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摘要：针对一起收推油门时发动机转速不跟随故障，在返厂检查的基础上，结合发动机工作原理，逐项分析了转速不随动、输出温度控制压力差高、膜片裂纹的故障机理，找出了故障原因，并提出了改进措施及建议。
关键词：转速；不随动；温度控制压力；膜片；裂纹
Keywords：speed；not following；temperature control pressure；diaphragm；crack
1 故障描述
一架某型飞机跨昼夜飞行时出现收推油门发动机转速不跟随故障，飞行员沿就近路线返场，正常放起落架，建立迫降航线着陆。下滑过程中，飞行员收油门减速，此时n2转速在最大状态，收油门至慢车，转速仍无变化。现场检查发现主膜盒式温度传感器存在输出温度控制压力差高故障。
2 故障定位
2.1 产品基本情况
该型飞机的发动机配装有主、副两个膜盒式温度传感器（TDK），用以感受发动机进气温度T01，将之转换为油压信号（温度控制压力），通过切换活门送往主泵调节器，同时温包提供的稳定回油压力也送往主泵调节器，形成温度控制压力差△Pk，并按此调节和控制发动机的当前状态。当一个TDK故障，输出温度控制压力低于正常值时，可通过切换活门自动切换到（或保持）正常TDK控制发动机，并报出TDK报故信号（见图1）。
2.2 返厂检查情况
故障TDK返厂性能录取检查，确认其存在输出温度控制压力差高故障（见图2）。
因带温包的壳体为整体焊接件，为查找内部泄漏点，对故障TDK带温包的壳体进行线切割，取出膜片在体式显微镜、电镜下进行检查，发现膜片上有一条长约1.5mm、宽约0.011mm的裂纹（见图3、图4）。
3 机理分析
3.1 转速不随动故障机理分析
根据性能录取结果，故障TDK输出温度压力差不随发动机进气温度变化，且始终保持在16kg/cm2左右，导致发动机主燃油调节系统误判发动机进口温度T01大于200℃。根据发动机调节计划（见图5），当T01超过137℃后，慢车及节流状态控制计划使n2物理转速保持在97±2%，其他参数按各自控制计划调节。
发动机主、副TDK不是在任何故障模式下都互为备份，TDK故障后对应的输出油压将发生变化，系统设计遵循“油压高选”原则。当一个TDK故障，输出油压低，压差超过规定值，发动机输出故障信号，并切换至正常TDK输出的油压进行调节。如果输出油压高，压差超出规定值，发动机将输出故障信号，为了保持发动机推力，发动机会采用故障TDK输出的高油压进行调节，以维持大转速，此时推收油门转速就不会随动。
3.2 输出温度压力差高故障机理分析
根据膜盒式温度传感器工作原理（见图6），正常工作时，螺旋毛细管将感受到的发动机进气温度T01转换成膜片相应的位移量，調节控制活门的回油开度，对定压油进行分压，形成与T01一致的温度控制压力差△Pk。
若定压油串入螺旋毛细管密闭腔，将使膜片恢复关小控制活门回油路状态，致使温度控制压力差△Pk升高，直至达到最大值16kg/cm2左右，相当于输出发动机进气温度在200 ℃以上的△Pk，即发动机按照进气温度200 ℃以上进行控制。
3.3 膜片裂纹故障机理分析
1）膜片安装结构分析
如图7所示，膜片压装在支承上，在a位置沿圆周采用接触焊、滚焊（宽度1 mm）的方式焊接固定，与受热器组合后，在b位置沿圆周采用电阻焊的方式焊接固定，再与带螺栓的法兰盘组合，在c位置沿圆周采用电阻焊的方式焊接固定。因此，膜片焊接于壳体内部，由于带温包的壳体为焊接件不可分解，无法直接检查其内部的膜片状态，按大修指导规定，只能通过对TDK进行性能试验来检查确认膜片当前状态。
2）有限元仿真分析
对膜片进行受力分析，首先对膜片分别施加一个法向的均值过载（见图8）。由有限元分析可见，两种情况下应力较大区域均集中在膜片环状波纹处。可见，在发动机起动或停车过程中，膜片由于所受油液压力急剧变化打破平衡状态，会对膜片环状波纹处产生重复应力集中。取应力最大5个点进行分析，最大应力点随机分布于膜片最内侧环状波纹处（见图9）。
