航空發(fā)動機機械磨損的故障探析

戴沅均

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院人事處，廣東 廣州 510403）

航空發(fā)動機機械磨損的故障探析

戴沅均

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院人事處，廣東 廣州 510403）

本文從航空發(fā)動機機械磨損原理入手，著重分析機械磨損對滑油系統(tǒng)的影響及故障磨損監(jiān)控方法，探索了機械磨損故障診斷技術(shù)及診斷技術(shù)發(fā)展趨勢。

航空發(fā)動機；機械磨損故障；監(jiān)控；診斷技術(shù)；發(fā)展趨勢

航空發(fā)動機機械在運行過程中會產(chǎn)生一定的磨損，而發(fā)動機磨損會進一步導(dǎo)致航空發(fā)動機的運行故障。如果不能夠及時診斷航空發(fā)動機機械磨損故障會嚴重影響航空飛機的正常航行，甚至還會引發(fā)安全事故。因此，航空公司十分重視發(fā)動機機械磨損故障的診斷和監(jiān)控，并及時排除磨損故障。通常情況下，航空發(fā)動機磨損故障診斷多采用監(jiān)測儀器診斷、專家系統(tǒng)診斷、油液分析診斷等診斷方法。并且在信息化的背景下，航空發(fā)動機的磨損故障診斷朝著智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化和早期化的方向發(fā)展。研究航空發(fā)動機機械磨損故障不僅能夠加強對機械磨損的監(jiān)控，及時排除磨損故障，而且能夠保證航空發(fā)動機的正常運行，有效避免安全事故。

1 航空發(fā)動機機械磨損原理

1.1 機械磨損過程

航空發(fā)動機的軸承和齒輪最容易發(fā)生機械磨損，本文以航空發(fā)動機軸承為例來研究機械磨損的過程。發(fā)動機軸承的高度運轉(zhuǎn)會使軸承內(nèi)部零件的表面產(chǎn)生摩擦，進而減少零件表面的彈性。具體來說，航空發(fā)動機軸承機械磨損主要分為以下三個階段。首先，磨合階段。磨合階段的軸承內(nèi)部零件表面接觸面積較小并且表面比較粗糙，機械磨損較快。而隨著機械磨損的加深，軸承零件的接觸面積越來越大，機械磨損進入穩(wěn)定磨損階段。在這一階段，軸承的磨損率和耐磨壽命都比較穩(wěn)定，如果使用合適的潤滑油能有效減少機械磨損故障，延長軸承的使用壽命。之后，軸承機械磨損進入劇烈磨損階段。這一階段的磨損速度很快，磨損故障率大幅度提升，嚴重降低了軸承結(jié)構(gòu)的精度和軸承的功能。并且，機械磨損會導(dǎo)致軸承溫度上升，進而產(chǎn)生振動和噪聲，直至軸承零件失效。

1.2 機械磨損分類

航空發(fā)動機的機械磨損主要包括疲勞磨損、磨屑磨損和粘著磨損這三種，其中，粘著磨損主要指發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件平面發(fā)生滑動接觸時所產(chǎn)生的磨損，粘著磨損經(jīng)過反復(fù)的磨損過程會產(chǎn)生疲勞作用，導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件碎片的斷裂而成為磨屑。并且，航空發(fā)動機摩擦?xí)?dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件局部塑性變形，使得內(nèi)部構(gòu)件的表面材料轉(zhuǎn)移到另一個構(gòu)件表面，也可能導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件表面材料粘著在其他構(gòu)件表面。磨屑磨損主要指航空發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件表面的顆粒或粗糙表面在滑動過程中產(chǎn)生斷裂和變形，進而引起表面損傷。磨屑磨損主要包括兩體磨屑磨損和三體磨屑磨損這兩種情況。疲勞磨損主要指航空發(fā)動機運行過程中內(nèi)部構(gòu)件的反復(fù)滑動和滾動導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件表面出現(xiàn)的疲勞。例如，在重復(fù)摩擦和加載、卸載的過程中，發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件表面會出現(xiàn)摩擦變形和裂紋現(xiàn)象，在達到極限之后，內(nèi)部構(gòu)件表面會出現(xiàn)大碎片剝落，并出現(xiàn)大量的凹坑。

