基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)研究

景曉旭

摘要：航空發(fā)動機是飛機的重點部件，因此對航空發(fā)動機各系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)研究也十分重要，但是我國的發(fā)動機監(jiān)測技術(shù)一直落后于先進國家。靜電監(jiān)測技術(shù)在航空發(fā)動機監(jiān)測上的應(yīng)用越來越多，因此對其了解與研究也必不可少。本文介紹了靜電監(jiān)測技術(shù)的原理，并簡單較少了常見的航空發(fā)動機監(jiān)測技術(shù)，最后對基于靜電感應(yīng)的三種航空發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)進行了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：靜電感應(yīng);航空發(fā)動機;健康監(jiān)測

對航空發(fā)動機的監(jiān)測工作十分重要且具有挑戰(zhàn)性，監(jiān)測技術(shù)的落后也導(dǎo)致這項工作不能完美進行。航空發(fā)動機監(jiān)測工作有兩個關(guān)鍵之處，第一，從發(fā)動機的眾多傳感器中收集數(shù)據(jù)并找出異常數(shù)據(jù);第二，根據(jù)發(fā)動機系統(tǒng)的現(xiàn)狀預(yù)測出其使用壽命并規(guī)定合適的時間進行檢修工作。航空發(fā)動機的健康監(jiān)測系統(tǒng)包含多個程序：傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、異常檢測程序、故障預(yù)測程序以及系統(tǒng)模型。健康監(jiān)測系統(tǒng)代替了之前的計劃維修工作，讓航空發(fā)動機能夠定時進行維修，使航空發(fā)動機的運行更加安全。

一、靜電監(jiān)測技術(shù)的原理

從現(xiàn)有資料來看，將靜電監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的研究不多，主要集中于氣路、油路系統(tǒng)的監(jiān)測研究。氣路監(jiān)測主要是排查氣路系統(tǒng)部件中是否有異常顆粒物。氣路系統(tǒng)中的異常顆粒一般來自進氣道吸入物與系統(tǒng)部件摩擦碰撞、以及發(fā)動機非正常工作下產(chǎn)生的顆粒。氣路靜電傳感器一般在發(fā)動機尾部噴管，通過靜電變化來判斷發(fā)動機是否出現(xiàn)故障。而靜電的變化起源于發(fā)動機故障狀態(tài)產(chǎn)生的顆粒接觸或碰撞，或者高溫異常狀態(tài)所出現(xiàn)的電子發(fā)射以及固體斷裂帶電等情況。油路監(jiān)測則主要探查發(fā)動機潤滑油路中由于進入異常顆粒且使極其受損進而造成的顆粒電荷，通過電荷水平的高低進行分析。顆粒形成的主要原因是極其部件之間的磨損與疲勞損傷，顆粒與機器系統(tǒng)之間的接觸、碰撞，系統(tǒng)內(nèi)材料的分離以及雙電層分離則會造成電荷的出現(xiàn)與波動。

在靜電監(jiān)測技術(shù)中所使用的傳感器主要有傳遞式與感應(yīng)式兩種。傳遞式感應(yīng)器的原理是將感應(yīng)器直接置于監(jiān)測環(huán)境中，需要與敏感元件和測量標的直接接觸。感應(yīng)式傳感器則通過所攜帶的靜電敏感元件監(jiān)測電荷的產(chǎn)生與變化，進而做出判斷。由于航空發(fā)動機的內(nèi)部環(huán)境惡劣，傳遞式傳感器在其內(nèi)部難以接觸測量標的，且航空發(fā)動機的系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，因此常用感應(yīng)式傳感器。

二、常見的航空發(fā)動機監(jiān)測技術(shù)

科研工作者對航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測的研究成果很多，基本對發(fā)動機每一個部件的監(jiān)測都有所涉獵，這些研究成果保證了發(fā)動機飛行過程中的安全運行。此處筆者將介紹幾種實踐中常用的監(jiān)測技術(shù)與診斷方法。

（一）發(fā)動機氣路參數(shù)的健康監(jiān)測與診斷技術(shù)

