某航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭溫度（CHT）指示故障分析

中國民航飛行學(xué)院新津分院 任 可

對于航空活塞式的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，發(fā)動(dòng)機(jī)超溫是危害發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命的最大隱患。飛行中可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)超溫的因素較多且復(fù)雜，如滑油冷卻系統(tǒng)故障、點(diǎn)火系統(tǒng)故障、油路或管路阻塞或油路氣塞造成供油不暢的貧油等。而汽缸頭溫度（以下簡稱CHT）作為保護(hù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，主要為飛行員監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并防止發(fā)動(dòng)機(jī)的過熱和超溫。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)損害最大的因素就是發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，飛行中可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)超溫的因素較多且復(fù)雜，常見原因主要有：夏天發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度較高；比巡航高度較較貧油的燃油設(shè)置使EGT過高從而導(dǎo)致CHT超溫；油路或管路阻塞或油路氣塞造成供油不暢的貧油；滑油冷卻系統(tǒng)故障；點(diǎn)火系統(tǒng)故障；發(fā)動(dòng)機(jī)安裝不規(guī)范導(dǎo)致相對沖壓氣流發(fā)生變化或魚鱗板不能正常打開。同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械問題也可以導(dǎo)致CHT升高。另外在冬季氣溫較低時(shí)，地面試車時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按飛行手冊的要求暖機(jī)，保證CHT和滑油溫度均勻柔和的上升到預(yù)定溫度，禁止采用調(diào)節(jié)混合比或增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速暖機(jī)，以避免發(fā)動(dòng)局部溫度的不均勻?qū)е翪HT升高。

1 某航空活塞式汽缸頭溫度指示故障及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 某航空活塞式汽缸頭溫度指示故障

飛行員反映某通用航空活塞式1號缸氣缸頭溫度（CHT）值高于其余3個(gè)氣缸CHT 值近130℉，并且在大轉(zhuǎn)速期間1號缸CHT指示滿量程600℉并最后顯示紅叉（其余三缸CHT均在350℉±20℉正常范圍內(nèi)）。隨后在機(jī)務(wù)人員的3次地面試車中該故障僅復(fù)現(xiàn)過一次。

1.2 某航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭溫度指示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該航空活塞式采用的綜合航電系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)為直列4缸布局。發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭溫度指示系統(tǒng)主要由兩個(gè)液晶顯示器PFD和MFD、兩個(gè)中央數(shù)據(jù)處理器GIA1和GIA2、一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)集成電子組件GEA和4個(gè)CHT傳感器等組成。其中，PFD、MFD、GIA1、GIA2和GEA是該綜合航電系統(tǒng)的其中5個(gè)組件；其中，PFD和MFD是系統(tǒng)的顯示部分，為10.4英寸的液晶顯示器，1024X768的分辨率。主飛行顯示稱為PFD，多功能顯示稱為MFD。PFD顯示飛行信息，以替代傳統(tǒng)的陀螺儀表;MFD顯示導(dǎo)航信息和發(fā)動(dòng)機(jī)/機(jī)身參數(shù)。兩個(gè)顯示器連接和顯示飛行期間系統(tǒng)的所有功能。

GEA 71是一個(gè)帶微處理器的LRU組件，負(fù)責(zé)接收/處理來自發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身傳感器的信號。傳感器包括發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和壓力傳感器以及燃油測量和壓力傳感器。GEA 71通過使用RS-485數(shù)字接口，直接與兩個(gè)GIA 63組件通訊。GEA 71可使用在單發(fā)飛機(jī)到復(fù)雜渦輪推進(jìn)的飛機(jī)上。通過RS-232數(shù)字接口，收到GIA的軟件和構(gòu)型設(shè)置。

CHT傳感器采用熱電偶作為探頭，其熱端安裝在氣缸頭，用于感受氣缸溫度，冷端安裝在靠近GEA組件的接頭一側(cè)。根據(jù)熱電偶的特性，如果冷端和熱端之間存在著溫度差，則電路中會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生熱電勢，且熱電勢與溫度差成正比，通過測量熱電勢的大小可以感知?dú)飧诇囟取?/p>

