張德銀，梁威鵬，黃選紅，孟 超，陳從翰，孫 淼

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

近年來，隨著中國民航事業(yè)大發(fā)展和各地通航機場數(shù)量的擴張，通用航空也在突飛猛進地發(fā)展。據(jù)《2017年中國通用航空運輸行業(yè)研究報告》數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，我國共有運輸航空公司59家，比上年底增加4家，其中通用航空全行業(yè)飛機數(shù)量在2014年達1798架，2016年在冊架數(shù)2950架，比上年底增加300架。隨著我國機場數(shù)量的增加及航空旅客運輸量的增長，預(yù)計到2021年，我國通用航空飛機數(shù)量將達到1萬架以上[1]。

通用航空委員會對中國通用航空市場的微觀需求進行了較為系統(tǒng)的分析和預(yù)測，認為2021年中國約1萬架通用飛機中，將有6000架活塞飛機， 2000架渦輪螺旋槳飛機， 500架商務(wù)噴氣飛機，1000架直升機和500架其他機型，而在所有機型中，活塞發(fā)動機飛機占比60%左右[2]。由此可見在通用航空發(fā)展的進程中，活塞發(fā)動機飛機是通用航空器中的主力軍。

航空磁電機是航空活塞發(fā)動機點火系統(tǒng)的重要組成部分，工作好壞直接影響發(fā)動機的功率，甚至影響飛行安全。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在某通航單位2008年全年點火系統(tǒng)故障統(tǒng)計中，航空磁電機故障占整個點火系統(tǒng)故障的71%左右[3]。目前維修人員主要參考維修手冊對航空磁電機進行維修，這種方法效率低且依賴維修經(jīng)驗。

本文將航空磁電機故障樹與以往故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)相結(jié)合，制定了航空磁電機故障診斷優(yōu)先程序，對現(xiàn)有技術(shù)進行了優(yōu)化。

1 航空磁電機組成及工作原理

航空活塞發(fā)動機點火系統(tǒng)由航空磁電機、磁電機開關(guān)、高壓導(dǎo)線、點火電嘴[4]等部分組成，如圖1所示。

航空磁電機是航空活塞發(fā)動機點火系統(tǒng)的核心部件，其銘牌上都標識型號、旋轉(zhuǎn)方向等信息；高壓導(dǎo)線連接在航空磁電機與點火電嘴之間，由磁電機開關(guān)控制其通斷；點火電嘴其實就是一個放電裝置，發(fā)動機傳來的機械能通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為高壓電通過高壓導(dǎo)線供給點火電嘴正負電極產(chǎn)生電火花[5]，點燃油氣混合氣推動活塞使螺旋槳旋轉(zhuǎn)作功。

圖1航空活塞發(fā)動機點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每臺飛機發(fā)動機都有兩臺航空磁電機以備有余度。圖2所示是航空磁電機基本結(jié)構(gòu)圖，包含沖擊聯(lián)軸器、殼體、分電器、電容器、斷電器、線包、磁鐵轉(zhuǎn)子等部件。航空磁電機工作原理為：當發(fā)動機機匣內(nèi)的齒輪帶動航空磁電機轉(zhuǎn)子時會在航空磁電機線圈鐵芯中產(chǎn)生磁通。當觸點閉合時會有電流流過初級線圈并在周圍產(chǎn)生磁場，當觸點斷開時初級線圈的磁場會消失，這樣在二級線圈會產(chǎn)生高電壓,這個高電壓通過高壓導(dǎo)線傳到點火電嘴產(chǎn)生電火花。

圖2 航空磁電機基本結(jié)構(gòu)圖

航空磁電機主要部件中，沖擊聯(lián)軸器由主動盤、發(fā)條式彈簧、被動盤構(gòu)成，在工作中沖擊聯(lián)軸器出現(xiàn)的卡阻、彈簧疲軟等故障會導(dǎo)致航空磁電機無法正常產(chǎn)生高電壓。分電器由分電盤、分電臂、分電齒輪等部分組成，在分電齒輪軸內(nèi)部裝有碳刷，在長期使用中碳刷會出現(xiàn)磨損，分電臂和裝在分電盤上的分電站會由于跳火產(chǎn)生燒蝕。

航空磁電機的磁鐵轉(zhuǎn)子、軟鐵架、線包等組件都裝在殼體中，在發(fā)動機工作過程中線包與殼體之間的摩擦會使線包外部出現(xiàn)磨損，使線圈與殼體之間放電，降低二級線圈電壓，磁鐵轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的磨損故障會使分電臂在斷電器斷電時無法正對分電站。斷電器由底座、彈簧片、接線座、觸點等部分組成，斷電器觸點間隙發(fā)生變化會使航空磁電機掉轉(zhuǎn)過多，與觸點并聯(lián)的電容器的作用是避免觸點燒毀和防止二級線圈電動勢減弱。

