淺析航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的故障探析

萬新民　張棟　張磊

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效能，甚至?xí)砀鼮閲?yán)重的事故問題，因此采取措施降低機(jī)械磨損程度和故障問題發(fā)生，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性能和安全性十分重要。在這種情況下，研究發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的問題以及故障監(jiān)控和診斷方法就成為相關(guān)工作者的當(dāng)務(wù)之急。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī) 軸承磨損 零部件 故障

近年來，人們對(duì)于航空的安全和穩(wěn)定運(yùn)行性能要求越來越高，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)愈加復(fù)雜和先進(jìn)化。雖然復(fù)雜的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)提高整體的安全性，但是在飛行過程中如果突發(fā)故障很容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)失去控制或者造成嚴(yán)重的事故。大量發(fā)動(dòng)機(jī)維修工作經(jīng)驗(yàn)表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常存在機(jī)械磨損的問題，這是影響發(fā)動(dòng)機(jī)功能和正常運(yùn)行的重要原因?；诖?，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的問題和故障維護(hù)措施研究就顯得極其重要。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損過程及分類

（一）航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損過程分析

通常情況下，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中容易出現(xiàn)機(jī)械磨損的部位是軸承和齒輪，尤其在長時(shí)間使用后必須對(duì)這些容易磨損的部位進(jìn)行檢查和維護(hù)。在本文中，以軸承磨損問題作為主要研究的問題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部的零部件會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦，減少零件表面的彈性，最終發(fā)生不同程度損壞，影響軸承的性能。我們可以將發(fā)動(dòng)機(jī)軸承機(jī)械磨損問題分成三個(gè)階段，下面對(duì)三個(gè)階段進(jìn)行分析：首先是磨合階段。在磨合階段中，由于軸承的零部件表面粗糙程度會(huì)存在差異會(huì)影響兩個(gè)表面之間接觸面積的大小，接觸面積越小，相應(yīng)的應(yīng)力荷載就大，機(jī)械磨損就會(huì)較快，但通常情況下這一過程是在出廠前完成的。隨著磨合時(shí)間超長，兩表面磨合程度加深，軸承構(gòu)件的接觸表面積會(huì)逐漸變大，并過度到穩(wěn)定磨合階段[1]。其次，在穩(wěn)定磨合階段中，磨損率和壽命都會(huì)趨于穩(wěn)定，要想保證運(yùn)轉(zhuǎn)效率，減少磨損故障對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響，這時(shí)可以用潤滑油或其他有效的方法都會(huì)減少偶發(fā)故障，保證發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命。最后，在使用一段時(shí)間以后，發(fā)動(dòng)機(jī)軸承磨損會(huì)進(jìn)入到劇烈磨損階段。在這一階段中，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨損速度和嚴(yán)重程度都會(huì)隨之加深，故障率也會(huì)呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度。由于磨損速度和程度都在增加，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)噪聲或振動(dòng)的問題，嚴(yán)重情況會(huì)造成構(gòu)件進(jìn)入失效狀態(tài)，影響整體工作效率。

（二）航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損分類

我們可以將航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損問題分為三類，即疲勞磨損、磨屑磨損以及粘著磨損[2]。首先，疲勞磨損。疲勞磨損是航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件反復(fù)滑動(dòng)和滾動(dòng)造成構(gòu)件表面疲勞的情況。比如，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中構(gòu)件重復(fù)摩擦、加載以及卸載，長時(shí)間以后構(gòu)件表面就會(huì)因?yàn)槟Σ涟l(fā)生變形或裂紋，一旦達(dá)到最大限制后，甚至?xí)霈F(xiàn)表面大碎片剝落和凹坑的問題，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。其次，磨屑磨損。磨屑磨損主要是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)構(gòu)件表面存在的顆?；蛘哂捎诒砻娌煌潭鹊拇植趯?dǎo)致滑動(dòng)過程中出現(xiàn)斷裂或變形情況，導(dǎo)致構(gòu)件表面出現(xiàn)損傷。粘著磨損是由于內(nèi)部構(gòu)件在滑動(dòng)過程中造成的磨損問題，在反復(fù)磨損的情況下會(huì)產(chǎn)生疲勞作用，造成構(gòu)件碎片的斷裂，稱之為磨屑[3]。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中在摩擦作用下也會(huì)使內(nèi)部構(gòu)件出現(xiàn)局部塑性變形的問題，而且會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件表面材料轉(zhuǎn)移的情況或者表面材料粘著到其他構(gòu)件表面，其影響范圍會(huì)更大。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障的監(jiān)控方法與診斷技術(shù)