2 機械磨損對滑油系統(tǒng)的影響

航空發(fā)動機機械磨損會導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件表面的損傷和脫落，而這些脫落的磨屑會隨著滑油系統(tǒng)進行循環(huán)運轉(zhuǎn)。而在運轉(zhuǎn)過程中，部分磨屑會粘附在信號器、過濾器及磁塞上，而一些磨屑還會繼續(xù)停留在滑油之中對發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件造成進一步磨損，嚴重影響滑油系統(tǒng)的正常工作。并且，機械磨損會增大滑油器的油濾阻力，導(dǎo)致滑油不暢，甚至還會造成滑油系統(tǒng)壓力和溫度的升高。另外，機械磨損會降低滑油系統(tǒng)的密封性，導(dǎo)致滑油系統(tǒng)泄漏。

3 航空發(fā)動機機械磨損故障監(jiān)控方法

首先，磁塞分析法。磁塞能夠?qū)拖到y(tǒng)中因機械磨損而產(chǎn)生的磨屑進行收集，避免或減少滑油系統(tǒng)中的磨屑。磁塞分析法的原理是在油箱或回路中插入磁塞，讓磁塞對滑油中的磁性顆粒進行過濾。并且，磁塞需要定期去除清理，保證其對磨屑的吸附功能。另外，機械維修人員要對磁塞所過濾的磁性顆粒進行觀察和分析判斷，了解磁性顆粒的數(shù)量、大小等，并根據(jù)磁性顆粒的特征來判斷是否需要更換滑油系統(tǒng)中的滑油。磁塞分析法操作十分簡單，但是這種方法僅僅用于磁性顆粒的過濾，對非磁性顆粒沒有作用；其次，油液理化分析法?；驮谑褂眠^程中會出現(xiàn)質(zhì)量裂化，降低滑油的潤滑效果。因此，航空發(fā)動機維護工作需要對滑油油液進行定期檢查和分析。而油液理化分析法的主要目的是掌握滑油理化指標的變化，并根據(jù)指標變化情況來分析滑油的衰變特征，進而采取滑油使用的科學(xué)措施；再次，光譜分析法。光譜分析法能夠及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件的粘著磨損及磨損故障，但是，光譜分析難以及時發(fā)現(xiàn)疲勞磨損故障，并且其對磨屑的判斷準確性不高；最后，鐵譜分析法。鐵譜分析法能夠?qū)δバ歼M行定量和定性檢測，詳細觀察磨屑的形態(tài)、顏色、大小等特征，同時，定量分析還能夠判斷磨屑的相對含量和磨損的程度。并且，鐵譜分析法比較適用于早期診斷，在不拆卸發(fā)動機的情況下來檢測發(fā)動機的磨損征兆。但是，鐵譜分析法的誤差控制較差，并且對操作人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平要求較高，不適用與快速現(xiàn)場分析。

4 航空發(fā)動機機械磨損故障診斷技術(shù)

4.1 磨損監(jiān)測儀器診斷

在電子技術(shù)的支撐下，航空發(fā)動機機械磨損診斷儀器開發(fā)已經(jīng)成為滑油系統(tǒng)研究熱點，航空發(fā)動機磨損檢測儀器的使用也越來越多，例如，美國研發(fā)的011 v i e w監(jiān)測器、英國研發(fā)的P F C 200、P L C-2000、加大拿研發(fā)的Me t a l S C A N監(jiān)測器、美國研發(fā)的磨屑監(jiān)測器等都能夠?qū)娇瞻l(fā)動機油液進行監(jiān)控和分析。

