張玉龍，李勝男，劉金鵬，劉曉霞

(1.海軍駐長(zhǎng)春地區(qū)軍事代表室，長(zhǎng)春 130033;2.長(zhǎng)春航空液壓控制有限公司，長(zhǎng)春 130052)

0 引言

燃油流量調(diào)節(jié)器工作原理是通過(guò)感受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)桿角度、高壓壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力、高壓壓氣機(jī)出口溫度、渦輪后燃?xì)鉁囟鹊容斎胄盘?hào)調(diào)節(jié)產(chǎn)品內(nèi)部可變計(jì)量柱塞套筒組件和加速控制器套筒組件的型孔開(kāi)度，調(diào)整高壓柱塞泵隨動(dòng)活塞兩端壓力差，從而調(diào)整高壓泵斜盤(pán)角度，最終改變?nèi)加土髁浚?］。

燃油流量調(diào)節(jié)器在外場(chǎng)故障多為產(chǎn)品性能衰減［2］以及流量不穩(wěn)故障。性能衰減可能為發(fā)動(dòng)機(jī)需油量增加以及燃油流量調(diào)節(jié)器供油量減少導(dǎo)致。而流量不穩(wěn)的綜合因素較多，燃油流量調(diào)節(jié)器的諸多輸入信號(hào)綜合作用在可變計(jì)量柱塞套筒組件和加速控制器套筒組件上，因此對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)上出現(xiàn)的燃油流量調(diào)節(jié)器流量不穩(wěn)故障原因合理判別是較為困難的，可能是輸入信號(hào)變化，也可能是產(chǎn)品本身流量不穩(wěn)。

燃油流量調(diào)節(jié)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油系統(tǒng)的核心部件，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)高速齒輪箱后面。其流量衰減將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，影響任務(wù)的順利完成，而燃油流量調(diào)節(jié)器流量不穩(wěn)可能影響任務(wù)的正常進(jìn)行，極其嚴(yán)重時(shí)可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)調(diào)整頻率，影響部隊(duì)飛行任務(wù)。

本研究針對(duì)燃油流量調(diào)節(jié)器在試車(chē)過(guò)程中經(jīng)串裝發(fā)動(dòng)機(jī)后依然存在的流量不穩(wěn)故障(排除輸入信號(hào)原因)，用工藝試驗(yàn)驗(yàn)證的方法和手段對(duì)該燃油流量調(diào)節(jié)器的故障進(jìn)行分析以及改進(jìn)驗(yàn)證，找出提高燃油流量調(diào)節(jié)器流量穩(wěn)定性的方法。

1 故障現(xiàn)象描述

燃油流量調(diào)節(jié)器故障在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)上表現(xiàn)為將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整合格后，反復(fù)推油門(mén)桿至同一位置，或停車(chē)后重推油門(mén)桿至該位置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低甚至出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速稍后可緩慢爬升至規(guī)定轉(zhuǎn)速。在燃油流量調(diào)節(jié)器上表現(xiàn)為反復(fù)推油門(mén)桿至同一位置，產(chǎn)品流量低于起始流量或流量出現(xiàn)波動(dòng)，超出技術(shù)要求。產(chǎn)品外形見(jiàn)圖1。

圖1 燃油流量調(diào)節(jié)器外形圖Fig.1 Outline of fuel flow regulator

2 故障原因分析

2.1 燃油流量調(diào)節(jié)器功能原理

燃油流量調(diào)節(jié)器的功能是當(dāng)油門(mén)桿位置不變時(shí)，根據(jù)飛行狀態(tài)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)供油量，保持發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變;當(dāng)油門(mén)桿位置改變時(shí)，根據(jù)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口和出口壓力，按加減速供油曲線自動(dòng)改變供油量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)從一個(gè)轉(zhuǎn)速安全迅速地加速或減速到與油門(mén)桿位置相應(yīng)的另一個(gè)轉(zhuǎn)速。此外，還可限制P3、T3和T6不超過(guò)限制值，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作［3］。

燃油流量調(diào)節(jié)器的控油作用是通過(guò)可變計(jì)量柱塞和套筒組件、加速控制器組件上可變的油孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的［4］，可變計(jì)量柱塞和套筒組件結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 可變計(jì)量柱塞和套筒組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of variable metering plunge and sleeve assembly

