航空發(fā)動機反推作動器卡滯故障分析

楊向群 田楊濤 王勝 袁杰

摘要：反推作動器用于同步驅(qū)動反推力裝置移動外罩展開，實現(xiàn)大型飛機在著陸后或中斷起飛（RTO）過程中減小飛機速度、縮短滑跑距離，尤其是在雨雪天氣下，保證飛機安全降落。針對某發(fā)動機反推作動器外場卡滯無法收起的故障問題，通過反推作動系統(tǒng)工作原理分析，開展了卡滯故障原因分析，建立了作動器卡滯故障樹。然后對底事件逐一排查，對產(chǎn)品分解檢查以及試驗驗證，最終確定該卡滯故障是由于反推作動器在側(cè)向載荷作用下絲杠絲母傳動副卡滯，進而導致反推力裝置無法收回。最后，通過對絲母內(nèi)螺紋牙尖增加倒角，并在模擬反推力裝置側(cè)向載荷的試驗條件下開展改進產(chǎn)品試驗驗證。結(jié)果表明，絲母的內(nèi)螺紋牙尖增加倒角后，減小了絲杠絲母傳動副在側(cè)向載荷下的摩擦力，減輕了磨損，提高了反推作動器在工作中承受側(cè)向載荷的能力，防止作動器卡滯。本文故障分析方法與結(jié)果對外場同類故障排除具有積極的指導意義，也為后續(xù)同類產(chǎn)品改進設計和新研產(chǎn)品開發(fā)奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：航空發(fā)動機；反推力裝置；液壓；作動器；卡滯

中圖分類號：V211文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.08.007

反推力裝置是大型飛機重要的減速裝置，安裝于發(fā)動機的排氣尾管處，通過改變發(fā)動機排氣方向，在著陸后或在中斷起飛（rejected take off，RTO）過程中幫助減小飛機的速度。與制動、擾流板等其他幾種減速方式相比，反推力裝置能夠有效縮短飛機著陸滑跑距離，減少制動片的磨損，應急效果好，且減速效果不受濕滑或結(jié)冰跑道影響，保證飛機安全，在大型飛機上得到廣泛應用[1-4]。反推力裝置的結(jié)構(gòu)類型主要有抓斗式、瓣式和葉柵式，現(xiàn)在以大涵道比渦扇發(fā)動機為動力的大型飛機主要采用結(jié)構(gòu)靈巧緊湊、反推力比較平穩(wěn)的葉柵式反推力裝置。葉柵式反推力裝置的每個半部一般有兩個或三個反推作動器，同步軟軸使各個反推作動器以相同的速度下伸出和收進實現(xiàn)反推力裝置展開與收起。在反推力裝置展開操作過程中，反推作動器驅(qū)動每個移動外罩向后移動使折流門旋轉(zhuǎn)進入發(fā)動機風扇涵道，風扇空氣排氣改變方向并通過葉柵流出，從而產(chǎn)生反推力[5-10]，葉柵式反推力裝置原理如圖1所示。

某發(fā)動機的葉柵式反推力裝置采用液壓反推作動系統(tǒng)，在外場使用過程中，飛機順航向右側(cè)的發(fā)動機反推力裝置完全展開后，當壓下反推桿回到收起位置時，反推力裝置無法收回。檢查系統(tǒng)的液壓與電氣均正常，通過人工方式手動驅(qū)動反推作動器收起，反推作動器卡滯在故障位置無法運動。該問題造成飛機無法再次起飛，嚴重影響了飛行任務。

因此，本文針對反推作動器卡滯故障問題，通過反推作動器的工作機理分析，建立故障樹，分析可能引發(fā)該卡滯故障的故障模式，定位故障原因，提出改進措施并進行驗證，為反推作動器同類故障排除提供參考。

1反推作動器工作原理

在反推力裝置展開和收起操作過程中，反推作動器驅(qū)動移動外罩，反推力裝置的左、右部分分別有三個反推作動器，反推作動系統(tǒng)原理如圖2所示。反推作動器是一個線位移液壓作動器，通過活塞末端的球軸承與移動外罩連接，其主要組成有筒體、活塞、絲杠、蝸輪和蝸桿，絲杠采用梯形絲杠。當需要打開反推時，液壓控制裝置控制高壓油同時進入液壓作動器的展開腔與收進腔，活塞在兩腔面積差產(chǎn)生的力作用下伸出，移動外罩展開；收起反推時，液壓控制裝置控制低壓油進入液壓作動器的展開腔，收進腔保持高壓油，活塞在高壓油的作用下收進，移動外罩收起。