4.2 專家系統(tǒng)診斷

專家系統(tǒng)在工程診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用有著重要作用，能夠充分促進智能故障診斷的發(fā)展。專家系統(tǒng)磨損故障診斷遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的磨損故障診斷技術(shù)。并且，專家系統(tǒng)的故障診斷儀專家知識經(jīng)驗為基礎(chǔ)，能夠?qū)?fù)雜的磨損故障進行科學(xué)診斷。另外，專家系統(tǒng)診斷能夠進行壽命評估、故障預(yù)報、故障排除等，很多航空發(fā)動機磨損診斷已經(jīng)開始運用專家系統(tǒng)進行診斷。

4.3 磨損界限值制定技術(shù)

制定界限值是航空發(fā)動機油樣分析的積分方法，也是進行發(fā)動機檢測的前提。美國在長期的研究和實驗中建立了發(fā)動機磨損元素的界限值指標，并根據(jù)發(fā)動機的實際使用狀況對界限指標進行修改。磨損界限值制定技術(shù)多采用理化分析、鐵譜分析、磨屑顆粒分析、光譜分析等分析方法來進行磨損故障診斷。

5 航空發(fā)動機機械磨損故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

5.1 實時化診斷

航空發(fā)動機的安全要求較高，并且航空發(fā)動機工作狀態(tài)處于動態(tài)變化之中，需要對發(fā)動機機械磨損故障進行實時診斷。而實時化的機械磨損診斷要求比較嚴格，必須具備較高的反應(yīng)速度，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機中的磨損故障，在較短時間內(nèi)制定故障維修策略，采取合適的故障維修措施。

5.2 智能化診斷

智能化診斷能夠使航空發(fā)動機機械磨損在沒有診斷專家的情況下正常進行，并且，智能化診斷的速度較快，準確率較高，能夠及時、準確地發(fā)現(xiàn)機械磨損故障。另外，智能化診斷需對機械磨損領(lǐng)域的專家知識進行自動化吸收，自動化的系統(tǒng)自我完善，以提高機械磨損診斷技術(shù)水平。

5.3 系統(tǒng)化診斷

系統(tǒng)化診斷不僅要診斷具體的檢測任務(wù)，而且還要診斷航空發(fā)動機系統(tǒng)中復(fù)雜的機械磨損故障。從具體的檢測任務(wù)方面來說，系統(tǒng)化診斷需要對多種檢測信息進行驗證，得出初步診斷結(jié)果，并對多種故障征兆信息進行融合診斷，以提高診斷的準確性。從復(fù)雜的磨損故障方面來說，航空發(fā)動機很可能同時存在多種磨損故障，并且多種磨損故障之間相互影響，要求診斷人員對局部故障和整體故障進行檢測診斷。

5.4 早期化診斷

航空發(fā)動機的磨損故障主要分為原發(fā)型和誘導(dǎo)型故障，而大多數(shù)發(fā)動機磨損故障都是誘導(dǎo)型故障，原發(fā)型故障較少。因此，航空發(fā)動機磨損故障診斷需要進行早期診斷，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機存在的磨損故障及潛在的誘導(dǎo)故障，并及時進行維護，消除潛在誘導(dǎo)故障的引發(fā)因素，避免誘導(dǎo)故障的發(fā)生。

5.5 網(wǎng)絡(luò)化診斷

網(wǎng)絡(luò)化診斷是機械故障診斷的重要發(fā)展趨勢，網(wǎng)絡(luò)化診斷以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)為依托，具有較高的準確性，診斷速度極快。并且，網(wǎng)絡(luò)化診斷的成本較低，應(yīng)用型較強，能夠與遠程診斷技術(shù)、維修管理技術(shù)等故障診斷維修技術(shù)相結(jié)合，及時發(fā)現(xiàn)并解除航空發(fā)動機的磨損故障。

[1]陳果,楊虞微,左洪福.航空發(fā)動機磨損故障的智能融合診斷(英文)[J].Transactions of Nanjing University of Aeronautics Astronautics，2006(04).

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