油門(mén)角度的輸入通過(guò)連桿傳遞給產(chǎn)品的油門(mén)桿，通過(guò)凸輪、上杠桿、溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、控制器彈簧、托架等傳遞給轉(zhuǎn)速控制套筒，力作用在轉(zhuǎn)速控制套筒的左側(cè);發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的輸入通過(guò)傳動(dòng)軸、飛重軸傳遞給轉(zhuǎn)速控制套筒，力作用在轉(zhuǎn)速控制套筒的右側(cè);當(dāng)燃油流量調(diào)節(jié)器油門(mén)桿位置改變時(shí)，控制器彈簧壓縮，通過(guò)杠桿調(diào)整轉(zhuǎn)速控制套筒的軸向位置，調(diào)整可變計(jì)量柱塞上型孔的開(kāi)度，控制燃油流通面積，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小;在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超出一定值時(shí)，燃油流量調(diào)節(jié)器中飛重離心力大于控制器彈簧力，改變轉(zhuǎn)速控制套筒的軸向位置，減小燃油流量面積，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速［5］。

燃油流量調(diào)節(jié)器感受高壓壓氣機(jī)出口壓力P3和高壓壓氣機(jī)進(jìn)口壓力P2變化來(lái)調(diào)整膜盒組件伸縮，通過(guò)杠桿改變壓力平衡套筒的軸向位置，從而改變可變計(jì)量柱塞的軸向位置，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 原因分析

通過(guò)燃油流量調(diào)節(jié)器在廠內(nèi)性能驗(yàn)收試驗(yàn)器上的流量試驗(yàn)(即在額定的輸入?yún)?shù)情況，測(cè)試產(chǎn)品流量)及與發(fā)動(dòng)機(jī)配試，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和原理分析，確認(rèn)燃油流量調(diào)節(jié)器出現(xiàn)流量不穩(wěn)故障的原因如下:

1)可變計(jì)量柱塞和套筒組件、加速控制器組件的配合表面光潔度低。結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

轉(zhuǎn)速控制套筒以及加速控制器套筒的軸向位置變化量與流量變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中，A為燃油流通面積，a為型孔底邊長(zhǎng)度一半，b為型孔高，h為流通面積的寬度，x為套筒軸向位置，Δx為相對(duì)位移。

燃油流量

式中，ΔP為燃油流通面積前后壓差，μ為流量系數(shù)，ρ為燃油密度。

可以得出流量變化量與軸向位置變化量對(duì)應(yīng)關(guān)系為

組件表面光潔度影響可變計(jì)量柱塞和套筒組件、加速控制器組件的配合表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力。光潔度越低，相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦力越大，在相同作用力下組件相對(duì)位移Δx越小，即流通面積A減小，進(jìn)而燃油流量減小。組件表面光潔度低原因:細(xì)小毛刺將零件劃傷，可變計(jì)量柱塞表面因噴涂過(guò)程中噴槍回火積碳，涂層表面造成局部存在夾雜和孔隙。

2)P3P壓力變化導(dǎo)致流量變化。

高壓壓氣機(jī)出口壓力P3進(jìn)入燃油流量調(diào)節(jié)器空氣組件內(nèi)，經(jīng)過(guò)再調(diào)主孔和副孔形成高壓壓氣機(jī)出口壓力的分壓P3P，P3P和高壓壓氣機(jī)進(jìn)口壓力P2分別作用在膜盒真空段和開(kāi)口段，氣體壓力變化時(shí)膜盒伸縮或膨脹通過(guò)膜盒杠桿組件帶動(dòng)可變計(jì)量柱塞做軸向移動(dòng)，從而改變可變計(jì)量柱塞和套筒的相對(duì)位移。再調(diào)活門(mén)作用在再調(diào)主孔上，在不同工況狀態(tài)下控制再調(diào)主孔處于不同開(kāi)度。

此處P3P壓力變化指的是發(fā)動(dòng)機(jī)工況一致的情況下，P3P壓力因再調(diào)活門(mén)［6］污染導(dǎo)致往復(fù)運(yùn)動(dòng)不靈活，致使再調(diào)主孔開(kāi)度變化導(dǎo)致P3P壓力不一致。

