某型直升机空中停车故障研究

于向财，谭巍，刘松福

（海军航空大学，山东 烟台 264000）

0 引言

发动机空中停车是指在飞行中由于飞机和发动机设计、操纵、故障和外界环境等原因，导致发动机中的燃料不能持续稳定燃烧、推力消失、自动停转的现象，简称空停。空停会使飞机失去推力，危及飞行安全[1-4]。某型直升机在执行飞行着平台科目时，飞行员听到“吱吱”声，返场途中一台发动机发生转速跳变，随后空中停车。

1 故障现象

返厂后对发动机进行分解检查，发现主要故障件集中在发动机前部的中央传动机构，具体的故障件清单如表1所示。

表1 发动机故障件清单

该发动机为自由涡轮轴发动机，燃气发生器轴与自由涡轮轴是完全分开的。压气机为一级轴流压气机和一级离心压气机。发动机存在故障的中央传动机构，是发动机前传动结构的一部分。前传动结构安装在发动机前部，包括：上传动机构、中央传动机构、下传附件传动机构。前传动结构传动关系如图1所示。

图1 前传动结构传动关系示意图

发动机起动时，起动发电机通过起动传动链带动发动机燃气发生器转动及下传附件工作。发动机正常工作时，燃气发生器转子通过压气机轴前端的主动伞齿轮带动中央传动机构工作，带动上传机构驱动起动发动机发电，同时带动下传机构带动附件正常工作。

2 故障复查

根据发动机空中停车故障情况，依据发动机分解检查情况，为查找故障原因，重点针对故障齿轮、轴承、锁片开展了质量、工艺、设计方面的全面复查。

1）质量复查。发动机装配及试车过程的质量控制和试车性能等指标均合格；主/从动零度螺旋锥齿轮、轴流压气机前轴承、轴流压气机转子锁片、组合轴等零部件的制造过程质量均符合要求。

2）工艺复查。对主/从动零度螺旋锥齿轮、轴流压气机前轴承轴、流压气机转子锁片、组合轴、轴流压气机转子装配过程的加工工艺路线和工艺规程进行复查，均符合要求。

3）设计复查。对主/从动零度螺旋锥齿轮、轴流压气机前轴承、组合轴等故障件进行设计复查和设计更改复查，结果表明设计和设计更改均符合要求。

3 故障树建立

以发动机空中停车故障为顶事件，按照系统划分建立故障树，如表2所示。根据故障树，共建立40个底事件，对故障底事件进行排查[5-8]。

表2 发动机空中停车故障底事件排查

根据外场反馈，底事件X1～X3、X5、X11可以排除。查阅发动机参数，底事件X4、X6～X8可以排除；通过发动机和燃油调节器返厂分解后，对所有零部件的目视检查和相关分析，底事件X9～X14、X18、X19、X21～X39可以排除；结合发动机和燃油调节器返厂分解检查情况和发动机参数分析，底事件X15可以排除。

依据发动机分解检查结果，底事件X16、X17、X20无法排除，即前传齿轮轴故障、轴承故障、转子不平衡量过大。

4 故障机理分析

4.1 轴承故障底事件

分析轴流压气机前轴承首先出现故障可能的原因[9-11]包括：质量不合格；设计不合理；滑油异物；润滑不良；零件装配不合格；载荷振动异常。结合故障排查和油样分析结果，可排除前5项。

对轴承做失效分析（如图2、图3），可知轴承滚道和滚珠均为大应力疲劳剥落，滚珠爬坡和轴向窜动。保持架为大应力高周疲劳断裂，侧梁断裂处可见较多疲劳弧线，向外径面和端面疲劳扩展，裂纹扩展较稳定，扩展区面积较大，且微观可见细密疲劳条带特征；横梁磨损较重，仅少量横梁断口局部可见未磨损区域，宏观可观察到疲劳弧线，断口平坦，微观可见疲劳条带特征。根据以上判断，轴承疲劳失效可能与异常载荷和振动有关。

图2 滚道沿周向扩展疲劳弧线

图3 滚珠挤压环带

由于轴流压气机转子受到向前的轴向力，若轴承因异常载荷振动先失效，则无法起到轴向定位的作用，会导致轴流压气机转子向前窜动与进气机匣刮磨。同时滚珠及滚道的磨损会导致轴承径向游隙的增大，压气机轴发生偏斜，因此压气机叶片一侧刮磨严重，另一侧情况较好。另外，轴承径向及轴向定位失效，将使主动零度螺旋伞齿轮与从动零度螺旋锥齿轮啮合异常，使得前附件传动机构受较大的冲击力或转矩。由于组合轴最细的位置为前附件传动机构强度最薄弱的部位，因此该处首先断裂，此后主动零度螺旋伞齿轮与从动零度螺旋锥齿轮在啮合过程中继续传递较大的冲击力，造成从动零度螺旋锥齿轮从轴颈处断裂，主动零度螺旋伞齿轮多齿断裂。与此同时，由于轴承失效，压气机转子运转不平稳，产生异常振动，并最终导致压气机锁片疲劳断裂。