每個移動外罩的三個液壓作動器是沿發(fā)動機周向布置的，為了保證各個作動器能夠同步運動，在每個液壓作動器之間連接有同步軟軸，同步軟軸與蝸桿連接，蝸桿通過蝸輪與絲杠連接，與絲杠配合的絲母固定于活塞上，反推作動器原理如圖3所示。在反推作動系統(tǒng)展開或收起過程中，當相鄰兩個液壓作動器由于氣動載荷不一致等造成位移差時，在同步軟軸上就會形成扭轉(zhuǎn)角，從而使同步軟軸上產(chǎn)生同步扭矩。此時，對于運動較快的作動器，同步扭矩成為負載力；而對于運動較慢的作動器，同步扭矩成為驅(qū)動力，最終在由絲杠、絲母、蝸輪、蝸桿、同步軟軸組成的同步機構(gòu)的作用下，實現(xiàn)反推作動器的同步運動。

2卡滯故障原因分析

根據(jù)反推作動器的工作原理，結(jié)合本次故障現(xiàn)象開展相關的影響因素及其失效狀態(tài)分析，梳理出可能導致作動器卡滯的故障原因[11]。

2.1影響因素分析

反推作動器工作時，作動器兩腔通液壓油，液壓驅(qū)動活塞直線運動，同時活塞驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)運動，與絲杠同步運動的蝸輪驅(qū)動蝸桿輸出旋轉(zhuǎn)運動，其運動原理如圖4所示。經(jīng)分析，作動器中機械運動部件的卡滯是導致作動器卡滯的直接原因，作動器的運動部件主要有筒體活塞運動副、絲杠絲母傳動副、蝸輪蝸桿傳動副，其中絲杠絲母傳動副中包含角接觸軸承，蝸輪蝸桿傳動副中包含深溝球軸承。

作動器的筒體用于固定安裝，活塞相對筒體輸出直線運動，活塞的直線運動通過絲杠輸出同步旋轉(zhuǎn)運動，絲杠的同步旋轉(zhuǎn)運動通過蝸輪實現(xiàn)蝸桿的同步旋轉(zhuǎn)輸出，蝸桿的旋轉(zhuǎn)輸出用于通過同步軟軸實現(xiàn)沿周向布置的相鄰作動器之間的同步直線運動。因此，筒體活塞運動副卡滯、絲杠絲母傳動副卡滯和蝸輪蝸桿傳動副卡滯為可能導致反推作動器卡滯的三個因素。

2.2失效狀態(tài)分析

筒體活塞運動副卡滯、絲杠絲母傳動副卡滯和蝸輪蝸桿傳動副卡滯均為機械運動卡滯，一般造成機械運動卡滯的原因主要有兩方面：一是機械運動機構(gòu)失效造成卡滯無法運動，二是外來異物卡在運動配合部位導致無法運動。

除外來異物造成運動卡滯外，活塞與筒體的變形、絲杠與絲母配合間隙減小、絲杠與絲母配合面損傷、蝸輪蝸桿配合減小、蝸輪蝸桿配合面損傷、角接觸軸承卡滯、深溝球軸承卡滯等機械運動機構(gòu)失效模式也可能導致作動器發(fā)生卡滯故障。

2.3故障樹分析

故障樹分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）是對引起系統(tǒng)故障的各種原因進行分析和確定導致故障發(fā)生的各種可能原因，包括硬件、軟件以及人為環(huán)境等進行邏輯因果分析。將系統(tǒng)故障與組成系統(tǒng)各零部件的故障有機聯(lián)系在一起，可以找出系統(tǒng)的全部可能失效狀態(tài)。

基于上述卡滯故障的影響因素與失效狀態(tài)分析，建立反推作動器卡滯的故障樹（見圖5），以反推作動器卡滯的頂事件為出發(fā)點，向下逐級分解出導致頂事件發(fā)生的三個故障原因：M1筒體活塞運動副卡滯、M2絲杠絲母傳動副卡滯和M3蝸輪蝸桿傳動副卡滯，采用邏輯門符號和事件符號表示事件之間的邏輯關系，構(gòu)成因果關系圖，共分析出X1活塞變形、X2筒體變形、X3筒體活塞運動副異物卡阻、X4絲杠絲母配合間隙減小、X5絲杠絲母配合面損傷、X6角接觸軸承卡滯、X7絲杠絲母傳動副異物卡阻、X8蝸輪蝸桿配合間隙減小、X9蝸輪蝸桿配合面損傷、X10深溝球軸承卡滯、X11蝸輪蝸桿傳動副異物卡阻共11個底事件。

