某涡轴发动机火警虚警故障分析与研究

张秋生，景刚，唐宁，孙正楠，梁小康

（1.92635部队，青岛 266041；2.91049部队，青岛 266100）

引言

火警探测系统是涡轴发动机防火系统的重要组成部分，能够实时监测发动机运行状态是否平稳。当发动机温度异常时（高于探测值），引起火警器的两个金属片伸长，温度异常时（高于探测），引起火警器的两个金属片伸长，使两个金属片之间接触点断开，并产生预警信号，帮助飞行员及时了解直升机的运行状态，空中关停发动机甚至释放灭火瓶，飞机返航、备降。如果火警探测系统发生故障不能发出预警信号，或产生“火警虚警误报”等异常故障，诱发飞行事故链，造成直升机在空中停飞[1,2]，对直升机任务完成率和飞行安全造成较大影响。随着战训任务的加重，如何有效地降低涡轴发动机火警探测系统的虚警率，已成为直升机保持持续作战能力急需解决的问题之一。

1 故障现象

某涡轴发动机在正常飞行过程中火警指示灯多次闪亮报警，检查发动机舱的温度监测数据，最高温度分别为47.5 ℃（低温区）、132.6 ℃（中温区）、188.76 ℃（高温区），温度正常，未出现超温情况，判断火警探测系统存在虚警故障。对发动机火警探测器的电阻值采集后发现，火警探测器输出电阻存在异常。

2 火警探测系统原理

直升机火警探测系统的探测方式通常采用温度探测，即在发动机机体周围设置许多相互串联的火警探测器，通过探测回路电阻值得变化情况，实现对环境的感知实时监测。假如在飞行运行过程中，发动机火警探测器感知到温度值超过系统预设阈值时，火警探测系统立刻通过控制回路发出报警信号，传递给飞行员火警警示信息[3,4]，飞行员分析直升机的运行状态，采取空中关停发动机甚至释放灭火瓶的紧急措施。

火警探测系统由火警检测盒和火警探测器（其中每套含3台低温火警探测器、4台中温火警探测器、2台高温火警探测器）组成。火警探测器跟火警控制盒采用串联方式，正常的回流条和应急回流条利用断路器为火警控制盒供电，如图1所示。当监测范围内发生火警或温度异常升高并达到火警探测器设定的温度时，火警探测器动作，通过火警控制盒发出火警信号。

图1 火警探测系统原理图

1）当火警探测器回路对地电阻值小于300 Ω（对地短路状态）时，火警控制盒输出“线路故障”告警信号。

2）当火警探测器回路对地电阻值大于300 Ω时，火警控制盒正常工作。

3）当检测到火警探测器回路电阻值[0，200）（正常状态）时，火警检测盒无告警信号输出。

4）当检测到火警探测器回路电阻值[200，1.1k）（接触不良状态）时，火警检测盒输出“线路故障”告警信号。

5）当检测到火警探测器回路电阻值[1.1k，27k]（火警状态）时，火警检测盒输出“火警”告警信号。

6）当检测到火警探测器回路电阻值（27 k，+∞）（断路状态）时，火警检测盒输出“线路故障”告警信号。

火警探测器为双金属片原理探测器，产品利用双金属材料随温度变化产生形变的特性工作，当产品检测区域内的空气温度升高时，双金属片1和双金属片2产生弯曲变形，两触点随之运动并保持闭合状态，当双金属片1与调节螺钉接触后停止形变，与之连接的触点停止运动，而双金属片2则继续变形，随后两触点分开，将火警电阻R接入火警回路，产品结构图见图2，线路原理图见图3。

图2 火警探测器结构图

图3 线路原理图

3 火警虚警故障排查与分析

3.1 故障分析与定位

由于高温、高湿、高盐雾等典型海洋服役环境，以及发动机复杂工况引发的振动、电磁干扰等外部环境，使得火警探测系统内部元器件、控制线路经常出现磨损破坏、短路等故障模式，常见的故障类型如下：

1）电气线路发生故障

直升机在飞行过程中，高强度、持续运转的发动机所产生高温振动的工作环境，使得线路容易出现磨损破坏、短路，以及探测器末端脱落等故障[5,6]。再加上潮湿的海洋服役环境，受潮的电路极易引发火警虚报的故障现象。除此之外，火警探测器通常采用接线端子的形式进行连接，潮湿、振动的服役环境导致接线端子受潮或者松动，极易造成火警控制盒出现异常，从而产生火警虚报的警示信号。