該方式的主要原理是根據(jù)航空發(fā)動機氣路系統(tǒng)部件性能變化所引起的物理參數(shù)變化進行判斷。航空發(fā)動機氣路系統(tǒng)故障大多是由于葉片摩擦碰撞、材料損耗等問題積累所產(chǎn)生的，因此采用偏差較小的方式將復(fù)雜的非線性方程轉(zhuǎn)化為線性方程能夠提高研究的精度與操作性。但是該方式也與許多不足之處，首先，在一系列系統(tǒng)參數(shù)中，可監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯少于不可監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過已知參數(shù)推斷未知參數(shù)又十分困難;其次，氣路系統(tǒng)的各種故障之間往往互相關(guān)聯(lián)，因此難以鑒別故障的具體類型;最后，在監(jiān)測過程中有許多干擾信號，參數(shù)的準確度也難以把握。

（二）發(fā)動機轉(zhuǎn)子振動故障診斷技術(shù)

該技術(shù)的主要原理是通過監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生故障時的振動及其差異對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的健康狀況進行判斷。發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動取決于多項因素，因此系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷便更加困難。采用該技術(shù)進行故障診斷需要重點把握以下幾項內(nèi)容：第一，把握各種故障類型的特點，并進行理性分析;第二，提高對故障特征參數(shù)的采集與提取精度;第三，積累故障判斷經(jīng)驗，制作規(guī)則庫，開發(fā)智能診斷系統(tǒng)。

（三）發(fā)動機滑油磨粒狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)

該技術(shù)的基本診斷方式是通過獲取并分析發(fā)動機的滑油中各種顆粒的數(shù)量、濃度、大小、類型等信息對發(fā)動機的油路系統(tǒng)進行判斷。學(xué)者較為重視的方法主要有光譜分析、鐵譜分析以及能譜分析。科學(xué)工作者目前主要的研究方向包括以下幾點：第一，提高樣本信息采集的效率與精準度，并致力于研發(fā)能在線監(jiān)測并分析油樣的儀器;第二，通過大量數(shù)據(jù)分析實驗，建立資料庫，致力于研發(fā)出智能診斷系統(tǒng);第三，實現(xiàn)綜合性診斷，提高診斷效率與診斷精度。

上述三種方式都是在發(fā)動機部件性能退化，系統(tǒng)出現(xiàn)故障并且情況已經(jīng)較為嚴重時才能監(jiān)測出結(jié)果。并不能對未知的故障進行預(yù)測，也無法滿足實時監(jiān)測的需求。因此靜電感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)才逐漸吸引了工作者的視線。

三、基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)

（一）基于氣路靜電顆粒的健康監(jiān)測技術(shù)

在正常工作狀態(tài)下，發(fā)動機氣路中的靜電荷會保持在一個正常狀態(tài)下，但是當發(fā)動機氣路出現(xiàn)故障導(dǎo)致性能下降時，例如吸入外來物品、燃燒室或熱端組件燒蝕、材料剝落等情況，則會出現(xiàn)靜電荷異常的現(xiàn)象。根據(jù)以上原理，Stewart Hughes公司研究出了氣路靜電顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，用于檢測發(fā)動機的健康狀況。氣路靜電顆粒監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用主要集中在發(fā)動機吸入顆粒監(jiān)測以及發(fā)動機尾噴顆粒監(jiān)測兩方面。

在進行發(fā)動機吸入顆粒監(jiān)測時，需要將一對軸向安裝的環(huán)狀金屬傳感器安裝在進氣道的上游位置。進行發(fā)動機尾噴顆粒監(jiān)測時，則需要將紐扣式傳感器安裝在尾噴上，同時保持感應(yīng)面與內(nèi)部襯墊對齊。這個兩項監(jiān)測一般同時進行，通過綜合兩項監(jiān)測的數(shù)據(jù)來判斷發(fā)動機吸入物對發(fā)動機的危害程度以及發(fā)動機氣路故障的種類。