（一）故障監(jiān)控方法

磁塞的作用在于收集滑油系統(tǒng)中因?yàn)闄C(jī)械磨損產(chǎn)生的磨屑，這樣就可以減少滑油系統(tǒng)中的磨屑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響。其原理如下：將磁塞插入到發(fā)動(dòng)機(jī)油箱或回路中，可以起到將滑油中磁性顆粒過濾的作用，但是為了保證磁塞的吸附作用必須由專人定期清理。同時(shí)，要求維修人員觀察、分析并準(zhǔn)確片段磁塞過濾的磁性顆粒數(shù)量、大小等，可以將判斷結(jié)果作為發(fā)動(dòng)機(jī)滑油是否需要更換的依據(jù)。一般來說，磁塞分析法在操作上比較簡(jiǎn)單且有效，但缺點(diǎn)在于磁塞分析法只能用于過濾磁性顆粒，如果是非磁性顆粒則不能用該方法；其次，油液理化分析法。因?yàn)樵谑褂眠^程中滑油可能會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量裂化并對(duì)其潤滑效果產(chǎn)生較大影響。所以，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢查和維護(hù)過程中，維修人員必須做好對(duì)滑油油液的定期檢查。油液理化分析法簡(jiǎn)單來說就是通過掌握滑油理化指標(biāo)的變化情況分析其衰變特征，再考慮選擇合適的措施；再次，光譜分析法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以讓維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)件的粘著磨損和故障問題，缺點(diǎn)在于不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞磨損故障，而且相對(duì)來說光譜分析法對(duì)磨屑的判斷準(zhǔn)確性很低；最后，鐵譜分析法。與光譜分析法不同，鐵譜分析法可以對(duì)磨屑進(jìn)行定量和定性檢測(cè)，能夠更詳細(xì)了解磨屑的大小、顏色甚至是形態(tài)，還可以判斷磨屑的相對(duì)含量以及磨損程度。還有一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在于鐵譜分析法可以用在故障的早期診斷中，而且即使在不拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下也可以準(zhǔn)確判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的大致情況。該方法的缺點(diǎn)在于很難有效控制誤差，操作人員也需要掌握大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及較高水平的專業(yè)技術(shù)，一般在快速現(xiàn)場(chǎng)分析中不宜采用該方法。

（二）航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障診斷技術(shù)

1.磨損監(jiān)測(cè)儀器診斷技術(shù)

基于電子技術(shù)的發(fā)展，也推動(dòng)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損診斷儀器的研發(fā)，并且在磨損檢測(cè)中的運(yùn)用越來越防范，比如常見的011view 監(jiān)測(cè)器、PFC200、PLC-2000、MetalSCAN 監(jiān)測(cè)器等等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油液的有效監(jiān)控與分析。

2.專家系統(tǒng)診斷

在工程診斷領(lǐng)域中，專家系統(tǒng)的應(yīng)用較為常見，也發(fā)揮了重要作用，甚至實(shí)現(xiàn)了智能化故障診斷，大大提高了診斷效率，并且在各方面都要強(qiáng)于傳統(tǒng)磨損故障診斷技術(shù)。同時(shí)，在具體應(yīng)用中是以專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損故障的診斷，以及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估、故障預(yù)報(bào)和排除等等。

3. 磨損界限值制定技術(shù)

磨損界限值制定技術(shù)主要是油樣分析中的積分方法，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究制定了發(fā)動(dòng)機(jī)磨損元素的界限值指標(biāo)并根據(jù)使用狀況和實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。一般在磨損診斷過程中經(jīng)常用到理化分析、光譜分析以及鐵譜分析等方法。

結(jié) 語

綜上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，維修人員除了做好定期的檢查與維護(hù)工作以外，還需要多研究先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化診斷，提高故障診斷效率，切實(shí)保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為人們提供安全的出行條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉文新.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的故障診斷與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D].武漢理工學(xué)，2013.

[2] 戴沅均.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的故障探析[J].中國設(shè)備工程，2017（24）：26-27.

[3] 李愛.航空發(fā)動(dòng)機(jī)磨損故障智能診斷若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2013.