處首先斷裂，此后主動零度螺旋傘齒輪與從動零度螺旋錐齒輪在嚙合過程中繼續傳遞較大的沖擊力，造成從動零度螺旋錐齒輪從軸頸處斷裂，主動零度螺旋傘齒輪多齒斷裂。與此同時，由于軸承失效，壓氣機轉子運轉不平穩，產生異常振動，并最終導致壓氣機鎖片疲勞斷裂。

綜合分析認為，軸承失效可能發生在中央齒輪、軸流壓氣機和鎖片損傷之前。

4.2 前傳齒輪軸故障底事件

結合故障排查結果，可以從零件強度、振動等設計不合理，零件材質或加工不合格，零件裝配不合格等方面排除中央主、從動零度螺旋錐齒輪首先出現故障原因。

對中央齒輪損壞破壞位置做失效分析可知，中央主、從動錐齒輪出現了軸向干涉，是受較大的異常載荷而產生的破壞。

由上文可知，中央齒輪的損傷是發生在軸流壓氣機前軸承出現初始損傷之后。軸流壓氣機前軸承先發生損壞，導致轉子刮磨及異常振動，同時在氣動力作用下軸流壓氣機轉子向前竄動，導致軸流壓氣機轉子前端的中央主動零度螺旋傘齒輪與上/下從動零度螺旋錐齒輪之間齒隙減小，直至不存在齒隙并出現剛性接觸與齒面擠壓，但在燃氣發生器轉子作用下中央齒輪繼續轉動，使得齒輪承受異常載荷，傳動不平穩、不連續，齒輪承受軸向沖擊及扭轉沖擊。

根據計算分析，在無緩沖的極限沖擊狀態下，燃氣發生器轉子的沖擊作用足以造成中央主、從零度螺旋錐齒輪的斷齒及斷軸（計算結果如圖4）；實際中軸流壓氣機轉子前移造成中央齒輪干涉及傳動卡頓存在一段發展過程，齒輪轉動也沒有絕對卡死，但會造成上、下從動零度螺旋錐齒輪腹板在嚙合軸向力作用下產生的彎矩及承受的轉矩增大，引起該狀態下齒輪扭轉共振應力增大，根據從動零度螺旋錐齒輪振動模態應力及靜應力計算分析結果（如圖5），上、下從動零度螺旋錐齒輪斷軸位置和拆卸孔處的裂紋位置、擴展方向，與計算應力分布情況較為一致。此外，根據分析可知，當中央主、從動錐齒輪產生嚙合干涉、運轉卡頓時，前傳各輸出傳動端會受到負載慣性的沖擊，其中起動發電機轉動慣量最大、轉速最高，根據計算分析可知上傳組合軸在持續負載沖擊下產生斷軸的可能性較大（計算結果如圖6）。

圖4 中央錐齒輪無緩沖時極限沖擊應力分布

圖5 從動零度螺旋錐齒輪扭轉振動模態應力分布

圖6 組合軸沖擊應變能分布

綜合分析認為，當前傳中央主、從動零度螺旋錐齒輪首先出現故障，嚙合異常、齒輪運轉傳動不平穩，會產生異常振動或導致斷齒，進而影響軸流壓氣機前軸承、軸流壓氣機轉子鎖片、上傳組合軸，發展至后期存在導致故障發生的可能。

4.3 轉子不平衡量過大底事件

半圓連環鎖片鎖爪首先斷裂，掉落的鎖爪落入軸流壓氣機轉子后輪轂凹腔中隨轉子轉動，缺失鎖爪的鎖片、脫落的鎖爪都會導致軸流壓氣機轉子的不平衡量增大，該不平衡量可能導致軸流壓氣機前軸承受到異常載荷而出現失效，進而導致故障的發生。

通過故障排查，可以排除鎖片本身材質不合格、在裝配彎折時出現初始裂紋、鎖片在工作轉速范圍內存在共振的原因帶來的半圓連環鎖片鎖爪斷裂。

假設半圓連環鎖片鎖爪首先斷裂，通過在后輪轂腔中依次放入模擬斷裂的鎖片爪，進行不平衡量檢查，可知，脫落的鎖片爪對轉子支點的影響主要在后支點，前支點受到的影響小。因此，發動機的軸流壓氣機轉子前后支點的不平衡量在鎖片爪留存于軸流壓氣機轉子后輪轂凹腔時，受到影響的主要是后支點，前支點的不平衡量很小，即鎖片斷裂對于軸流壓氣機前軸承的使用無影響。

對半圓連環鎖片鎖爪做失效分析，結果如圖7和圖8所示。由此可知，半圓連環鎖片鎖爪斷裂是由于異常振動導致的高周疲勞，且鎖片疲勞斷裂存在受到由相對較小的振動應力到逐漸變大的振動應力作用的變化過程。結合軸流壓氣機轉子葉尖刮磨的復查，判斷半圓連環鎖片鎖爪斷裂應與軸流壓氣機轉子葉尖刮磨帶來的異常振動有關。綜上所述，半圓連環鎖片斷裂是因為其它因素引起的，是本次故障的受害件。

圖7 鎖片斷口低倍特征

圖8 鎖片斷口源區高疲勞條帶微觀形貌

5 結論

針對發動機空中停車故障，通過故障排查與分析，得出如下結論：發動機空中停車的直接原因為發動機中央傳動機構的從動零度螺旋錐齒輪斷軸，造成發動機燃油調節器失去動力來源、無法正常供油。造成中央傳動從動零度螺旋錐齒輪斷軸的原因為軸流壓氣機前軸承損壞，導致轉子刮磨及異常振動，同時在氣動力作用下軸流壓氣機轉子向前竄動，導致軸流壓氣機轉子前端的中央主動零度螺旋傘齒輪與上/下從動零度螺旋錐齒輪之間齒隙減小，直至不存在齒隙并出現剛性接觸與齒面擠壓，但在燃氣發生器轉子作用下中央齒輪繼續轉動，使得齒輪承受異常載荷，傳動不平穩、不連續，齒輪承受軸向沖擊及扭轉沖擊，持續作用下造成主動零度螺旋傘齒輪斷齒、上傳組合軸斷裂、上/下從動零度螺旋錐齒輪斷軸。造成軸流壓氣機前軸承損壞的原因（即故障的根本原因）是軸承承受了異常載荷或振動。

針對上述故障，建議加強發動機滑油濾的檢查，對滑油光譜進行分析。