【航空活塞发动机系统FMEA分析案例概述综述7400字】

航空活塞发动机系统FMEA分析案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u9244航空活塞发动机系统FMEA分析案例概述 1129591.1FMEA分析方法概述 184641.2航空活塞发动机FMEA过程 258891.2.1活塞发动机功能结构介绍 29841.2.2子系统故障分析 8230421.2.3严酷度等级定义及FMEA表格填写 101.1FMEA分析方法概述FMEA（FailureModesandEffectAnalysis），是一种常用且重要的可靠性分析、设计方法。进行FMEA分析方法，需要全面了解产品的功能结构，分析每一个可能发生的故障的原因及结果，从而确定故障模式的影响结果[10]。通过FMEA分析，可以根据不同故障的危害性，对产品进行改进[11]。故障模式是指当产品发生损坏，导致产品不能完成规定功能的状态，而故障分析指的就是对发生故障部件进行分析，找出故障的原因和影响[12]。故障发生的原因可能是内因和外因共同造成的结果，故障分析就必须对这些元素综合进行考虑，全面收集与故障相关的数据，然后从产品的材料、结构、工作环境等各方面分析故障的机理，提出可能的故障原因，再通过相关实验验证故障原因，排除错误的，最后设计相关的改进和纠正措施。故障分析是FMEA中的重要环节，通过故障分析可以深层次了解故障原因，得到相关的可靠性模型，为可靠性实验提供理论依据，另外，还能从中找出相应的改进措施，提高产品的可靠度和经济性。FMEA有6个步骤[13]：（1）了解产品的结构组成和功能原理；（2）绘制其功能结构图和可靠性框图；（3）约定系统的结构层次；（4）对严酷度等级进行定义；（5）对产品进行故障分析以及设定改进措施；（6）填写FMEA表格。图2-1FMEA分析流程图另外在进行FMEA时，也需要注意相关的特别事项[14]。（1）首先FMEA的分析对象众多，包括机械、电子、光学结构等硬件和软件，因此在分析过程中，要注意软件和硬件间的相互作用。（2）FMEA的分析层次是规定在产品层次的，所以在分析时，需要确定进行FMEA分析的最低产品层次，如：可以将发生故障的器件或者发生故障会造成重大问题的器件等当作FMEA分析的最低产品层次。（3）FMEA与产品设计相辅相成，在进行产品设计的同时，进行FMEA分析，既可以根据FMEA分析结果，对产品设计进行更改，又可以当产品设计变化时，对FMEA分析进行调整。（4）FMEA要对从设计到制造所有过程进行全面分析，包括设计图纸、产品软件等内容，确保没有新的故障模式引入。FMEA作为一种系统化的分析方法，可以让设计人员确定可靠性关键产品，进一步进行维修等工作的分析，提供可以采取的改进和防护措施。1.2航空活塞发动机FMEA过程1.2.1活塞发动机功能结构介绍IO-360-SE发动机，作为一款六缸的活塞发动机，六个气缸水平放置，工作时，经过四个行程，气缸内的混合气完成进气、压缩、燃烧、工作、排气五次变化，将燃料的化学能转换为机械能。它主要结构由六个子系统组成：核心部件、进排气装置和散热装置、滑油系统、燃油系统、点火系统、起动系统。