式中，m為膜盒位移量，i為位移放大比，k為膜盒剛度，a為膜盒組開(kāi)口段伸縮系數(shù)與膜盒組伸縮系數(shù)比。

根據(jù)公式(3)，流量變化與P3P壓力變化具有相關(guān)性。

3)飛重運(yùn)動(dòng)不靈活或出現(xiàn)卡滯，對(duì)應(yīng)同一轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速控制套筒受到的飛重力不一致，致使流量發(fā)生變化［7］。

4)溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯，導(dǎo)致在反復(fù)推拉油門(mén)桿的過(guò)程中，控制器彈簧力變化影響轉(zhuǎn)速控制套筒在運(yùn)動(dòng)位置不一致，從而導(dǎo)致流量發(fā)生變化。

油門(mén)桿經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)后作用在控制器彈簧上，作用在杠桿左下端，通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)，將力作用在轉(zhuǎn)速控制套筒上，控制轉(zhuǎn)速控制套筒左右移動(dòng)。當(dāng)溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯情況時(shí)，可能引起轉(zhuǎn)速控制套筒運(yùn)動(dòng)位置不一致，流量發(fā)生變化。

溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)位移變化量L與轉(zhuǎn)速控制套筒軸向位置相對(duì)位移Δx示意見(jiàn)圖3，兩者關(guān)系式為

根據(jù)公式(3)，溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)卡滯也會(huì)導(dǎo)致流量不穩(wěn)定。

5)轉(zhuǎn)速控制套筒計(jì)量刃邊共面度不好或與外表面形狀公差較大，影響油液流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致流量發(fā)生變化。

圖3 力矩示意圖Fig.3 Torque diagram

3 改進(jìn)措施及改進(jìn)效果驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

通過(guò)以上計(jì)算、試驗(yàn)和分析，消除燃油流量調(diào)節(jié)器流量不穩(wěn)故障措施如下:

1)對(duì)可變計(jì)量柱塞需采取細(xì)化工藝方法提高表面光潔度，保證與兩者在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)作靈活，防止出現(xiàn)在重推油門(mén)桿時(shí)軸向位置不一致現(xiàn)象。

2)明確燃油流量調(diào)節(jié)器再調(diào)活門(mén)的清洗周期，防止再調(diào)活門(mén)因污染出現(xiàn)卡滯導(dǎo)致流量變化。

3)調(diào)整飛重裝配側(cè)隙，以提高產(chǎn)品的抗污染能力，保證飛重運(yùn)動(dòng)靈活性。

4)控制溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)部分零件的形位公差，以防止工作中卡滯影響溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償效果。

5)控制轉(zhuǎn)速控制套筒相關(guān)尺寸外圓圓柱度、計(jì)量刃邊共面度，可保證轉(zhuǎn)速控制套筒在工作過(guò)程中位置平穩(wěn)不出現(xiàn)偏磨，流量不發(fā)生變化。

6)細(xì)化油門(mén)桿不同位置［8］對(duì)應(yīng)的燃油流量調(diào)節(jié)器流量試驗(yàn)要求和合格判據(jù)。

3.2 改進(jìn)效果驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后燃油流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證和裝發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證，累計(jì)經(jīng)六十余臺(tái)次流量性能對(duì)比驗(yàn)證，改進(jìn)后的產(chǎn)品在產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程中、裝發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后均未出現(xiàn)產(chǎn)品流量性能不穩(wěn)定故障，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

燃油流量調(diào)節(jié)器流量不穩(wěn)故障可能的原因有可變計(jì)量柱塞表面光潔度低、轉(zhuǎn)速控制套筒計(jì)量刃邊共面度不好、再調(diào)活門(mén)抗污染能力低、飛重和溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不靈活或出現(xiàn)卡滯造成的;通過(guò)細(xì)化可變計(jì)量柱塞工藝方法提高表面光潔度、調(diào)整飛重裝配側(cè)隙提高抗污染能力、控制溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)速控制套筒部分零組件的形位公差提高運(yùn)動(dòng)靈活性以及明確燃油流量調(diào)節(jié)器再調(diào)活門(mén)的清洗周期等措施，可提高燃油流量調(diào)節(jié)器流量穩(wěn)定性。

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