航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障的評(píng)估診斷

徐幸超

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)代科技條件下變得更加復(fù)雜，這種類型的復(fù)雜系統(tǒng)具有一定的安全裕度，但在飛行過程中出現(xiàn)問題時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，甚至產(chǎn)生安全事故。對(duì)此，應(yīng)盡量確保發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際維修工作經(jīng)驗(yàn)可以了解到，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的機(jī)械磨損是造成機(jī)械故障的主要因素，對(duì)此，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)手段解決相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);機(jī)械故障;評(píng)估診斷

中圖分類號(hào)：V328.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）31-0116-03

Causes and Preventive Measures of Aviation

Equipment Mechanical Accidents

XU Xingchao

（Jiangxi Economic Management Cadre College，Nanchang Jiangxi 330088）

Abstract： Aeroengine system becomes more complex under the condition of modern science and technology. This kind of complex system has certain safety margin， but when there is a problem in the flight process， it will inevitably lead to engine failure and even safety accidents. In this regard， try to ensure the stability of the engine state. According to the actual maintenance work experience， we can know that the mechanical wear of engine parts is the main cause of mechanical failure. Therefore， we should take corresponding technical measures to solve the related problems.

Keywords： aeroengine; mechanical failure; evaluation and diagnosis

在中國民航總局的某項(xiàng)資料中提到，機(jī)械故障是引起重大飛行事故的主要因素，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障又占據(jù)因機(jī)械原因?qū)е鹿收峡倲?shù)的絕大部分。因此，加強(qiáng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障的評(píng)估和診斷尤為重要。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障診斷的現(xiàn)狀

故障診斷的主要目的是通過研究來預(yù)防各種類型故障的產(chǎn)生，迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障部位的判定，或是了解其磨損程度，防止一些突發(fā)機(jī)械磨損事故的出現(xiàn)，保障飛行設(shè)備的利用率。另外，符合可靠性維修理念，以狀態(tài)監(jiān)控和維修工作相結(jié)合的必要手段也是減少發(fā)動(dòng)機(jī)故障產(chǎn)生的關(guān)鍵，其能保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)精度與使用壽命，節(jié)約維修管理所消耗的費(fèi)用。

以美國為代表的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障診斷技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，以滑油分析技術(shù)為代表的技術(shù)手段已經(jīng)在回歸預(yù)測(cè)模型中得到驗(yàn)證，利用滑油中存在的金屬濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定系統(tǒng)本身的磨損狀態(tài)，再利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行過程模擬。技術(shù)人員在模型中輸入故障數(shù)據(jù)，即可快速定位故障產(chǎn)生的區(qū)域，從而獲取完整的維護(hù)措施與防范措施。

國內(nèi)關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障的診斷技術(shù)研究也取得了一定成果，例如，在故障信號(hào)處理方面，技術(shù)人員可以通過滑油光譜分析儀、鐵譜分析儀對(duì)故障結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷?；谛盘?hào)處理的機(jī)械故障磨損診斷技術(shù)也能達(dá)到系統(tǒng)性能描述的精度要求，保障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，我國還從模型方面展開了研究，技術(shù)人員可以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油系統(tǒng)進(jìn)行建模，以觀測(cè)滑油系統(tǒng)的溫度、消耗情況、壓力等。整體來看，建模的過程是對(duì)機(jī)械磨損過程中的信息進(jìn)行處理，提取專門的診斷內(nèi)容和故障特征值。但是，當(dāng)前我國關(guān)于模型方面的研究仍是以單一的故障模式研究為主的，在實(shí)際操作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損很可能是由不同原因造成的，最后產(chǎn)生的故障也是復(fù)合型的，現(xiàn)有的技術(shù)往往不能識(shí)別。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的常見類型及其評(píng)估

航空發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，內(nèi)部構(gòu)件的機(jī)械磨損情況也比較多樣化，但從本質(zhì)上來看，都是相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件摩擦導(dǎo)致的結(jié)果，這些部件之間的摩擦?xí)?dǎo)致材料變形、損傷，并產(chǎn)生不同程度的機(jī)械磨損。