图2-2发动机实物图图2-3航空活塞发动机系统功能结构图活塞发动机的核心部件承担发动机的主要功能，是发动机的主体部分，气缸活塞组、气门组、连杆、曲轴等都是核心部件，它们是发动机实现整体支撑、能量转换、运动变化的基础。所以，在发动机工作过程中，核心部件要承受很大的力，另外还受到高温燃气的影响，像气缸活塞组长期工作在高温、高压的恶劣环境下，极易发生故障，需要定时检查维修。气缸是混合气进行燃烧的地方，活塞的功能是将气体力传给连杆，同时也用来密封气缸。气缸由铝制气缸头及钢制气筒组成，活塞由三部分组成：活塞顶、活塞头、活塞裙，活塞顶因为要承受燃气带来的压力和热，所以很厚，具有受力均匀、强度高、顶部吸热面积小等特点，活塞头上有三道涨圈槽，前两道安装气密涨圈，后一道安装刮油涨圈，活塞头的下部叫活塞裙，起导向作用，活塞裙中有活塞销孔，活塞销装在活塞销孔中，连接活塞和连杆，活塞销承受活塞运动时的往复惯性力和气体压力，并传递给连杆。活塞头上的涨圈槽是按照涨圈的，涨圈分气密涨圈和刮油涨圈两类，气密涨圈的作用是防止高压气体从气缸进入机匣，密封作用，同时将活塞头吸收的热量传递给气缸壁，刮油涨圈的作用是使滑油均匀分布在气缸壁上，减少活塞和气缸壁的磨损，同时将气缸壁上多余的滑油刮下，避免滑油流入其他地方。连杆和曲轴负责主要的运动传递作用，将活塞的往复运动变为曲轴的转动。而连杆和曲轴又有所不同，连杆是用来连接活塞和曲轴的，主要负责带动曲轴，将高压气体带给活塞的力传递给曲轴，曲轴则是在连杆的带动下，做旋转运动。连杆由大头、小头、杆身组成，总体而言连杆还是做往复运动。曲轴可分为主轴颈、曲臂、连杆轴颈、配重、轴头、轴尾等，与连杆不同，曲轴是整体式结构，在尽可能高强度的同时，使尺寸紧凑，保证曲轴整体质量小。气门机构是按照发动机工作循环的要求，保证混合气及时进入气缸，并保持燃烧室的密封，及时排出尾气，气门是气体出入的通道，气门座是和气门配合的气门开关，气门导套引导气门精确地落在气门座上，并传递气门的热量到其他部件，气门弹簧使得气门能够紧密地贴合在气门座上，关闭气门，保证气门关闭的气密性。凸轮轴上的凸轮用来控制气门的开关，凸轮在凸轮轴上的位置，决定了气门的关闭先后顺序，气门挺杆由挺杆、推杆、推杆套、摇臂组成，它的作用是让气门杆在任何时候都能贴紧摇臂，使气门关闭，不漏气。气缸装在机匣上，发动机通过机匣固定在发动机架上，机匣和发动机架主要承担固定发动机的作用。图2-4核心部件功能结构图进气装置由进气箱、过滤装置、备用进气门组成，发动机的进气路线为，外界的空气先从整流罩上的进气口进入进气箱，经过过滤装置后，进入文氏管，再经过进气管进入气缸，进气装置负责把足够多的空气，以尽可能小的能量损失，导入发动机，并且消除吸入空气中所含的杂质和灰尘。排气装置由排气支管、消音器、热交换器组成，它的作用是将废弃排入大气中，同时进行消音处理，它还通过热交换，供座舱加温用，废气从排气门出来后，经过排气支管到消音器，由排气总管排出。排气装置在排气的同时，还要负责消除噪音，通过排气支管和消音器，将废气的压力、噪声降低到安全范围内排出。另外，排气装置中的热交换器将废气的热量进行转移，对座舱进行加温。散热装置属于气冷散热类型，它的作用是通过空气流动带走热量，使气缸保持合适的工作温度。散热片安装在气缸外壁，增大空气和气缸壁的接触面积，从而达到加大散热作用的效果，导风板使空气沿导风板引导的方向流过气缸，保证气缸散热均匀，各部分都能得到比较好的散热效果，需要调整导风板和散热片之间的间隙，使得散热片和导风板不会因为间隙太小而发生碰撞，又能使空气的流速适中，保持良好的散热效果。