2 航空磁電機故障樹的建立

航空磁電機最大故障就是高壓電傳到點火電嘴時產(chǎn)生的電火花強度不夠，甚至不點火。航空磁電機任何部件發(fā)生故障都會使航空磁電機工作不正常[6]，因此航空磁電機故障樹的中間事件就是航空磁電機各個部件發(fā)生故障，各個部件故障發(fā)生的直接原因就是底事件。根據(jù)對航空磁電機的故障分析以及在修理廠收集的故障資料，繪制出如圖3所示的航空磁電機故障樹。

圖3航空磁電機故障樹

圖3中頂事件T為航空磁電機點火強度弱或不點火；G1為磁鐵轉(zhuǎn)子故障，G2為電容器故障，G3為沖擊聯(lián)軸器故障，G4為分電器故障，G5為斷電器故障，G6為線包故障；X1為密封件損壞，X2為磁鐵轉(zhuǎn)子磨損，X3為轉(zhuǎn)子齒輪磨損，X4為轉(zhuǎn)子軸承磨損，X5為甩油環(huán)損壞，X6為電容器與護套之間松動，X7為電容器導(dǎo)線破損或折斷，X8為電容器本身故障，X9為沖擊聯(lián)軸器卡阻，X10為沖擊聯(lián)軸器銹蝕，X11為沖擊聯(lián)軸器彈簧疲軟，X12為分電盤裂紋或損壞，X13為分電站、分電臂松動或燒蝕，X14為碳刷磨損，X15為碳刷彈簧變形，X16為分電盤齒輪軸磨損，X17為斷電器間隙過大或過小，X18為接觸點燒蝕，X19為接觸點表面氧化、掛油，X20為凸輪磨損或缺失，X21為線圈磨損，X22為線圈燒蝕，X23為線圈接觸片磨損，X24為線圈絕緣性變差，X25為殼體裂紋，X26為傳動軸扭斷

使用下行法求故障樹的最小割集，得出每個底端事件都是一個最小割集。為了進行定量分析，計算出頂端事件發(fā)生的概率，為此在修理廠維修一線對400份維修報告進行統(tǒng)計，通過統(tǒng)計得到表1中的數(shù)據(jù)。

表1 航空磁電機常見故障統(tǒng)計表

續(xù)表1

故障出現(xiàn)次數(shù)出現(xiàn)概率線圈燒蝕215．25%殼體裂紋205%斷電器間隙過大或過小174．25%線圈接觸片磨損174．25%分電臂、分電站松動或燒蝕133．25%轉(zhuǎn)子齒輪磨損123%接觸點表面氧化、掛油112．75%分電盤齒輪軸磨損112．75%沖擊聯(lián)軸器卡阻102．5%電容器導(dǎo)線破損或折斷92．25%電容值超標71．75%電容器與護套之間松動61．5%磁鐵轉(zhuǎn)子磨損51．25%轉(zhuǎn)子軸承磨損51．25%凸輪磨損或缺失41%碳刷彈簧變形30．75%甩油環(huán)損壞20．5%線圈絕緣性變差10．25%沖擊聯(lián)軸器銹蝕10．25%沖擊聯(lián)軸器彈簧疲軟10．25%傳動軸扭斷10．25%

用PGn表示中間事件的發(fā)生概率，PXn表示底事件發(fā)生的概率，PT表示頂事件的發(fā)生概率，則:

PG1=1-(1-PX2)(1-PX3)(1-PX4)(1-PX5)=0.05883；PG2=0.05401；PG3=0.02987；PG4=0.33919；PG5=0.55059；PG6=0.20589；PT=0.81904。

當頂端事件發(fā)生時，各個最小割集重要度可根據(jù)式PM/T=PM/PT計算。PM/T表示最小割集重要度，PM表示最小割集的發(fā)生概率，由上可知PM=PXn，因此PM/T=PXn/PT。則得到各最小割集的重要度，如表2所示。中間事件重要度如表3所示。

