某型ATS上極限轉速傳感裝置失效分析

張國浩 史鑫垚

摘 要：為了找出空氣渦輪起動機上極限轉速傳感裝置失效的原因，首先對其工作原理進行了分析，得出可能原因為配重塊與活塞桿、外座之間搭接間隙增大了。分解檢查后對該裝置進行了尺寸計量及相關表面硬度進行了檢測，從而分析出失效原因。接下來，根據尺寸計量的結果建立了三維實體模型，將模型按特定位置進行裝配，測出了兩個特定位置處的搭接間隙，將其與配重塊長度進行比較，驗證了失效產生的原因。

關鍵詞：ATS;極限轉速傳感裝置

航空發(fā)動機與ATS的轉子通過超越離合器進行連接，用來傳遞起動扭矩。當發(fā)動機高壓轉子轉速超過設定值以后，其在超越離合器的作用下與發(fā)動機分離。此時如果不切斷ATS的氣源，其轉子轉速繼續(xù)增大，甚至發(fā)生超轉，威脅軸承壽命、造成振動增大，甚至轉子破裂等嚴重后果[1]。因此在ATS上設置一套極限轉速傳感裝置來保護自身的安全顯得尤為重要。

某型ATS配裝發(fā)動機起動試驗過程中，監(jiān)測到ATS振動劇烈增大，而電子控制器未檢測到超轉信號。緊急停機后拆下ATS發(fā)現(xiàn)極限轉速傳感裝置一配重塊已經脫落。

1轉速傳感裝置

1.1組成

極限轉速傳感裝置由微動開關、旋鈕、活塞桿、配重塊（上下兩側各一塊）、外座、內座、襯套、彈簧、擋圈、調整墊片、連接銷等組成（見圖1），其中微動開關和旋鈕屬于靜子件，通過螺栓固定在ATS導向器上;其他部分稱為傳感器，通過螺紋連接在渦輪轉子組件上，隨ATS轉子同步轉動。

圖1 極限轉速傳感裝置的結構示意圖

1.2工作原理

在設計保護轉速以下時，配重塊對活塞桿的離心頂力小于彈簧對活塞桿的初始拉緊力，配重塊是不運動的。當超過這一轉速時，配重塊開始轉動，活塞桿被頂出;同時隨轉速增大、活塞桿頂出距離增加，配重塊轉動產生的離心頂力的增速大于彈簧拉緊力，從而使得活塞桿的富余頂力越來越大。當富余頂力足夠大時活塞桿推動旋鈕，從而觸發(fā)微動開關輸出電信號至電子控制器。

因此根據上述原理：ATS轉子轉速超過上述設計保護轉速時，配重塊繞外座接觸點旋轉。當配重塊與外座、活塞桿接觸點最小距離（簡稱搭接間隙）大于配重塊長度時，配重塊就會從外座脫出。

2搭接間隙增大原因分析

2.1材料磨損導致搭接間隙增大

配重塊與內、外座三者都采用了相同的不銹鋼材料（1Cr11Ni2W2MoV）和熱處理標準，不同之處在于熱處理冷卻要求不同，即硬度存在差別。據此，對他們的硬度進行了測量，結果如表1所示：

從表中數(shù)據可以看出：配重塊硬度超過外座，實際工作中，當配重塊繞外座卡槽旋轉時，外座有磨損的風險。

計量外座卡槽距中心線尺寸，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)試驗后增大了0.15mm，說明傳感器外座實際使用后被配重塊磨損了0.15mm。

表1? 硬度測量結果

序號 名稱 設計硬度要求 實際測量硬度

1 活塞桿 HRC33.4～41.6 HRC 40.5

2 配重塊 HRC36.5～41.5 HRC 41.3

3 外? 座 HRC33.4～41.6 HRC 34.4

2.2零件超差

對ATS傳感裝置進行分解計量，發(fā)現(xiàn)除上述外座卡槽受磨損超差外，還存在一處超差情況：襯套內徑尺寸為Φ3.8mm，超出其設計極大值Φ3.3mm，這樣會導致工作過程中活塞桿產生較大偏斜。若將脫落的配重塊和此超差襯套原樣復裝到極限轉速傳感裝置，通過試驗進行故障復現(xiàn)，可能會給試驗帶來嚴重的安全隱患。因此本文提出一種利用傳感器分解后零件實際計量尺寸，對其建立三維模型，運用特定位置裝配的方法進行失效分析，確認該處超差對極限轉速傳感裝置失效的影響，大大簡化了分析過程并加快了分析進度。