整流罩的作用是消除发动机外形在飞机高速飞行时的阻力，因此整流罩整体是流线型的。图2-5进排气装置、散热装置功能结构图滑油在发动机中至关重要，而滑油系统的主要作用也是保证发动机的润滑，另外还同时带走机件的热量及燃烧过程中产生的碳粒、磨损的金属屑等，具有冷却机件、保持机械清洁、密封等作用。滑油流动的动力由滑油泵提供，滑油散热器、调压活门，分别负责调节滑油温度和压力的作用，保证滑油在工作时的正常温度和压力，滑油滤则对滑油进行过滤，保证滑油干净，避免滑油中出现杂质，对其他器件造成破坏，影响其正常功能。滑油系统工作时，滑油经过滑油泵、滑油散热器、滑油滤等器件，将滑油状态调整到正常后，进入发动机的其他机构，例如：气缸活塞组、凸轮轴等传动机构，进行润滑作用，最后返回收油池中完成回收。图2-6滑油系统功能结构图燃油系统的功能是储存燃油，调节燃油流量，使燃油雾化与空气混合组成混合气进行燃烧。它主要由六个部分组成：油箱、三通选择开关和油滤、燃油增压泵、发动机驱动油泵、燃油喷射装置、燃油显示装置。油箱的作用是储存燃油，并且保证燃油不泄露，三通选择开关的作用是关断油路及选择油箱供油，主燃油滤承担过滤燃油杂质且收集系统中少量水分的功能，发动机驱动油泵的功用是将燃油送往燃油调节器，而燃油增压泵则是作为应急部件，当发动机驱动油泵失效时，向燃油调节器供油，另外还具有起动及转换油箱的供油。燃油喷射装置负责控制发动机的燃油流量，其中燃油喷射器依靠驱动油泵提高燃油压力，使燃油从喷油嘴喷出。流量分配器有两个作用，其一是结合发动机工作情况，将燃油合理地分配给不同的电嘴，其二是起切断油路，使慢车停车。燃油喷嘴的作用则是将燃油雾化，并喷射到气缸。驱动油泵由发动机带动，将燃油从左、右结构油箱、燃油滤中吸收燃油，再通过燃油喷射装置，调节发动机所需要的流量，将燃油分通过燃油流量分配器分配给不同的喷油嘴，燃油增压泵则是在转换油箱或者发动机刚起动时工作，保证发动机的供油不会间断。图2-7燃油系统功能结构图点火系统是发动机中至关重要的一环，点火的好坏、时机，直接影响着发动机的功率、经济性、可靠性。点火系统的作用也就是按照气缸的工作顺序，由磁电机产生高压电，电嘴适时地点燃混合气。点火系统主要由磁电机、电嘴、高压导线、隔波装置、磁电机开关组成。磁电机负责在合适的时间产生足够高的电压，并按照点火次序分配给气缸中的电嘴，高压导线负责传递磁电机产生的高压电，电嘴接受高压电，产生电火花，点燃混合气，磁电机开关用来控制磁电机是否工作以及电嘴是否产生电火花，隔波装置则是避免磁电机产生高压电时形成的电磁场对飞机的无线电波装置产影响，保证飞机的正常通讯。磁电机产生高压电的原理过程为，首先让磁电机的磁铁转子转动，产生低压电，再在合适的时机，使用断电器让产生的低压电断开，这时候，由低压电路中低压电流产生的电磁场消失，磁电机二次线圈的磁通量产生巨大的变化，这时候产生的电势非常高，足够电嘴点燃混合气。电嘴工作时，磁电机产生的高压电通到电嘴的中央极上，所以中央极和周围的旁极形成很高的电势差，当电势差达到电嘴的击穿电压时，电嘴电极间的空气便发生电力，产生电火花，点燃混合气。图2-8点火系统功能结构图起动系统负责起动发动机，由起动机、起动继电器和起动开关组成。