系統(tǒng)基本工作原理為：4個(gè)CHT傳感器分別感受4個(gè)缸的溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號并傳輸?shù)紾EA，GEA接受數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后傳送給計(jì)算機(jī)GIA1和GIA2，GIA1和GIA2將該信號輸送給其他有交聯(lián)的組件，并分別送到各自對應(yīng)的顯示器以柱狀圖和數(shù)字的形式進(jìn)行溫度顯示，該柱狀圖的指示范圍為：0～600℉（通常發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)CHT不會(huì)超過500℉），當(dāng)溫度超過600℉或者發(fā)生故障時(shí)該柱狀圖會(huì)出現(xiàn)紅叉。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)CHT指示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the engine CHT indication system

2 故障原因分析及排故

2.1 排故思路

由于該機(jī)綜合航電系統(tǒng)由多個(gè)組件構(gòu)成，各個(gè)部件在獨(dú)立完成各自功能的同時(shí)還相互進(jìn)行數(shù)據(jù)交聯(lián)，因此在排故時(shí)不能采用分離式設(shè)備的傳統(tǒng)排故方法；同時(shí)由于該故障屬于具有一定隨機(jī)性的間歇性故障，故障現(xiàn)象不是固定存在，排故難度較大，因此需要站在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度上來全面分析可能存在故障點(diǎn)并制定相應(yīng)的排故流程。

通常應(yīng)重點(diǎn)考慮3個(gè)方面的問題：一是線路問題，如磨損、振動(dòng)等造成的短路、斷路、連接器接觸不良等[1]；二是硬件故障，如不正確的操作、高溫、高濕和靜電損傷等；三是軟件和配置問題，如軟件版本、數(shù)據(jù)亂碼等。由于飛機(jī)上空間有限，查找線路相對困難，因此排故程序應(yīng)遵循先易后難的原則進(jìn)行，先進(jìn)行軟件和硬件排故，最后再查找線路故障。

2.2 故障定位與原因分析

2.2.1 故障排查與定位

根據(jù)該機(jī)故障現(xiàn)象，首先查閱該型飛機(jī)的最新維護(hù)手冊，但手冊沒有給出此類故障的排故說明，因此只有按照結(jié)構(gòu)圖和電路圖對系統(tǒng)進(jìn)行分段檢查和測試。具體排故流程如圖2所示。

圖2 排故流程圖Fig.2 Troubleshooting program

表1 1號缸CHT離線測試數(shù)據(jù)

（1）檢查各組件和CHT傳感器狀態(tài)。由于僅為1號缸CHT指示故障，因此首先將1號缸CHT傳感器拆下用專用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)滑油/汽缸頭溫度系統(tǒng)測試儀FX13052進(jìn)行離線測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示，對比理論值結(jié)果表明該傳感器工作正常。之后將系統(tǒng)啟動(dòng)到維護(hù)模式下檢查各組件的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)GIA1、GIA2、PFD、MFD和GEA的工作狀態(tài)均顯示正常，同時(shí)為排除因?yàn)檎駝?dòng)可能導(dǎo)致的接觸不良，分別檢查5個(gè)組件安裝是否可靠，連接器有無松動(dòng)，插釘有無變形和彎折等，均未發(fā)現(xiàn)異常情況，但是這并不能完全排除組件可能存在的硬件故障。

（2）重新裝載軟件及配置文件。首先用該機(jī)隨機(jī)光盤制作數(shù)據(jù)卡，然后分別加載5個(gè)組件的軟件及配置文件，地面試車1號缸CHT雖然未出現(xiàn)紅叉，但是仍然比其余三缸溫度高150℉左右，由此排除軟件及配置文件的故障可能性。