3故障定位及解決措施

3.1故障定位及確認

通過對可能導致卡滯故障的11個故障原因進行初步分析，首先對反推作動器進行了分解檢查，然后分別對活塞、筒體、絲杠、絲母、蝸輪、蝸桿等零件進行尺寸計量、零件表面質(zhì)量檢查以及角接觸軸承和深溝球軸承靈活性檢查，依次對故障原因進行排查分析，最終確認底事件X5絲杠絲母配合面損傷為可能故障原因，具體排查方案與排查結(jié)果見表1。

從絲杠絲母配合面表面損傷部位初步分析，同時結(jié)合反推系統(tǒng)工作原理，初步確認為反推作動器安裝在反推力裝置上時活塞接頭端存在側(cè)向載荷，在側(cè)向載荷作用下絲杠與絲母配合面摩擦力增大，活塞在液壓驅(qū)動力的作用下使絲杠與絲母卡死。為了確認故障機理，通過測量得到反推作動器在反推力裝置上的側(cè)向載荷約150N，然后另選取一臺驗收合格的反推作動器，在作動器的輸出端施加150N的側(cè)向載荷后通壓工作，產(chǎn)品卡滯無運動輸出，與外場使用故障現(xiàn)象一致。因此，確認在側(cè)向力作用下導致反推作動器絲杠與絲母卡死是本次卡滯故障的根本原因。圖6為表面存在損傷的絲母實物圖。

3.2改進措施

針對反推作動器在側(cè)向載荷作用下絲杠與絲母摩擦力增大導致卡滯這一故障原因，將絲母的內(nèi)螺紋牙尖增加倒角，如圖7所示，減小絲杠絲母傳動副在側(cè)向載荷下的摩擦力，減輕磨損，從而提高反推作動器在工作中承受側(cè)向載荷能力。

4試驗驗證

為驗證故障定位的準確性與改進措施的有效性，制定了如下試驗驗證方案：

（1）選取兩個試驗件：一個是為將故障產(chǎn)品的絲杠絲母傳動副更換為已落實改進措施的絲杠絲母傳動副；另一個是已實施改進措施的新產(chǎn)品。

（2）分別將兩個試驗件水平安裝于試驗臺（見圖8），通過在產(chǎn)品輸出端吊掛砝碼產(chǎn)生150N的側(cè)向載荷，通壓使產(chǎn)品以（20±5）mm/s的速度，往復運動25次，觀察產(chǎn)品運動情況。

在試驗過程中，兩個試驗件均能正常平穩(wěn)往復運行且無卡滯或突跳現(xiàn)象，確定本次故障原因判斷準確、機理分析正確，改進措施有效。

5結(jié)束語

本文對某型發(fā)動機反推作動器的外場卡滯故障進行分析與試驗驗證，結(jié)合反推作動系統(tǒng)工作原理分析，開展了作動器卡滯故障影響因素研究，將系統(tǒng)故障與組成系統(tǒng)各零部件的故障有機聯(lián)系在一起，找出了系統(tǒng)的全部可能失效狀態(tài)，建立了反推作動器卡滯故障樹。根據(jù)故障樹梳理出的底事件，通過分解檢查、尺寸計量、零件表面質(zhì)量檢查、軸承運動靈活性檢查，逐一排查11個底事件后定位了卡滯故障原因。由于反推作動器在側(cè)向載荷作用下絲杠與絲母配合面摩擦力增大，活塞在液壓驅(qū)動力的作用下使絲杠與絲母卡死，導致反推作動器卡滯，進而導致反推力裝置無法收回。

通過增加絲母的內(nèi)螺紋牙尖倒角，減小絲杠絲母傳動副在側(cè)向載荷下的摩擦力，減輕磨損，提高了反推作動器在工作中承受側(cè)向載荷能力。并在模擬反推力裝置側(cè)向載荷的試驗條件下，對落實改進措施的產(chǎn)品進行充分試驗驗證，驗證了反推作動器卡滯故障原因定位準確，結(jié)構(gòu)改進措施有效。本文故障研究所采用的方法與改進措施，對外場同類故障排除具有積極的指導意義，也為后續(xù)同類產(chǎn)品改進設計和新研產(chǎn)品開發(fā)奠定堅實基礎。

參考文獻

[1]隋杰飛，朱巖.液壓作動反推力裝置安全性設計與研究[J].液壓與氣動， 2016（1）：104-107. Sui Jiefei， Zhu Yan. The safety design and research of hydraulic action thrust reverser[J]. Chinese Hydraulic & Pneumatics， 2016（1）：104-107.（in Chinese）

[2]袁杰，王文山，鄭艷鋒.商用飛機反推控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析[C]//飛機機電系統(tǒng)理論與實踐第二屆民用飛機機電系統(tǒng)國際論壇，2016. Yuan Jie， Wang Wenshan， Zheng Yanfeng. Analysis on the development trend of commercial aircraft reverse control system[C]//Proceedings of the Second International Forum on CivilAircraft Electromechanical Systems，2016.（in Chinese）