参照膜片裂纹发生位置，分别在模型上切一个与实际膜片裂纹位置和方向相近的缺口（深0.02mm×长0.5mm），并施加一个法向集中力（10N），然后进行仿真分析。分析表明，存在损伤缺陷时应力最大值的4个位置均位于模拟切口处，存在集中力时应力最大值的5个位置均位于设置集中力处（见图10）。得到结论：当膜片在最内侧环状波纹处存在损伤或集中力时，在发动机起动或停车过程中，由于膜片油液一侧压力急剧变化，导致应力在损伤或集中力处集中。
裂纹位置位于膜片最内侧环状波纹处（见图11），裂纹沿径向扩展，长度约为1.5mm；人工打开该裂纹，在膜片断口上可见疲劳特征，疲劳裂纹产生原因可能与膜片受异常应力或膜片材质缺陷有关。
根据有限元仿真分析结果，当膜片处于正常工作状态时，应力较大区域均集中在膜片环状波纹段，应力最大的5个点随机分布在膜片最内侧环状波纹处。由分析可知，若发动机正常工作直至膜片应力集中区发生疲劳断裂，其裂纹应表现为沿环状波纹周向发展，此种失效模式与本次膜片沿径向裂纹的故障表征不一致。
当膜片存在损伤或加工残余应力时，应力最大值从随机分布状态转移至损伤或加工残余应力处集中，发动机的起停将导致缺陷逐渐扩大，最终贯穿膜片，其裂纹发展方向取决于损伤或加工残余应力的方向，此种失效模式符合已发生的两起膜片裂纹故障表征。
根据膜片安装结构分析、有限元仿真及失效分析，认为膜片裂纹故障的原因是膜片自身存在原始制造加工缺陷，裂纹是在使用过程中产生的。
4 改进措施及建议
基于上述故障检查分析结果，研究制定了性能检测控制措施，增加膜盒式温度传感器TDK在全程指令压力性能的稳定性检查，以及增加在加大回油压力PT3时对稳定放油压力PT2的稳定性检查。同时，针对膜片原始制造加工缺陷，根据膜片安装结构，对外购带温包的壳体开展在装用前的筛选检测方法研究，包括：通过氦质谱检漏仪进行膜片及螺旋毛细管缺陷或焊缝处的泄漏检测；采用涡流探伤对膜片进行检测。
5 结束语
由膜盒式温度传感器TDK内部膜片裂纹导致输出温度控制油压差高的故障，n2转速偏高，根据故障时发动机的n1、T4等参数推算，发动机推力偏大，可保证飞机平飞返航，但会增加着陆过程的操作难度。若TDK故障导致输出温度控制油压差低的故障，n2转速偏低，但推油门转速可随动，可通过推油门保证飞机返航着陆。因此，针对此类故障，在研究制定修理预防控制措施的同时，还应开展该故障模式下的特情处置方法研究，并与部队空地勤人员进行必要的培训交流。
关键词：转速；不随动；温度控制压力；膜片；裂纹
Keywords：speed；not following；temperature control pressure；diaphragm；crack
1 故障描述
一架某型飞机跨昼夜飞行时出现收推油门发动机转速不跟随故障，飞行员沿就近路线返场，正常放起落架，建立迫降航线着陆。下滑过程中，飞行员收油门减速，此时n2转速在最大状态，收油门至慢车，转速仍无变化。现场检查发现主膜盒式温度传感器存在输出温度控制压力差高故障。
2 故障定位
2.1 产品基本情况
该型飞机的发动机配装有主、副两个膜盒式温度传感器（TDK），用以感受发动机进气温度T01，将之转换为油压信号（温度控制压力），通过切换活门送往主泵调节器，同时温包提供的稳定回油压力也送往主泵调节器，形成温度控制压力差△Pk，并按此调节和控制发动机的当前状态。当一个TDK故障，输出温度控制压力低于正常值时，可通过切换活门自动切换到（或保持）正常TDK控制发动机，并报出TDK报故信号（见图1）。
2.2 返厂检查情况
故障TDK返厂性能录取检查，确认其存在输出温度控制压力差高故障（见图2）。
因带温包的壳体为整体焊接件，为查找内部泄漏点，对故障TDK带温包的壳体进行线切割，取出膜片在体式显微镜、电镜下进行检查，发现膜片上有一条长约1.5mm、宽约0.011mm的裂纹（见图3、图4）。
3 机理分析
3.1 转速不随动故障机理分析
根据性能录取结果，故障TDK输出温度压力差不随发动机进气温度变化，且始终保持在16kg/cm2左右，导致发动机主燃油调节系统误判发动机进口温度T01大于200℃。根据发动机调节计划（见图5），当T01超过137℃后，慢车及节流状态控制计划使n2物理转速保持在97±2%，其他参数按各自控制计划调节。