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，在迅速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承和齒輪帶動(dòng)下，壓氣機(jī)的各級(jí)葉片開始工作。經(jīng)過壓縮的空氣進(jìn)入燃燒室與燃油相混合并充分燃燒，從而產(chǎn)生高溫氣體，保障渦輪葉片的運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大推力，促進(jìn)熱能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，維持飛機(jī)前進(jìn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的第一時(shí)間，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子在燃?xì)鉁u輪啟動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，從而使渦輪轉(zhuǎn)子的軸承開始高速轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能提供給滑油系統(tǒng)的增壓泵。在滑油系統(tǒng)作用下，潤滑油進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各個(gè)齒輪和軸承，對(duì)這些部位進(jìn)行保護(hù)。如果受相關(guān)因素的影響，潤滑油沒有及時(shí)、足量地供給，未能對(duì)齒輪和軸承進(jìn)行充分潤滑，這些部位就可能出現(xiàn)干摩擦。干摩擦對(duì)齒輪和軸承的傷害非常大，甚至?xí)苯釉斐蓹C(jī)械磨損。如果滑油系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常流速、溫度和壓力，及時(shí)改善潤滑條件，提供足夠的潤滑油，并將之前干摩擦所產(chǎn)生的磨屑和熱量及時(shí)帶走，機(jī)械磨損就會(huì)恢復(fù)到可控范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)將繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可見，要完全避免機(jī)械磨損是不可能的，只能對(duì)其進(jìn)行控制。

2.2 機(jī)械磨損的過程評(píng)估

軸承和齒輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部承受載荷最多的部分，其發(fā)生機(jī)械磨損的概率也高于其他部位。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其內(nèi)部的部件也產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生摩擦。這些部件的接觸面上，塑性部分逐漸減少，彈性部分逐漸增加，最終產(chǎn)生磨損。軸承的磨損過程可以分為跑合階段、穩(wěn)定磨損階段與劇烈磨損階段。

第一階段，由于軸承內(nèi)部的表面粗糙程度存在差異，不同表面之間的接觸面積不大，較大的應(yīng)力載荷使軸承表面出現(xiàn)了機(jī)械磨損。然而，在實(shí)際情況中，這種現(xiàn)象并不常見，因?yàn)樵诔鰪S之前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部軸承就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了磨合。在磨合過程中，兩表面的真實(shí)接觸面也會(huì)不斷增大，從而延緩了磨損速度，進(jìn)入第二階段，也就是穩(wěn)定磨損階段。在這一時(shí)間內(nèi)，如果應(yīng)用合理的跑合規(guī)律與合適的潤滑油輔助保養(yǎng)，出現(xiàn)偶發(fā)故障的可能性較低，發(fā)動(dòng)機(jī)軸承使用周期也能得到保障。第三階段則是劇烈磨損階段，是在長期使用后的必然結(jié)果，這一階段的磨損速度會(huì)急劇增加，重點(diǎn)表現(xiàn)在故障頻率增加與機(jī)械功能下降、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度下降，各類異常噪聲、振動(dòng)開始出現(xiàn)，直至內(nèi)部零件失效，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 機(jī)械磨損的不同類型

2.3.1 粘著磨損。兩個(gè)固體平面發(fā)生滑動(dòng)接觸時(shí)，無論是干摩擦還是潤滑摩擦都會(huì)產(chǎn)生粘著磨損。粘著起源于界面的微門體接觸，滑動(dòng)使這些接觸點(diǎn)產(chǎn)生剪切作用，導(dǎo)致碎片從接觸點(diǎn)一側(cè)被剝離，粘著到另一側(cè)的微凸體上。當(dāng)滑動(dòng)繼續(xù)時(shí)，轉(zhuǎn)移的碎片從其粘著的表面脫落，又轉(zhuǎn)移到原來的表面上，否則就成為游離的磨粒。經(jīng)過反復(fù)加載和卸載的疲勞作用，有些轉(zhuǎn)移碎片將發(fā)生斷裂，它們也能成為游離的磨粒。

當(dāng)前，大部分研究者認(rèn)為，早期的滑動(dòng)磨損是在薄弱區(qū)域開始出現(xiàn)的，多數(shù)情況下，接觸界面的粘著強(qiáng)度低于材料撕裂的強(qiáng)度，此時(shí)的接觸點(diǎn)更多出現(xiàn)的是剪切故障，而不是磨損故障。但同時(shí)，有理論提出，導(dǎo)致磨損碎片出現(xiàn)的原因是連續(xù)的塑性剪切，在周期性載荷作用下形成結(jié)點(diǎn)的焊合，結(jié)點(diǎn)材料從一個(gè)較軟的表面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)表面。按照表面破壞程度，可以將粘著磨損劃分為不同級(jí)別，包括輕微磨損、涂抹、摩擦、咬死等，尤其是在高溫、高載荷狀態(tài)下，軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪的零部件損傷會(huì)出現(xiàn)不同形式的磨損故障[2]。