飞机起动时，首先打开电瓶开关，使电源和汇流条相通，然后起动磁电机，起动继电器工作，起动起动机，起动机通过起动大齿轮带动曲轴转动，发动机起动完成。1.2.2子系统故障分析在航空发动机运行过程中，承担主要工作任务的是核心部件、燃油系统、点火系统、滑油系统，因此故障也主要是发生在这四个子系统中，以下故障分析也仅对这四个子系统进行分析。核心部件中气缸和活塞的工作环境最为恶劣，气缸和活塞直接受到高温气体的强烈加热和力的作用，具有很大的机械负荷和热负荷，需要注意维修检查。气缸的主要故障包括压缩性差、气密性差等，而活塞的故障主要集中在涨圈上，活塞的涨圈长期工作在高温、高压环境中，滑油润滑比较困难，另外，气体力、活塞的运动又处于急剧变化状态，一旦滑油状态出现问题，很容易就会对涨圈表面造成严重磨损，影响涨圈的正常工作。涨圈的磨损主要取决于滑油的状态，涨圈的故障包括涨圈异常磨损、涨圈胶结、涨圈断裂，都与气缸内壁滑油分布状态和滑油杂质有关。核心部件中的连杆和曲轴承担着主要的运动传递功能，将活塞的直线运动转换为转动，在此过程中除了承受基本的压缩和拉伸力外，还要承受很大的弯矩作用，所以连杆和曲轴部件的主要故障是表面的疲劳磨损、主体的强度问题、杆件部分的弯曲变形。气门机构中的故障模式中，最严重的就是气门卡阻的问题，气门卡阻会影响气缸的气密性和燃烧废气的排出，极大地影响发动机的工作效率和经济性。气门卡阻发生的原因是当导套和气门杆上的杂质聚集，影响气门的正常运动[15]。燃油系统出现故障，最直接的表现就是影响燃油流量，可能出现燃油流量过小或者过大的问题，正常来说，飞机慢车工作时，燃油流量不得低于1.6GAL/H，大车工作时的正常流量是16-19GAL/H。当燃油量表和燃油计量组件发生故障时，燃油流量显示错误，出现流量波动等，并不会影响发动机正常工作，而当燃油喷射器等引起燃油流量变化时，会直接影响到发动机的工作效率，严重的还会影响飞行安全[16]。慢车是指发动机以保持正常运转的最小转速工作，燃油系统中的慢车装置负责调节慢车工作状态，当燃油过贫油或过富油，燃油喷嘴堵塞，燃油流量分配器内活门卡阻，内部渗漏等原因会造成发动机慢车工作不稳定，而由于人为因素导致慢车装置的混合比操纵杆调节不合适的时候，会导致慢车停车。电嘴产生的电火花弱或者电嘴不产生电火花是点火系统主要的故障模式，电嘴产生的火花出现问题，可能是由于电嘴本身的故障，也可能是磁电机的故障。电嘴的状态直接影响到点火性能的好坏，如果电嘴积碳、积铅、漏电，会造成无法打出电火花，而高压导线最主要的故障就是绝缘体被击穿或者接触不良、由于潮湿等漏电，因此在维修时要注意高压导线防潮，防高温。而磁电机因为内漏、定时不准的原因，会出现左、右磁电机掉转超差，磁电机单磁工作等故障模式，断电器、分电盘等的故障会使得磁电机的低压电路断路、二次线圈产生的电压减小，这些故障模式都会影响电嘴的点火情况[17]。另外由于点火系统的电嘴产生的电火花问题，还会进一步引起当发动机抖动和“放炮”等故障。由于滑油工作时，要流经发动机的不同子系统，而活塞发动机的很多零件，例如：气缸、活塞涨圈等工作在高温、高压的恶劣环境下的发动机零件，需要良好的润滑状态才能保持正常工作，一旦这些零件发生故障，也会对滑油的状态造成很大的影响[18]。例如：当气缸壁、活塞涨圈等磨损严重时，会加大滑油的消耗量，造成滑油压力减小、温度过高的问题。