发动机主、副TDK不是在任何故障模式下都互为备份，TDK故障后对应的输出油压将发生变化，系统设计遵循“油压高选”原则。当一个TDK故障，输出油压低，压差超过规定值，发动机输出故障信号，并切换至正常TDK输出的油压进行调节。如果输出油压高，压差超出规定值，发动机将输出故障信号，为了保持发动机推力，发动机会采用故障TDK输出的高油压进行调节，以维持大转速，此时推收油门转速就不会随动。
3.2 输出温度压力差高故障机理分析
根据膜盒式温度传感器工作原理（见图6），正常工作时，螺旋毛细管将感受到的发动机进气温度T01转换成膜片相应的位移量，調节控制活门的回油开度，对定压油进行分压，形成与T01一致的温度控制压力差△Pk。
若定压油串入螺旋毛细管密闭腔，将使膜片恢复关小控制活门回油路状态，致使温度控制压力差△Pk升高，直至达到最大值16kg/cm2左右，相当于输出发动机进气温度在200 ℃以上的△Pk，即发动机按照进气温度200 ℃以上进行控制。
3.3 膜片裂纹故障机理分析
1）膜片安装结构分析
如图7所示，膜片压装在支承上，在a位置沿圆周采用接触焊、滚焊（宽度1 mm）的方式焊接固定，与受热器组合后，在b位置沿圆周采用电阻焊的方式焊接固定，再与带螺栓的法兰盘组合，在c位置沿圆周采用电阻焊的方式焊接固定。因此，膜片焊接于壳体内部，由于带温包的壳体为焊接件不可分解，无法直接检查其内部的膜片状态，按大修指导规定，只能通过对TDK进行性能试验来检查确认膜片当前状态。
2）有限元仿真分析
对膜片进行受力分析，首先对膜片分别施加一个法向的均值过载（见图8）。由有限元分析可见，两种情况下应力较大区域均集中在膜片环状波纹处。可见，在发动机起动或停车过程中，膜片由于所受油液压力急剧变化打破平衡状态，会对膜片环状波纹处产生重复应力集中。取应力最大5个点进行分析，最大应力点随机分布于膜片最内侧环状波纹处（见图9）。
参照膜片裂纹发生位置，分别在模型上切一个与实际膜片裂纹位置和方向相近的缺口（深0.02mm×长0.5mm），并施加一个法向集中力（10N），然后进行仿真分析。分析表明，存在损伤缺陷时应力最大值的4个位置均位于模拟切口处，存在集中力时应力最大值的5个位置均位于设置集中力处（见图10）。得到结论：当膜片在最内侧环状波纹处存在损伤或集中力时，在发动机起动或停车过程中，由于膜片油液一侧压力急剧变化，导致应力在损伤或集中力处集中。
裂纹位置位于膜片最内侧环状波纹处（见图11），裂纹沿径向扩展，长度约为1.5mm；人工打开该裂纹，在膜片断口上可见疲劳特征，疲劳裂纹产生原因可能与膜片受异常应力或膜片材质缺陷有关。
根据有限元仿真分析结果，当膜片处于正常工作状态时，应力较大区域均集中在膜片环状波纹段，应力最大的5个点随机分布在膜片最内侧环状波纹处。由分析可知，若发动机正常工作直至膜片应力集中区发生疲劳断裂，其裂纹应表现为沿环状波纹周向发展，此种失效模式与本次膜片沿径向裂纹的故障表征不一致。
当膜片存在损伤或加工残余应力时，应力最大值从随机分布状态转移至损伤或加工残余应力处集中，发动机的起停将导致缺陷逐渐扩大，最终贯穿膜片，其裂纹发展方向取决于损伤或加工残余应力的方向，此种失效模式符合已发生的两起膜片裂纹故障表征。
根据膜片安装结构分析、有限元仿真及失效分析，认为膜片裂纹故障的原因是膜片自身存在原始制造加工缺陷，裂纹是在使用过程中产生的。
4 改进措施及建议
基于上述故障检查分析结果，研究制定了性能检测控制措施，增加膜盒式温度传感器TDK在全程指令压力性能的稳定性检查，以及增加在加大回油压力PT3时对稳定放油压力PT2的稳定性检查。同时，针对膜片原始制造加工缺陷，根据膜片安装结构，对外购带温包的壳体开展在装用前的筛选检测方法研究，包括：通过氦质谱检漏仪进行膜片及螺旋毛细管缺陷或焊缝处的泄漏检测；采用涡流探伤对膜片进行检测。
5 结束语
由膜盒式温度传感器TDK内部膜片裂纹导致输出温度控制油压差高的故障，n2转速偏高，根据故障时发动机的n1、T4等参数推算，发动机推力偏大，可保证飞机平飞返航，但会增加着陆过程的操作难度。若TDK故障导致输出温度控制油压差低的故障，n2转速偏低，但推油门转速可随动，可通过推油门保证飞机返航着陆。因此，针对此类故障，在研究制定修理预防控制措施的同时，还应开展该故障模式下的特情处置方法研究，并与部队空地勤人员进行必要的培训交流。