2.3.2 磨屑磨損。磨屑磨損指的是發(fā)動(dòng)機(jī)粗糙的表面或軟表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的塑性變形、斷裂等情況。一般來說，磨屑是在摩擦表面或機(jī)械加工中產(chǎn)生的，由于摩擦表面自身的硬度較高，使不同表面產(chǎn)生磨損。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分零件在磨合期本身就會(huì)產(chǎn)生磨屑磨損現(xiàn)象，按照磨料對(duì)金屬表面磨削條件的差異，其損傷原理也會(huì)有所不同。在微切削的損傷環(huán)節(jié)，脆性材料一般會(huì)產(chǎn)生材料崩落現(xiàn)象;在磨料顆粒的作用下，金屬表面產(chǎn)生交變接觸應(yīng)力導(dǎo)致疲勞損壞，金屬產(chǎn)生多次應(yīng)變也會(huì)導(dǎo)致疲勞損壞;而對(duì)于某些硬度較大的金屬零件，磨料顆粒在力作用下進(jìn)入金屬表面產(chǎn)生壓痕[2]。

2.3.3 疲勞磨損。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在長期滑動(dòng)、滾動(dòng)作用下，其接觸表面和表層出現(xiàn)疲勞，在重復(fù)性循環(huán)過程中，表面在超過循環(huán)閾值后剝離出碎片，在表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕等現(xiàn)象。循環(huán)次數(shù)的閾值并不固定，在未超過閾值之前產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象往往比較隱蔽，這也是疲勞磨損與粘著磨損、磨屑磨損最大的差異，因?yàn)檫@一過程實(shí)際上是一種漸進(jìn)性破壞過程。疲勞磨損又可以分為擴(kuò)展性疲勞磨損與接觸疲勞磨損。前者主要是疲勞現(xiàn)象隨著時(shí)間的增加不斷擴(kuò)大，直至零件全部失效的過程;后者則是達(dá)到疲勞極限后的磨損狀態(tài)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，為了避免內(nèi)部構(gòu)件的機(jī)械磨損，會(huì)選擇滑油系統(tǒng)展開潤滑保養(yǎng) [2]。

在構(gòu)件反復(fù)滑動(dòng)作用下，接觸表層與表面會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。重復(fù)性的加載、卸載循環(huán)會(huì)產(chǎn)生表層變形和表面裂紋，超過一定循環(huán)次數(shù)后，表面最終剝離出大碎片，在表面上留下大量凹坑，也就是點(diǎn)蝕。在達(dá)到臨界循環(huán)次數(shù)之前磨損并不明顯，而疲勞磨損一般發(fā)生在潤滑條件較好的系統(tǒng)中，其他磨損形式有可能會(huì)先于疲勞磨損之前就產(chǎn)生，例如疲勞磨損失效問題。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中，最容易產(chǎn)生疲勞磨損的部位是軸承、減速器齒輪和主軸承。

3 機(jī)械磨損的故障監(jiān)控方法

3.1 磁塞分析

磁塞是一種簡單的磨損顆粒收集方法，維護(hù)人員可以將磁塞插入回路中，也可以直接將其放在油箱中。磁塞的主要作用是將油液中的磁性顆粒過濾出去，然后定期由維護(hù)人員進(jìn)行清除。維護(hù)人員要利用儀器設(shè)備對(duì)磁性顆粒的大小進(jìn)行觀察，以判斷是否更換潤滑油。磁鐵在進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)后，會(huì)暴露在循環(huán)著的潤滑油中，吸附磨屑。維護(hù)人員將磁性探頭取下時(shí)，主體內(nèi)的封油閥也會(huì)自動(dòng)將油出口封閉起來，避免潤滑油泄露。維修人員也可以將磁塞安裝在潤滑系統(tǒng)的彎曲管道中，使其能盡量捕獲更多的磨屑。這種操作模式較為簡單，對(duì)一些50μm以上的金屬磨屑具有良好的效果，但對(duì)一些更加微小的非磁性顆粒，效果較差。