表2 最小割集的重要度

表3 中間事件的重要度

續(xù)表3

中間事件重要G50．672238G60．251380

3 航空磁電機故障診斷程序制定

為了讓維修人員在工作中能更快找到故障，故根據(jù)排故一般規(guī)則和重要度將航空磁電機眾多故障分出主次，安排出合理高效的排故程序。

將航空磁電機故障樹中間事件的重要度、作為頂端事件直接原因的底事件的重要度按照大小順序排列：G5斷電器故障重要度>G4分電器故障重要度>G6線包故障重要度>X1密封件損壞重要度>G1磁鐵轉(zhuǎn)子故障重要度>G2電容器故障重要度>X25殼體裂紋重要度>G3沖擊聯(lián)軸器故障重要度>X26傳動軸扭斷重要度。概率重要度值越大，說明它對頂事件的影響越大，故航空磁電機排故主程序如圖4所示。

圖4 航空磁電機排故主程序

將導(dǎo)致分電器故障的底事件按照重要度大小排序，可得出分電器排故子程序，如圖5所示。首先檢查碳刷是否有磨損：在航空磁電機工作過程中碳刷始終跟著分電盤齒輪旋轉(zhuǎn)，長期使用后會出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致碳刷與接觸片之間接觸不良，影響磁電機工作[7]。其次檢查分電盤和分電站，看分電盤是否磨損積碳，看分電站是否有燒蝕。分電站燒蝕會使分電臂與各分電站之間間隙不一樣，導(dǎo)電效果差。接著檢查分電盤齒輪軸是否有磨損。齒輪軸磨損會使分電臂與各個分電站之間的間隙不斷變化，導(dǎo)致航空磁電機傳給各個點火電嘴上的高壓電動勢各不相同。最后檢查碳刷彈簧是否燒蝕、生銹或腐蝕引起變形。碳刷彈簧出現(xiàn)燒蝕變形，同樣也會導(dǎo)致航空磁電機工作不正常。

圖5分電器排故子程序

根據(jù)以上方法也可以對航空磁電機的斷電器、線包等部件做出排故程序。除此之外，對航空磁電機線路絕緣值進行檢查時，也應(yīng)著重檢查磁電機開關(guān)。因為磁電機開關(guān)后蓋與開關(guān)接線柱之間間隙小，在擠壓安全保護套后會導(dǎo)致絕緣值變化，安全保護套和膠合板的本身材料不符合標準也會導(dǎo)致絕緣值變化，這些問題都可能導(dǎo)致發(fā)動機無法正常點火[8-10]。

在一線維修中，將核對過的某型號航空磁電機安裝到測試臺進行測試，發(fā)現(xiàn)連續(xù)性跳火不穩(wěn)定，初步分析是分電器存在故障。將磁電機分解并對分電器按照排故程序逐步檢查，最終斷定是分電盤磨損、分電盤齒輪松動。最后對各部件按照重要度做出全面細致地檢查。實踐證明將故障樹分析法與磁電機故障診斷結(jié)合起來，能夠大大縮短維修人員進行故障診斷的時間，并能讓新手維修人員更快地進行航空磁電機診斷與維修。

4 結(jié)語

本文介紹了航空磁電機的結(jié)構(gòu)、工作原理及各部件可能發(fā)生的故障，并根據(jù)某飛機修理廠近兩年400臺航空磁電機維修報告，建立并定性定量分析了航空磁電機故障。根據(jù)各部件故障重要度，對航空磁電機各部件故障進行排故主次排序并設(shè)計出航空磁電機分電器故障診斷流程，為機務(wù)維修人員迅速定位故障部件提供了技術(shù)支撐。

[1] 中商產(chǎn)業(yè)研究院.2017年中國通用航空運輸行業(yè)研究報告[EB/OL].(2017-06-13)[2017-09-05].http://www.askci.com/news/chanye/20170613/174035100398.shtml.

[2] 丁發(fā)軍,閆峰.航空活塞發(fā)動機工程技術(shù)管理[M].成都：西南交通大學出版社，2014：61-82.

[3] 段容宜.航空磁電機故障與維護淺析[J].科技傳播,2011(12):145-146.

[4] 錢偉,詹定鵬,張德銀,等.航空活塞發(fā)動機點火強度均衡性測試及防火研究[J].火災(zāi)科學,2016,25(4):188-193.

[5] 李汝輝,吳一黃.活塞式航空動力裝置[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008:60-69.

[6] 嚴軍.基于故障樹分析法的航空活塞發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].成都:電子科技大學,2010.

[7] 呂偉.TB-200飛機航空電機的使用可靠性及故障分析[J].科學技術(shù)與工程,2012,12(32):8803-8806.

[8] 馬宏偉.航空活塞式發(fā)動機點火故障檢測系統(tǒng)開發(fā)[D].成都:電子科技大學,2011.

[9] TB20 aircraft maintenance manual[M].Scotta Aircraft Company,2010.

[10] Cessna 172R maintenance manual[M].Cessna Aircraft Company,2008.