综合分析认为，轴承失效可能发生在中央齿轮、轴流压气机和锁片损伤之前。

4.2 前传齿轮轴故障底事件

结合故障排查结果，可以从零件强度、振动等设计不合理，零件材质或加工不合格，零件装配不合格等方面排除中央主、从动零度螺旋锥齿轮首先出现故障原因。

对中央齿轮损坏破坏位置做失效分析可知，中央主、从动锥齿轮出现了轴向干涉，是受较大的异常载荷而产生的破坏。

由上文可知，中央齿轮的损伤是发生在轴流压气机前轴承出现初始损伤之后。轴流压气机前轴承先发生损坏，导致转子刮磨及异常振动，同时在气动力作用下轴流压气机转子向前窜动，导致轴流压气机转子前端的中央主动零度螺旋伞齿轮与上/下从动零度螺旋锥齿轮之间齿隙减小，直至不存在齿隙并出现刚性接触与齿面挤压，但在燃气发生器转子作用下中央齿轮继续转动，使得齿轮承受异常载荷，传动不平稳、不连续，齿轮承受轴向冲击及扭转冲击。

根据计算分析，在无缓冲的极限冲击状态下，燃气发生器转子的冲击作用足以造成中央主、从零度螺旋锥齿轮的断齿及断轴（计算结果如图4）；实际中轴流压气机转子前移造成中央齿轮干涉及传动卡顿存在一段发展过程，齿轮转动也没有绝对卡死，但会造成上、下从动零度螺旋锥齿轮腹板在啮合轴向力作用下产生的弯矩及承受的转矩增大，引起该状态下齿轮扭转共振应力增大，根据从动零度螺旋锥齿轮振动模态应力及静应力计算分析结果（如图5），上、下从动零度螺旋锥齿轮断轴位置和拆卸孔处的裂纹位置、扩展方向，与计算应力分布情况较为一致。此外，根据分析可知，当中央主、从动锥齿轮产生啮合干涉、运转卡顿时，前传各输出传动端会受到负载惯性的冲击，其中起动发电机转动惯量最大、转速最高，根据计算分析可知上传组合轴在持续负载冲击下产生断轴的可能性较大（计算结果如图6）。

图4 中央锥齿轮无缓冲时极限冲击应力分布

图5 从动零度螺旋锥齿轮扭转振动模态应力分布

图6 组合轴冲击应变能分布

综合分析认为，当前传中央主、从动零度螺旋锥齿轮首先出现故障，啮合异常、齿轮运转传动不平稳，会产生异常振动或导致断齿，进而影响轴流压气机前轴承、轴流压气机转子锁片、上传组合轴，发展至后期存在导致故障发生的可能。

4.3 转子不平衡量过大底事件

半圆连环锁片锁爪首先断裂，掉落的锁爪落入轴流压气机转子后轮毂凹腔中随转子转动，缺失锁爪的锁片、脱落的锁爪都会导致轴流压气机转子的不平衡量增大，该不平衡量可能导致轴流压气机前轴承受到异常载荷而出现失效，进而导致故障的发生。

通过故障排查，可以排除锁片本身材质不合格、在装配弯折时出现初始裂纹、锁片在工作转速范围内存在共振的原因带来的半圆连环锁片锁爪断裂。

假设半圆连环锁片锁爪首先断裂，通过在后轮毂腔中依次放入模拟断裂的锁片爪，进行不平衡量检查，可知，脱落的锁片爪对转子支点的影响主要在后支点，前支点受到的影响小。因此，发动机的轴流压气机转子前后支点的不平衡量在锁片爪留存于轴流压气机转子后轮毂凹腔时，受到影响的主要是后支点，前支点的不平衡量很小，即锁片断裂对于轴流压气机前轴承的使用无影响。

对半圆连环锁片锁爪做失效分析，结果如图7和图8所示。由此可知，半圆连环锁片锁爪断裂是由于异常振动导致的高周疲劳，且锁片疲劳断裂存在受到由相对较小的振动应力到逐渐变大的振动应力作用的变化过程。结合轴流压气机转子叶尖刮磨的复查，判断半圆连环锁片锁爪断裂应与轴流压气机转子叶尖刮磨带来的异常振动有关。综上所述，半圆连环锁片断裂是因为其它因素引起的，是本次故障的受害件。

图7 锁片断口低倍特征

图8 锁片断口源区高疲劳条带微观形貌

5 结论

针对发动机空中停车故障，通过故障排查与分析，得出如下结论：发动机空中停车的直接原因为发动机中央传动机构的从动零度螺旋锥齿轮断轴，造成发动机燃油调节器失去动力来源、无法正常供油。造成中央传动从动零度螺旋锥齿轮断轴的原因为轴流压气机前轴承损坏，导致转子刮磨及异常振动，同时在气动力作用下轴流压气机转子向前窜动，导致轴流压气机转子前端的中央主动零度螺旋伞齿轮与上/下从动零度螺旋锥齿轮之间齿隙减小，直至不存在齿隙并出现刚性接触与齿面挤压，但在燃气发生器转子作用下中央齿轮继续转动，使得齿轮承受异常载荷，传动不平稳、不连续，齿轮承受轴向冲击及扭转冲击，持续作用下造成主动零度螺旋伞齿轮断齿、上传组合轴断裂、上/下从动零度螺旋锥齿轮断轴。造成轴流压气机前轴承损坏的原因（即故障的根本原因）是轴承承受了异常载荷或振动。

针对上述故障，建议加强发动机滑油滤的检查，对滑油光谱进行分析。