Cessna 172R飞机地面慢车停车故障研究

2019-07-25王立纲

西安航空学院学报 2019年3期

王立纲

(中国民用航空飞行学院广汉分院，四川广汉618307)

0 引言

飞机燃油调节装置是保证飞机在不同的飞行高度、速度，不同的大气温度、压力下，在发动机的不同转速以及任意改变发动机工作状态时，可靠地供燃油，以保证燃烧稳定，不熄火的装置，是发动机燃油系统的核心。Cessna 172R飞机自2006年被某飞行训练单位引进后，一直作为飞行训练的初级教练机使用，服役13年来，每架飞机每年平均完成4000多次起落，若燃油调节一旦出现故障，导致飞机在着陆滑行中停车，不仅会给后续飞机的安全落地造成威胁，而且根据现有航空安全信息报送要求，事发单位还需要花费大量的人力和时间来进行此类事件的报送和调查工作，影响正常的运行；随着飞机机龄的增长，故障发生的概率也明显增加，为此必须保持警惕并加以研究，制定相应的维修对策，来降低该故障的发生率，提高燃调系统的可靠性和安全性，保障飞行教员和飞行学生的生命安全以及国家财产的安全。本文以实际运行过程中遇到的飞机在地面滑行阶段慢车停车故障为研究对象，结合燃油调节系统工作原理和历史故障统计，确定故障发生的最终原因，再根据实际维护经验，提出维修对策。

1 故障描述

2018年7月某日，某飞行训练单位一架Cessna 172R飞机执行本场夜间起落带飞训练任务，飞机在机场落地着陆脱离跑道进入C滑行道后，发动机慢车转速停车，后由机务人员牵引回机库进行检查。在对飞机和发动机外观进行检查后发现正常，对飞机的SD卡数据进行分析发现在发动机停车前的那一阶段有明显的富油现象，且根据机组人员陈述，在油门杆已经收到慢车位后，飞行人员有继续向后拉油门杆的动作。因此在故障分析时需要分两部分，一是研究燃调系统本身，因为燃调系统是飞机慢车燃油的控制系统，重点研究慢车调节机构；二是研究飞行员操纵控制。

2 燃调系统概述

2.1 燃调的主要结构及工作原理

Cessna 172R飞机中IO-360-L2A发动机采用美国Precision公司生产的RSA-5ADl型直接喷射式燃油调节器(以下简称燃调)，燃调组成图如图1所示，该燃调系统包括燃调壳体、文氏管、油门杆、油门、混合比操纵杆、慢车转速调节螺钉、慢车混合比调节装置、气膜、油膜、球阀、慢车恒速弹簧等[1]，如图1所示。

燃调主要是由一个空气流量传感部件、一个计量部件和一个燃油调节部件组成。空气流量传感部件(文氏管和空气薄膜，即图1中的AB室)通过感受节气门处冲压压力和文氏管喉部压力，计量发动机空气流量的消耗量，这些压力作用于一个空气薄膜的两侧，空气薄膜两侧的压差为空气计量力。燃油计量部件(包括球形活门和燃油薄膜，即图1中的CD室)来计量燃油，其燃油薄膜的一边作用于进口燃油压力，另一边作用于计量燃油压力，燃油薄膜两边的压差为燃油计量力。燃油调节部件：它装在空气流量部件上，包括进油滤、慢车混合比调节活门、慢车活门及定油嘴等，其功用是计量和调节流到流量分配器的燃油。

燃调的工作原理简述为：通过计量空气流量，将空气流量信号作为一个伺服活门，伺服活门精确地调节所需燃油压力，然后通过燃油控制系统，使得燃油流量与空气流量成正比[2]，满足发动机在各种工作情况下的需要。

2.2 慢车调节机构组成及功能

RSA-5AD1型燃调的慢车调节机构确保发动机在慢车状态能够稳定的工作。主要由风门机构、风门摇臂、慢车转速螺钉、互联杆机构和慢车供油活门组件等及其他零部件组成，慢车调节机构图如图2所示。各部件主要功能为[3-4]：

(1)风门机构(风门、风门轴)：主要控制发动机进气量；

(2)风门摇臂：通过油门杆钢索操纵风门摇臂打开风门；

(3)慢车转速螺钉：控制风门摇臂止挡位置，调节慢车转速；

(4)互连杆机构：主要调节慢车供油活门位置，调节发动机慢车混合比；

(5)慢车供油活门组件：控制慢车位燃调供油量。

图2慢车调节机构图

3 故障分析

3.1 故障统计

Cessna 172R飞机每年在地面滑跑过程中或者在定检后试车过程中都会发生多起油门慢车停车故障，共有的现象是地面慢车过富油。根据换件情况，慢车过富油主要集中在更换互联杆机构或因燃调风门控制机构的综合间隙过大(风门轴、限位钉等部附件长期磨损造成)而换燃调等。某飞行训练单位该机型2015年至2018年期间地面慢车停车故障次数统计如图3 所示，地面慢车停车故障换件情况统计如图4所示。

图3地面慢车停车故障次数统计

图4地面慢车停车故障换件情况统计

3.2 故障原因分析

根据数据统计及初步原理分析认为该故障可能存在两个方面的原因：一是机械原因，主要是根据燃调慢车调节机构部附件更换状况得出；二是人的原因，主要是针对飞行人员的操作。

3.2.1 机械原因

(1)风门机构间隙

当油门杆处于慢车位时，风门开度已经很小，因风门轴长期磨损造成的间隙逐渐变大，加上定位弹簧的拉力，油门杆慢车时风门控制摇臂实际并未完全靠于止挡位，实际拉杆时克服了综合间隙后，风门开度进一步减小，进气量在原来的基础上继续减少，但燃油量未减少，从而导致发动机慢车富油停车。