[3]陳永琴，汪天興，蘇三買，等.反推力裝置液壓作動系統(tǒng)AMESim建模與仿真[J].航空動力學報， 2017， 32（11）：2791-2799. Chen Yongqin，Wang Tianxing，Su Sanmai， et al. Modeling and simulation of thrust reverser hydraulic actuation system based on AMESim[J]. Journal of Aerospace Power， 2017， 32（11）：2791-2799.（in Chinese）

[4]雷偉.波音737NG飛機反推排故與維護[J].民用飛機設計與研究， 2018， 131（4）：85-90. Lei Wei. Troubleshooting and maintenance of thrust reverser for 737NG aircraft[J]. Civil Aircraft Design & Research，2018， 131（4）：85-90.（in Chinese）

[5]杜剛，金捷.大型運輸機反推力裝置[C]//大型飛機關鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學會年學術(shù)年會， 2007. Du Gang， Jin Jie. Reverse thrust device for large transport aircraft[C]// High-level Forum on Key Technologies of Large Aircraftand Annual AcademicConferenceofChinese Aeronautical Society， 2007.（in Chinese）

[6]靳寶林，邢偉紅，劉殿春.飛機/發(fā)動機推進系統(tǒng)反推力裝置[J].航空發(fā)動機， 2004， 30（4）：48-52. Jin Baolin， Xing Weihong， Liu Dianchun. Aircraft/Engine propulsion system of thrust reverser[J]. Aircraft Engine， 2004， 30（4）：48-52.（in Chinese）

[7]Asbury S C，Yetter J A. Static performance of six innovative thrust reverser concepts for subsonic transport applications[R]. Summary of the NASA Langley Innovative Thrust Reverser Test Program，2000.

[8]Santin，Barbosa M A，Bontempo J R，et al. Overview on thrust reverser design[C]//18th International Congress of Mechanical Engineering，2005.

[9]張國棟，王強.主要幾何參數(shù)對葉柵式反推力裝置性能的影響[J].航空動力學報， 2014， 27（1）：145-151. Zhang Guodong， Wang Qiang. The influence of main geometric parameters on the performance of cascade reverse thrust device[J]. Journal of Aerospace Power， 2014， 27（1）：145-151.（in Chinese）

[10]謝葉平，王強，邵萬仁，等.葉柵式反推裝置阻流門運動規(guī)律對氣動性能的影響[J].航空動力學報，2010（6）：1297-1302.Xie Yeping， Wang Qiang， Shao Wanren， et al. Effect of kinetic mechanism of blocker doors on aerodynamic performance for a cascade thrust reverser[J]. Journal of Aerospace Power， 2010（6）：1297-1302.（in Chinese）

[11]石鵬飛，張航，陳潔.先進民機飛控系統(tǒng)安全性設計考慮[J].航空科學技術(shù)， 2019， 30（12）：52-58. ShiPengfei，ZhangHang，ChenJie.Safetydesign considerations for advanced civil aircraft flight control system[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019，30（12）：52-58.（in Chinese）

Analysis of Jammed Failure of Aero-engine Reverse Actuator

Yang Xiangqun1，Tian Yangtao2，Wang Sheng2，Yuan Jie2

1. The Fifth Military Representative Office of the Military Representative Bureau of the Air Force Equipment Department in Xian，Xian 710077，China

2. AVIC Qingan Group Co.，Ltd.，Xian 710077，China

Abstract： The reverse thrust actuator is used to synchronously drive the reverse thrust device to move the sleeve to deploy， which can reduce the aircraft speed and shorten the taxi distance after landing or RTO. Especially in rain and snow weather， it makes sure the safe landing. Aiming at the problem that the reverse thrust actuator could not stow， through the analysis of the working principle of the reverse thrust actuation system， the jammed failure reason analysis was carried out， and the jammed fault tree of actuator was established. Then， the bottom events were investigated one by one， and the product decomposition and test verification were conducted. Finally， it determines that the jam failure is due to the jam between screw and nut under the side load， which causes the thrust reverse device to fail to be retracted. At last， the side load test was conducted. The results show that increasing in the chamfer of the internal thread tip of the nut can reduce the friction and wear， and improve the thrust reverse actuator to withstand the lateral direction force during work， which prevents the actuator from jamming. The failure analysis and the results have profound meaning for troubleshooting， and also play a role in the following improvement of similar products design and the development of new research products.

Key Words： aircraft engine； thrust reverse device； hydraulic； actuator； jam