這兩項監(jiān)測系統(tǒng)分別在20世紀80年代和90年代申請了專利，但是長期以來都被業(yè)界認為不夠成熟，直到現(xiàn)在也仍然存在不準確的問題。自20世紀末，這兩項技術(shù)在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的發(fā)動機故障與健康管理臺架試驗中，也進行過少量的飛行實驗，由此看來，這種技術(shù)至少是可行的。

（二）基于滑油靜電特性的在線健康監(jiān)測技術(shù)

發(fā)動機滑油油路中顆粒包含有：金屬磨損顆粒、非金屬磨損顆粒兩大類。金屬磨損顆粒是摩擦副嚴重磨損和發(fā)生故障的特征指示;非金屬磨損顆粒包括油品衰敗產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物和密封、過濾材料失效的產(chǎn)物;除此之外，還可能有少許污染物顆粒。

當滑油的性質(zhì)由于污染物顆粒的影響而變質(zhì)時，滑油油路中的帶靜電量隨之而變。傳感器信號的幅值

與最小方差值均與滑油流中的顆粒濃度、大小、性質(zhì)相關(guān)?；诨挽o電特性的在線健康監(jiān)測技術(shù)同樣也是JSF動力裝置PHM系統(tǒng)的一部分。該技術(shù)應(yīng)用于OLS（OilLine Sensor）系統(tǒng)，具有直接測量故障產(chǎn)物和進行早期監(jiān)測的優(yōu)點。

該技術(shù)也是Stewart Hughes首先于1998年申請專利。隨著絕緣涂層和混合軸承的應(yīng)用，目前滑油在線監(jiān)測技術(shù)（如磁塞式鐵屑檢測技術(shù)、電感式檢測技術(shù)等）在監(jiān)測細小微利和非金屬微粒（如陶瓷顆粒）方面存在不足，而OLS系統(tǒng)可以彌補這些缺陷?；陀吐凡考p初期開始就會有相當數(shù)量細屑，OLS系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以監(jiān)測大于20mm尺寸的細顆粒，對油路部件退化提供早期監(jiān)測，并據(jù)此提出更靈活的維修計劃。

（三）基于靜電的軸承磨損在線監(jiān)測技術(shù)

對發(fā)動機軸承的監(jiān)測主要分為在線和離線兩種。在線監(jiān)測方法包括電感式檢測技術(shù)、磁塞式鐵屑監(jiān)測技術(shù)等;離線監(jiān)測技術(shù)比在線監(jiān)測技術(shù)多一些，包括光學(xué)顯微技術(shù)、滑油光譜分析（SOA）等等。不過這些技術(shù)都有各自的缺點，例如磁塞式鐵屑傳感器效率較低，對樣本監(jiān)測的連貫性不好，不能提供顆粒變化的實時趨勢，對非鐵類顆粒也無能為力;電感式傳感器則只能監(jiān)測金屬顆粒，且對顆粒的大小要求嚴格，對小顆粒、非鐵顆粒不敏感。

靜電監(jiān)測技術(shù)在軸承磨損監(jiān)測上的應(yīng)用原理與滑油靜電監(jiān)測技術(shù)相同。軸承運作過程中由于摩擦帶電、表面電荷變化、摩擦發(fā)射等原因會產(chǎn)生電荷變化，靜電監(jiān)測技術(shù)則根據(jù)這些變化進行診斷。WSS系統(tǒng)的傳感器置于早期失效的位置。該系統(tǒng)對飛行過程中極為重要且容易失效的部件的監(jiān)測尤為有效。本世紀初，改技術(shù)被應(yīng)用于進行錐形滾動軸承油液監(jiān)測項目研究，并在銷盤試驗和FZG齒輪試驗機上驗證。

通過以上分析可以得知，靜電感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)在航空發(fā)動機健康監(jiān)測方面的應(yīng)用仍然處于新興階段，且存在一定問題，例如監(jiān)測過程中需捕獲的靜電信號十分微弱，監(jiān)測有困難;傳感器感應(yīng)的電荷量很小，對電氣絕緣的要求很高;監(jiān)測過程中的干擾信息很多，對屏蔽的要求較高，且信息處理的精度難以保證，這些問題需要更多的研究者努力改進。

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