风门轴使用两个风门轴轴套与燃调壳体相连，工作中风门轴在轴套中进行旋转运动，以实现风门的开闭，风门轴可能出现的运动间隙分为径向和轴向间隙，风门轴装配示意图如图5所示。根据RSA-5AD1型燃调翻修手册，轴向间隙标准值为0.002～0.008 in，该间隙标准在厂家燃调翻修工艺中已明确，翻修过程严格执行，可以确保轴向间隙符合要求。径向间隙(即风门轴-轴套之间间隙)分为两种情况，一是风门轴与轴套之间的配合容差，二是两个轴套之间的同轴度。风门轴与轴套之间的配合容差较大时，风门轴两端均出现较大间隙，风门轴将在轴套中晃动，造成风门位置不在设定位置。风门轴与轴套之间的一端容差大一端容差小，由于容差小的轴套限制了轴的位移量，此时在正常使用时，风门能实现正常功能。但若出现用力拉油门杆的情况，风门轴由于另一端轴套间隙大，风门轴出现弹性变形，风门将不再正常功能位。风门轴与轴套不同轴有两种情况，一种情况为风门轴轴套研磨不标准；另一种情况为风门轴弯曲。这两种情况在使用中均会出现轴套快速磨损，风门轴与轴套之间出现间隙超标情况。

(2)限位钉

限位钉由上半部分的胶木环和下半部分的金属环组成，下半部分用胶粘结于安装座中，限位钉安装位置及实物图如图6所示。限位钉与慢车转速调整螺钉配合使用，作为慢车转速调整螺钉的止挡，限制风门慢车时的位置。限位钉的松动或破损将直接导致风门关小，造成燃调无法提供足够的空气，致使发动机富油停车。

(3)互连杆机构

互连杆机构图如图7所示，主要由上、下U型夹和中间调节螺栓构成，并用定位销钉固定在两端，上端连接风门控制组件，下端连接慢车活门控制组件；2个定位销中间挂接一根定位弹簧，作用是防止调节螺钉由于发动机的振动导致螺钉自由转动，造成贫富油混乱；调节螺栓上端为细螺纹，下端为粗螺纹。

图7 互连杆机构图

互连杆调节螺栓调节一个齿变化量约为20 rpm，混合比转速变化量最合适的范围是增加10～50 rpm。慢车供油控制活门开度大小受互连杆长度影响，顺时针转动调节螺栓，互连杆长度增加，活门旋转使出油孔开度增大，供油量增加，混合气变富油，反之，则变贫油。在操作过程中，互连杆机构上下U型夹、定位销钉、调节螺钉会持续的磨损，过大的间隙也将导致发动机油气混合比例不符合要求，使发动机富油停车。并且该处的磨损间隙使用弹簧是无法消除的。

(4)燃调进气道处污染

进气道不属于定期维护的位置，而空气中微小的杂质进入进气道积累附着会形成污垢。污垢直接影响发动机进气量，在慢车位风门开度不变的情况下，污垢越厚，进气量越小，发动机越富油[5]。

3.2.2 飞行操纵原因

正常情况下飞机在着陆滑跑过程中，机组人员应该单手握住油门杆，油门置于慢车位，根据实际情况调节油门开度，使用刹车来实现减速[6]。但根据实际的调研得知，大部分飞行教员和飞行学生认为油门也是着陆滑行中可用的减速装置，可以通过一直拉住油门实现有效减速。

因此，在仅使用刹车达不到预期的减速效果想时，尤其是在学生机组训练情况下，学生机组会出现在快速脱离跑道情况下的紧张情绪，此时机组人员可能一直拉住油门不放来实现减速，从而导致发动机过富油或富油停车。

3.3 排故思路

出现故障后，需进行地面试车，在发动机慢车稳定后使用5千克拉力向后拉油门杆，并保持15秒，检查发动机是否停车，若出现停车现象或掉转过多时，主要采取以下排故措施：

(1)检查互联杆上贫富油调节螺钉齿轮位置

若齿轮太靠近互连杆上部或下部U型夹，应将互连杆机构取下重新进行调节，使齿轮位于中间互连杆位置，并调节互连杆长度与之前一致，然后再进行地面试车检查。

(2)检查互连杆综合间隙

若综合间隙大则更换贫富油调节螺杆和上、下部U型夹，视情更换表面磨损严重的定位销和弹性不良的弹簧，然后再进行试车检查。

(3)检查进气道的污染状况

对燃调进气道的污染状况进行检查，若污垢较多，则需要进行在位清洁。使用清洁汽油在位清洁燃调进气道，重点清洁风门最小开度位置内壁的污垢。在位清洁时应先用胶带封住静压孔，防止掉落的污垢进入静压孔。

(4)大部分排故措施是以上3种措施综合实施，如果上述措施均无法解决问题，则需要直接更换燃调。

4 使用和维护建议

4.1 针对维修人员的建议

(1)做好发动机定检后的试车检查工作

要使用5千克力拉油门杆，在发动机保持15秒无明显抖动、不停车的情况下检查慢车位拉杆掉转情况[7]，如果存在拉杆后掉转超过300 rpm，则需检查互连杆间隙或清洁进气道；或调节换车转速或混合比，将慢车转速调节到700～750 rpm。

(2)注意贫富油调节的季节性特点

不考虑燃调本身机械故障的原因，空气密度也是一个主要影响因素，空气密度主要以温度作为标准。春、秋两季早中晚温差较大，定检试车时应当根据当时温度进行判断，例如场温相对当日气温较高，贫富油可往上限调节。夏、冬两季早中晚温度较接近，一天内场温场压一般不会大幅度变化，建议贫富油调至中间值，即30 rpm。在阴雨天调节，可调上限。