除去其他子系统的故障对滑油系统的影响，滑油系统的自身组成器件的故障也是滑油系统故障的一大原因，当滑油系统中的滑油滤、滑油泵等故障时，也会影响滑油状态，而如果是滑油量表和滑油压力传感器的故障，则只会影响到滑油状态的相关示数，不会对其他子系统造成影响。总的来说，滑油系统最主要的故障模式就是滑油压力、流量和温度问题，具体而言，包括滑油压力低、滑油温度过高、滑油消耗量过大等故障模式，其中，滑油压力低造成的故障影响最大，需特别注意。1.2.3严酷度等级定义及FMEA表格填写综合分析航空活塞发动机四个子系统的故障模式及故障影响，本文将其故障模式分为四类，第一类是指灾难性的故障，一旦发生，就会造成重大的人员伤亡或者经济损失，严重危害飞机及飞行员的安全；第二类是综合性的故障，对发动机子系统造成重大影响，需要更换多个零件或者具有复杂结构的发动机装置才能解决，并且造成飞机部分损伤，例如：磁电机单磁不工作、慢车停车等故障；第三类故障产生的影响不大，通过更换单个零部件即可解决，会影响部分飞行任务的完成；第四类则是无关紧要的故障，例如：滑油量表短时波动后正常，可通过正常的检修排除。表2-1严酷度等级定义表严酷度等级Ⅰ造成飞机事故，人员伤亡Ⅱ对发动机子系统造成重大影响，需要更换多个零件才能解决，并且造成飞机部分损伤Ⅲ产生影响不大，通过更换单个零部件即可解决，会影响部分飞行任务的完成Ⅳ影响很小，增加非计划性的维修即可解决规定严酷度等级之后，在功能结构图的基础上，分析系统中每一零件可能产生的故障模式及其对系统造成的可能的影响，并按每一个故障模式的严重程度、发生频度以及检测难易程度予以分类，还需要根据实际情况设定改进措施和补偿手段。而对航空活塞发动机各零件中，像曲轴、连杆这样涉及强度问题的部件，需要根据实际磨损、破坏情况更换强度更高、耐腐蚀性更强的类型，对于气缸、涨圈等工作环境恶劣，机械负荷和热负荷较大的，需要定期维修检查，及时排除故障并更换器件，对于气门、喷嘴等容易受污染影响而发生故障的部件，需要及时清理污染物，例如积碳、灰尘等，保证工作环境的清洁，这些补偿措施可有效提高发动机的安全性、可靠性。航空活塞发动机FMEA具体过程为，先对发动机系统进行定义，然后对故障模式及故障原因进行分析，并结合实际情况对严酷度进行规定，最后完成四个子系统的FMEA分析表格。图2-9核心部件FMEA表部分截图图2-10燃油系统FMEA表部分截图图2-11点火系统FMEA表部分截图图2-12滑油系统FMEA表部分截图经过对核心部件、燃油系统、点火系统、滑油系统的FMEA分析，可以找出对四个子系统危害性最大的故障模式。在核心部件中，连杆和曲轴的疲劳、强度问题，活塞涨圈的胶结、断裂问题，气缸的气密性问题，以及气门机构的气门和挺杆问题，都是核心部件故障模式中对发动机影响很大，严酷度等级为第Ⅱ级的故障模式，这些故障模式会直接影响到活塞发动机的正常功能，需要及时检修排出故障，另外还要设计相应的改进措施，例如：对于连杆和曲轴这样问题出现在强度方面的，要根据实际的磨损情况，选用适合的滑油类型和润滑形式，或者选用强度更大、耐腐蚀更强的其他型号的连杆和曲轴，而对于活塞涨圈、气缸这样受滑油状态影响大的器件的的改进建议，就是根据发动机运转情况，调整滑油的压力、流量、温度，保证涨圈始终在良好的润滑状态下工作，另外还要及时对活