3 建模分析

3.1建立三維模型

根據零件分解計量結果，活塞桿直徑為Φ3.19mm，錐形帽寬為Φ8.5mm;襯套內徑極大值為Φ3.80mm;配重塊長度Lp極小值為11.15 mm，配重塊厚度最大值d=2 mm;外座卡槽深度極大值為13.25mm。運用建模軟件UG對傳感器建立三維模型，如圖2所示。

圖2 傳感器三維模型

3.2特定位置裝配分析

若傳感器在任一工作位置配重塊存在脫落的可能，則說明此襯套超差可能為極限轉速傳感裝置失效的原因。本文選取如下兩個特定位置，將傳感器三維模型裝配好后便可測出對應的搭接間隙，通過將其與配重塊長度進行比較，可以判斷出配重塊是否有脫落的風險。

1）位置1

考慮實際裝配但工作過程中活塞桿不偏斜時，配重塊與活塞桿相對位置如圖3所示。當活塞桿行程達到最大值，活塞襯套與彈簧擋圈端面平齊時，LJ=10.76mm

2）位置2

同時由于襯套內徑最大值為Φ3.8mm，遠大于活塞桿直徑Φ3.19mm，所以就必須考慮到活塞桿在實際工作過程中的擺動。如圖4為徑向水平擺動量達到最大時，配重塊偏斜側LJ1=11.26> Lp，另一側LJ2=10.297mm

圖3 當活塞桿不偏斜且行程L=4.1時傳感器示意圖

圖4活塞桿擺動量最大且行程為L=4.1時傳感器示意圖

4.失效機理分析

根據上述分析結果，可判斷出本次極限轉速傳感裝置失效原因為：外座表面硬度偏小，工作過程中與配重塊接觸受到磨損，導致外座卡槽間隙與中心線距離增大;同時，由于襯套內徑尺寸超差偏大，工作時在振動及殘余不平衡量等載荷作用下，活塞桿向一邊偏斜，這兩個因素共同作用導致配重塊一側搭接間隙變大，超過其自身長度的情況下發(fā)生脫落。

5.改進措施及驗證情況

針對極限轉速傳感裝置失效發(fā)生的原因，提出了如下改進措施：

a）將尺寸超差的襯套更換為合格件;

b）修改外座熱處理要求從而提高外座表面硬度，更換新硬度的外座。

將更換了新襯套和外座的極限轉速傳感裝置裝配至ATS上，按照相同的試車大綱進行起動試驗，發(fā)動機起動順利，ATS振動無異常反應。發(fā)動機轉子轉速達到規(guī)定值v后，繼續(xù)給ATS供氣，轉子轉速繼續(xù)增大后監(jiān)控中心收到了極限轉速傳感裝置傳來的超轉電信號。停機拆下ATS以后，發(fā)現(xiàn)配重塊沒有脫落。

6 結論

本文從ATS上極限轉速傳感裝置工作原理著手，找出失效發(fā)生的條件。然后對該裝置進行分解檢查、尺寸計量和硬度檢測等工作，找出了配重塊脫落導致極限轉速傳感裝置失效的原因主要包含兩個方面：

a）傳感器外座試驗時被配重塊磨損，導致外座凹槽離中心線距離增大，從而加大了配重塊與外座和活塞桿之間的搭接間隙。

b）襯套內徑尺寸超差，工作過程中活塞桿產生較大偏斜，導致一側的搭接間隙變大，甚至超過配重塊的長度。

針對這些失效原因，采取更換合格襯套以及提高外座硬度后，復裝該極限轉速傳感裝置，經試驗驗證其功能恢復正常。

參考文獻

[1] 柏樹生，艾延廷，翟學等.航空發(fā)動機整機振動常見故障及排除措施[J].航空維修與工程 ，2011，1.