（3）按照先易后難的原則從CHT傳感器往顯示器的方向排查線路。首先檢查1號缸CHT傳感器到GEA71的線路，根據(jù)線路圖（如圖3所示）發(fā)現(xiàn)1號缸CHT傳感器的熱、冷端接線通過一個(gè)連接器JN017/PN017分別連接到GEA71組件的26腳和27腳。首先斷開連接器JN017/PN017，檢查該連接器的兩端到GEA 71的26腳和27腳的線路，發(fā)現(xiàn)兩條線路沒有外觀破損致短路的現(xiàn)象。為了模擬近似飛行中的情況，在不停搖動(dòng)線路的同時(shí)，用三用表分別測量兩條線路的通斷后發(fā)現(xiàn)：冷端線路一直處于連通狀態(tài)，而熱端線路則時(shí)而接通，時(shí)而斷路，極不穩(wěn)定。將連接器JN017/PN017拆開后發(fā)現(xiàn)熱端接線柱松動(dòng)，部分線絲已脫落，初步判斷故障原因就是該連接器的熱端線路松脫造成溫度指示異常，重新連接好熱端線路后地面試車，1號缸CHT指示正常，并且與其他3缸的溫度差僅有±20℉，在正常范圍內(nèi)。

（4）由于已找到該連接器的熱端線路松脫，并且沒有明確的現(xiàn)象表明5個(gè)組件存在硬件故障，所以不必再進(jìn)行硬件更換及其軟件的配置。

2.2.2 故障統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)該機(jī)型33架飛機(jī)3年內(nèi)出現(xiàn)的CHT指示故障共計(jì)28架次，主要有4個(gè)方面的原因：CHT傳感器故障、線路故障、硬件故障和軟件及配置故障，具體分布表如表2所示。

圖3 1號缸CHT傳感器到GEA71的線路圖Fig.3 Wiring diagram of First cylinder CHT sensor to GEA71

表2 CHT指示系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計(jì)

從表2中可以看出，（1）CHT傳感器是導(dǎo)致CHT溫度指示故障的最主要因素，排除該類故障較為簡單。（2）由于飛機(jī)線路經(jīng)常受到振動(dòng)、高溫、高腐蝕等環(huán)境因素以及自身老化的影響，易造成接連接件松動(dòng)、線路腐蝕、氧化、絕緣層磨損、耗損增大等，從而導(dǎo)致各類故障，此類排故相對較為復(fù)雜。在這8次線路故障中，有4次是線路磨損導(dǎo)致短路或斷路，有兩次是連接器接線松脫，還有兩次是接頭受到發(fā)動(dòng)機(jī)滑油污染和腐蝕。（3）5次硬件故障包括2次GIA故障和3次GEA71故障。（4）2次軟件及配置故障均為人為裝載錯(cuò)誤而致。

3 結(jié)論

CHT是航空活塞式的一個(gè)重要參數(shù)，它直接關(guān)系到飛行員對飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的判斷，從而影響飛行安全。因此在日常使用維護(hù)過程中，維修人員需要加強(qiáng)對該航空活塞式CHT傳感器及其線路的清潔和檢查。同時(shí)，針對飛機(jī)電子系統(tǒng)線路的排故，應(yīng)首先需要了解故障發(fā)生過程和現(xiàn)象，并從故障系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理上進(jìn)行分析，結(jié)合各類流程圖和線路圖等制定具體排故程序，運(yùn)用各種檢查方法（如目視法、串件法、短接法、分段檢測法等）查找重點(diǎn)線路、連接器和設(shè)備等，并最終確定故障原因[2-4]。

[1] 張翔.老齡飛機(jī)線路故障及維護(hù).中國民用航空，2012(4)：42-43.

[2] 莫伊爾.民用航空電子系統(tǒng).北京:航空工業(yè)出版社，2009(4)：22-26.

[3] 汪煒.航空維修中的故障處理.航空制造技術(shù)，2006(9)：55-57.

[4] 荊曉東.淺析活塞發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭溫度. 科技資訊，2005(26)：30..