基于故障树法的空气涡轮起动机自由运转故障分析

皮凯雯 邹子剑

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412000）

0.引言

空气涡轮起动机（Air Turbine Starter，以下简称为ATS）作为航空发动机空气起动系统的主要组成部分，可利用飞机辅助动力装置、已运转的发动机和地面气源等提供的高温高压气体，将气体内能转化为轴功率以实现发动机的启/油封、冷运转、假起动和起动等[1]。

故障树分析法，简称为FTA，又称为失效树分析法，是一种以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，对系统的安全性或可靠性进行评价的一种图形演绎方法[2]。FTA已被国内外公认为是一种对复杂系统进行安全性和可靠性分析的一种好方法[3]。

ATS自由运转故障是指某种原因导致ATS带转的负载很小或为零（即空载运转），造成ATS涡轮转速达到自由运转状态的一种故障现象。自由运转状态的转速通常比ATS正常脱开转速要高，极易导致损坏发动机、飞机和危及人身安全等严重后果。本文针对ATS自由运转故障开展故障树分析，梳理故障原因及故障模式，以便进行预防，使该故障发生的可能性减小到最低限度或不发生。

1.自由运转故障树

1.1 ATS简介

以某型ATS为例，主要由进气装置、调压装置、涡轮组件及减速器（含输出轴）组成，还带有功能型附件如进气切断装置和转速传感器，用于分别实现ATS供气的打开/切断和转速信号的输出，如图1所示。

图1 ATS原理框图

ATS的工作原理为：起动发动机时，由发动机控制器发出工作信号给进气切断装置为ATS供气；一定温度、压力的气源经进气装置、调压装置进入ATS使涡轮转子旋转，通过减速器将功率、扭矩传递给输出轴，再经发动机附件传动机匣带转高压转子，从而实现假开车、冷运转、启封、油封和起动以及空中辅助起动发动机的功能。在工作过程中，转速传感器给出转速信号，作为发动机控制器实现ATS正常脱开、极限转速保护等功能的输入信号。

1.2 故障树的建立

根据ATS的主要结构和工作原理进行分析可知，ATS工作时负载端的发动机或者吸功装置异常断开，造成空载运转；同时切断装置失效，无法停止供气，此时ATS运转至自由运转状态，判定发生自由运转故障。以自由运转故障为顶事件建立故障树，根据可能导致自由运转故障的带转负载和切断装置进行分区划分，将故障原因分区定位，逐条分析，最终找出引起故障的原因。

切断装置失效将无法切断供气，将导致ATS转速不断上升而出现自由运转故障。引气切断装置失效可能的原因是：转速传感器故障、发动机控制系统故障和进气切断装置故障等。这些因素分别标记为事件X01～X05。

负载异常断开将造成ATS带转的负载突然降低至很小或为零，同样也会造成自由运转故障。引起负载异常断开的原因可能是：减速器齿轮系啮合失效、离合器失效、输出轴组件过载断裂、发动机传动链失效和吸功装置无法加载。这些因素分别标记为事件X06～X18。

将上述分析得到的顶事件、中间事件和底事件按照故障树的符号逻辑的连接起来，就得到如图2所示的ATS自由运转故障树。

图2 ATS自由运转故障树

2.故障树分析

当ATS的切断装置失效和负载异常断开同时出现，可能导致自由运转故障。

2.1 切断装置失效

切断装置失效故障包括转速传感器故障（X01）、发动机控制系统故障或进气切断装置/调压装置故障，发生其中之一的故障时，无法给出ATS转速信号或无法切断进口气源，导致ATS持续运转，与负载异常断开同时发生时将造成自由运转故障。

（1）转速传感器故障（X01）：转速传感器因设计不合理、工艺和装配质量不良等原因引起导磁体、电缆或密封圈等元件失效，导致无法测量ATS转速，无法给出转速信号至发动机控制器并发出ATS脱开信号。

（2）发动机起动控制逻辑不当（X02）：发动机控制器的控制逻辑未准确设置ATS的脱开控制逻辑，达到脱开转速时未给出切断信号。

（3）发动机控制器故障（X03）：发动机控制器由于内部硬件或软件的故障导致无法接收转速信号或无法给出切断信号，导致ATS持续运转。

（4）进气切断装置异常（X04）：进气切断装置因外来大颗粒异物或电磁铁连杆、轴承等运动元件异常磨损引起蝶阀旋转卡滞，或环境适应性差、设计裕度不足引起位置信号异常等故障造成无法正常关闭，导致无法切断ATS进口气源，ATS持续运转。

（5）调压装置关闭异常（X05）：调压装置因外来大颗粒异物、弹簧设计裕度不足或加工、制造和装配质量不良导致电磁铁或内部元器件（弹簧、顶杆和密封垫等）失效，造成无法关闭进气装置至涡轮部件的气路，导致ATS持续运转。