3.2 油液理化分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油若在使用過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題或油品性能下降，都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。在進(jìn)行油液理化分析的過程中，一方面要監(jiān)控滑油理化指標(biāo)是否產(chǎn)生異?，F(xiàn)象;另外一方面，則要定期控制滑油的使用頻率，以避免出現(xiàn)嚴(yán)重的機(jī)械磨損故障。例如，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果分析滑油的衰變特性，提升滑油使用成效。添加劑損耗、磺化、硝化、氧化會(huì)造成油液的降解，此時(shí)要關(guān)注油液的抗磨劑水平、抗氧劑水平、硝酸鹽、硝化深度、氧化深度、總堿值、總酸值和黏度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油液的降解情況。通過關(guān)注油液的積炭水平、不溶物含量、冷卻劑水平、水含量、燃料水平和閃點(diǎn)等參數(shù)，可以及時(shí)掌握其污染情況。

3.3 光譜分析

光譜分析方法比前兩種方法更嚴(yán)謹(jǐn)。組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子本身是由帶正電的原子核與圍繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的電子組成的，核外電子和基態(tài)都會(huì)吸收能量，原子由激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)的過程中，以電磁波的形式輻射出之前所吸收的能量，同時(shí)光輻射和電磁波輻射頻率之間存在密切聯(lián)系。此時(shí)，維修人員通過光譜監(jiān)測(cè)，就可以了解對(duì)應(yīng)的元素含量，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的早期粘著磨損、磨屑磨損現(xiàn)象。光譜分析法的靈敏度也比較高。但該方法對(duì)10μm以上的磨屑準(zhǔn)確度有所降低[4]。

3.4 鐵譜分析

以鐵譜分析為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理過程可以精確定位故障類型，利用不同的技術(shù)手段來分析檢測(cè)樣本。滑油系統(tǒng)中的磨屑狀態(tài)可以體現(xiàn)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程。例如，當(dāng)軸承或齒輪損壞時(shí)，借助鐵譜分析結(jié)果可判斷磨損的區(qū)域、狀態(tài)、維修方案等。從整體來看，發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的機(jī)械磨損表現(xiàn)出不同的磨屑特征，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息也能通過磨屑的物理性能和化學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于磨屑形態(tài)的參數(shù)表達(dá)，可以利用公式（1）來進(jìn)行分析：

[C=4πAL2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，[C]為圓度，在面積確定的前提下，磨屑邊界越接近圓形，則圓度[C]越接近1。當(dāng)磨屑邊界變化不規(guī)則時(shí)，周長也會(huì)產(chǎn)生變化。這項(xiàng)指標(biāo)可以確定磨屑的形狀與偏離情況。

而磨屑的畸形度表達(dá)式為：

[J=LA2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

畸形度能表現(xiàn)磨屑面積與磨屑周長之間的聯(lián)系，即通過形態(tài)特征來對(duì)磨屑的規(guī)則程度進(jìn)行評(píng)估。邊緣規(guī)則程度越不均勻，說明畸形程度越大，也說明鐵譜分析中的畸形度分析可以給我們提供磨損程度的其中一項(xiàng)評(píng)估條件。

3.5 FMEA基礎(chǔ)下的磨損風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

FMEA即失效模式影響分析，通過定量評(píng)估和模擬仿真研究的方式來了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，并了解系統(tǒng)失效出現(xiàn)的根本原因。作為一種定性分析方法，可以有效了解不同的獨(dú)立故障因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，且更加容易實(shí)施管理和控制。當(dāng)然，信息不對(duì)稱的問題應(yīng)該被考慮在內(nèi)，配合定量分析保障結(jié)果精確性。作為安全工程師和技術(shù)人員，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的特性可以有更深入了解，明確系統(tǒng)最薄弱的區(qū)域，例如，滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題等。雖然該FMEA方法對(duì)人力和物力要求較高，應(yīng)用難度也比較大，但其在故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的作用是不可忽視的。

4 結(jié)語

本研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損的普遍性特征進(jìn)行了梳理，從不同方面闡述了故障類型與常見的故障診斷方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的評(píng)估診斷。對(duì)于當(dāng)前側(cè)重于單一的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械磨損故障診斷的情況，我們應(yīng)使用兩種以上的故障監(jiān)控方法，以提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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