2）火警探测系统的元器件发生故障

火警探测器由于电路中对电阻阈值的设置不合理或温度变化使回路中的电阻发生改变，使得传给火警控制盒的电阻值和内部电阻在比对过程中出现误判，导致虚警现象发生。另外，生产过程中火警探测器机构密封不严或质量管控不到位，使得外界环境中微小颗粒渗入到探测器内部，导致温度感知元器件故障，电阻值增大或是电阻值趋向于无穷大，出现控制盒误报警的虚假现象。

3） 服役环境电磁干扰严重

直升机飞行过程中，安装于发动机机体的火警探测器处于高温、振动、电磁干扰的复杂运行环境。恶劣的服役环境，尤其是电磁干扰极易导致火警控制盒发出故障告警信息。而一旦直升机停止工作，其干扰随即消失，故障现象就会逐渐消失。

对于该涡轴发动机在正常飞行过程中火警指示灯多次闪亮报警的故障现象而言，经对火警探测系统进行故障隔离排查，发现火警探测器锁紧螺帽与陶瓷座存在约1.5 mm间隙，陶瓷座存在明显晃动情况，如图4所示；对产品进行X光检查，发现产品长接线柱处的锁紧螺帽与内部六角薄螺母存在明显间隙，如图5所示。导致接线片与接线柱间的电连接不可靠，在高温、振动条件下，接线柱与接线片虚接，造成输出电阻异常。

图4 锁紧螺帽与陶瓷座间隙

图5 陶瓷座间隙X光检查

3.2 机理分析

1）输出电阻异常机理分析

当火警探测器接线柱锁紧螺帽松动时，其内部为悬空状态，装机使用过程中在高温及振动条件综合作用下，接线片与锁紧螺帽间接触压力减小，因接触不良产生虚接。由于在振动条件下，接线片与锁紧螺帽间接触压力受振动条件影响而变化，接触面积及接触间隙呈不规则变化，导致电阻呈现不稳定动态跳变，而常温静态情况下，产品接线片与锁紧螺帽间接触状态稳态，电阻输出正常,如图6所示。当产品输出电阻达到火警检测盒火警域值范围时，则触发火警系统虚警。

2）锁紧螺帽松动机理分析

火警探测器装调过程中，依次将陶瓷座、六角薄螺母按图7要求装入产品相应位置，六角薄螺母对陶瓷座起到固定限位作用，其中两个六角薄螺母按照规定的拧紧力矩拧入接线柱，之后再将锁紧螺帽拧入接线柱并拧紧,保证锁紧螺帽与六角薄螺母贴合，最后将外锯齿锁紧垫圈、Ⅰ型六角螺母装配至两接线柱。

图7 产品装配示意图

由于锁紧螺帽为圆柱结构,拧紧过程中,拧紧工具与锁紧螺帽存在圆周方向相对转动,存在拧不紧的风险,锁紧螺帽安装后未采取机械防松紧固措施，火警探测器使用前，需拧松取出Ⅰ型六角螺母及外锯齿锁紧垫圈，此时容易将相邻锁紧螺帽带松，从而使得锁紧螺帽与内部六角薄螺母分离，之后将发动机线缆接线片安装至接线柱，并通过外锯齿锁紧垫圈和Ⅰ型六角螺母拧紧固定，接线片与锁紧螺帽间压紧接触，由于此时锁紧螺帽内部为悬空状态，装机使用过程中在高温及振动条件综合作用下，锁紧螺帽逐渐松动，使得接线片与锁紧螺帽间接触压力减小，因接触不良产生虚接，从而使得产品输出电阻异常，达到火警控制盒火警域值范围时，则触发火警系统虚警。

4 结论与解决措施

涡轴发动机火警探测器虚警的原因为火警探测器锁紧螺帽无有效紧固措施，装机使用过程中在高温及振动条件综合作用下，锁紧螺帽逐渐松动，使得接线片与锁紧螺帽间接触压力减小，因接触不良产生虚接，从而使得产品输出电阻异常。在外场维护过程中，机组需要定期对火警探测系统进行检查和测量，以最大限度地减少元器件故障带来的火警探测系统安全隐患问题。对于控制线路问题，加强对电气线路的排查，尤其是容易出现的磨损破坏、短路，以及探测器末端脱落等情况，一旦发现线路或端子松动的情况，立即进行检修。

于此同时，聚焦锁紧螺帽松动问题，拟提出如下改进措施：将锁紧螺帽拧入接线柱，确保螺帽内端面与六角螺母贴合，然后在锁紧螺帽端面与接线柱螺纹结合处激光点焊固定。