2.2 负载异常断开

负载异常断开故障包括ATS减速器故障和发动机/吸功装置端故障。发生其中之一的故障时，ATS产生的功率、扭矩无法传递给负载，导致空载运转，与切断装置失效同时发生时将造成自由运转故障。

（1）齿轮系强度不足（X06）：齿轮系在设计时强度设计不当或裕度不足，导致齿轮长期工作或瞬间过载过程中发生失效，无法传递载荷。

（2）齿轮系润滑不良（X07）：减速器润滑系统设计不当，或制造、装配过程中存在超差，导致齿轮长期工作或瞬间过载过程中发生失效，无法传递载荷。

（3）轴承失效（X08）：轴承在工作过程中由于涡轮转子或齿轮系的不平衡量导致偏载或润滑不良，长期工作后导致疲劳失效。

（4）离合器装配不当（X09）：离合器的装配质量不好、内外套不同心造成离合器内、外套无法正常接合，导致离合器无法传递载荷。

（5）离合器润滑不良（X10）：离合器喷油喷嘴堵塞或局部滑油污染造成离合器润滑不良，导致离合器失效，无法传递载荷。

（6）离合器异常磨损（X11）：离合器内套、外套和偏心滚子组件由于选材不当、结构设计不当、热表处理超差、尺寸超差或内部缺陷等原因造成异常磨损，导致离合器失效，无法传递载荷。

（7）输出轴组件强度不足（X12）：输出轴在设计时强度设计不当或裕度不足，或者材料冶金、加工制造的缺陷，导致齿轮长期工作或瞬间过载过程中发生断裂失效。

（8）输出轴装配不当（X13）：输出轴组件装配质量不良造成输出轴局部强度不够而发生断裂失效。

（9）涡轮转子不平衡量过大（X14）：涡轮盘破裂或叶片断裂导致转子过度不平衡，导致输出轴承受的载荷超过极限值而发生断裂失效。

（10）发动机起动传动链失效（X15）：发动机起动传动链零部件因强度不足或制造、装配质量不好，导致工作过程中薄弱环节发生断裂，无法传递功率、扭矩给发动机转子。

（11）发动机起动传动链轴承失效（X16）：发动机起动传动链轴承因转子不平衡量过大或润滑不良，造成工作过程中发生轴承失效，导致传动链无法传递载荷。

（12）吸功装置转接段损坏（X17）：ATS输出轴组件与试验台架的吸功装置之间的转接段因强度不足或制造、装配质量不好，工作过程中不断承受ATS的冲击载荷，造成薄弱环节发生疲劳断裂，无法传递功率、扭矩给吸功装置，导致空载运转。

（13）吸功装置内部损坏（X18）：试验台架的吸功装置内部零部件因强度不足或制造、装配质量不好，造成工作过程中薄弱环节发生断裂，或者其它电气故障引起内部零部件卡滞，发生过载断裂，导致吸功装置无法加载，ATS空载运转。

2.3 重要事件

从上述分析可以看出，底事件X01，X02，X03，X04和X05在可能导致顶事件发生的最小底事件组合中出现次数最多，因此最为重要。改善这些底事件的可靠度可以较大程度地提高切断装置的可靠性，从而减少自由运转故障发生的可能性。

3.故障规避措施分析

针对可能造成ATS自由运转故障不同类型的原因，制定以下规避措施，以降低故障发生的可能性：

（1）对于电气元件的故障（如X01、X04、X05）：优化设计、选材和制造、装配工艺，严格控制加工、制造和装配质量，加强检验；改善ATS气源清洁度，减少异物进入流道；

（2）对于发动机控制逻辑的故障（如X02、X03）：优化起动控制逻辑，明确ATS正常脱开和保护脱开转速要求、时间要求等；发动机控制系统采用多余度设计，起动前必须进行上电自检，起动工作过程中实时监测；

（3）对于零部件强度不足、装配不当的故障（如X06、X09、X11、X12、X13、X14、X15）：优化涡轮组件、齿轮系、离合器和输出轴组件等的结构、强度设计，提高强度裕度；严格控制冶金质量、加工质量和装配质量，加强检验，关键部位尺寸作为精密计量尺寸；

（4）对于旋转件润滑不良、轴承失效的故障（如X07、X08、X10、X16）：优化ATS减速器、离合器和发动机起动传动链的润滑系统设计，保证良好的润滑；严格控制制造和装配质量，加强检验；定期检查ATS滑油量、滑油污染度和金属屑；

（5）对于吸功装置的故障（如X17、X18）：优化吸功装置转接段、内部零件的结构、强度设计，提高强度裕度；严格控制冶金质量、加工质量和装配质量，加强检验；定期检查吸功装置各系统的完好程度。

4.结语

本文针对ATS自由运转故障，建立了详细的故障树并对各底事件逐一进行了分析，确定了重要事件，同时针对不同类型的故障模式给出了相应的规避措施，以此作为预防，降低故障发生的可能性。