航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置安全性失效因素分析

摘要：航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置是一種防止航空發(fā)動機(jī)因發(fā)生滑油污染而造成發(fā)動機(jī)故障的報警裝置，其性能好壞直接影響潤滑系統(tǒng)的可靠性。本文根據(jù)污染預(yù)警裝置進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析，給出了預(yù)警裝置的失效模式及因素分析，確定了污染預(yù)警裝置故障判據(jù)的嚴(yán)酷度級別，提供了污染預(yù)警裝置失效判定準(zhǔn)則，提出了污染預(yù)警裝置失效判定流程，對航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：潤滑系統(tǒng)；污染預(yù)警裝置；嚴(yán)酷度；失效判定準(zhǔn)則；失效判定流程

Keywords： lubrication system；pollution warning device；severity level；failure judgment criterion；failure judgment process

0 引言

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)具有高速、高溫、高壓的特點(diǎn)，在這種惡劣的工況下，為保障發(fā)動機(jī)可靠工作，發(fā)動機(jī)的潤滑系統(tǒng)要求具備良好的可靠性[1]。潤滑系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部位之一，工作時將一定壓力、溫度的滑油連續(xù)地供到摩擦零件的表面，減少零件的摩擦和磨損，且流動的過程中能夠清除磨屑等雜質(zhì)，帶走摩擦表面的熱量，起到清潔和冷卻作用。然而，當(dāng)潤滑系統(tǒng)發(fā)生污染且到達(dá)一定程度仍未發(fā)現(xiàn)，會對發(fā)動機(jī)整體性能造成嚴(yán)重的影響。因此，保證潤滑系統(tǒng)的安全可靠顯得至關(guān)重要。潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置是一種防止在役航空發(fā)動機(jī)因發(fā)生滑油污染而造成發(fā)動機(jī)故障的報警裝置[2]。本文通過對污染預(yù)警裝置的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置安全性失效因素展開分析，給出預(yù)警裝置的判定準(zhǔn)則，為航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計和耐久性評估提供指導(dǎo)。

1 污染預(yù)警裝置功能結(jié)構(gòu)分析

1.1 預(yù)警裝置功能需求分析

潤滑系統(tǒng)污染物會對航空發(fā)動機(jī)的安全性產(chǎn)生影響，因此需要相應(yīng)的污染預(yù)警裝置對污染物報警[3]。預(yù)警裝置是一種行之有效的防止發(fā)動機(jī)故障的方法，一方面，它可以保障發(fā)動機(jī)使用過程中的安全性和可靠性，防止突發(fā)機(jī)械事故，同時迅速而準(zhǔn)確地確定故障的部位及其嚴(yán)重程度；另一方面，可以最大限度地減少發(fā)動機(jī)的分解次數(shù)和分解范圍，從而保持其運(yùn)動精度，合理延長其使用壽命，并且大大降低維修費(fèi)用[4，5]。

1.2 污染預(yù)警裝置結(jié)構(gòu)分析

污染預(yù)警裝置由兩部分構(gòu)成：壓差告警和磁堵。如圖1所示，壓差告警裝置和磁堵裝置位于滑油濾中。

壓差告警結(jié)構(gòu)由旁通閥、密封圈、濾芯、下殼體、壓差信號器、擋圈等零組件組成（見圖2）。產(chǎn)品正常工作時工作液由進(jìn)油處進(jìn)入下殼體內(nèi)，經(jīng)濾芯過濾后到達(dá)出口，進(jìn)入系統(tǒng)。隨著工作時間的延長，濾芯吸納的污染物越來越多，造成濾芯進(jìn)出口的壓差越來越大，當(dāng)濾芯進(jìn)出口壓差達(dá)到0.3～0.42MPa時，信號器發(fā)出指示信號，提示地勤人員應(yīng)及時更換濾芯。若無法及時更換濾芯，濾芯兩端的壓差繼續(xù)增加，當(dāng)壓差達(dá)到0.7～0.8MPa時旁通閥打開，油液不經(jīng)濾芯過濾直接進(jìn)入系統(tǒng)，以免系統(tǒng)斷流，旁通閥上設(shè)有較粗的過濾元件，可以對油液進(jìn)行粗過濾。

壓差預(yù)警功能框圖如圖3所示。其中，防漏裝信號器是壓差信號器的功能之一，當(dāng)油濾漏裝濾芯時，信號器也能發(fā)出指示信號。

磁堵主要用于探測滑油系統(tǒng)部件的內(nèi)部狀況（如內(nèi)部磨損），例如，CFM56-5B41P有一個主磁堵探測器和一個配套的跳出式目視指示器，指示器是一個可拆卸的電器式磁性堵頭，兩個磁鐵中間分開，正常情況下作為開路的電接觸器。當(dāng)滑油中出現(xiàn)的金屬屑/沫將兩個磁鐵間的間隙填滿，電接觸器閉合，發(fā)出電信號，傳至跳出式目視指示器，觸發(fā)紅色的跳出式指示器跳出。這樣，當(dāng)?shù)孛婢S護(hù)人員在短停、航后打開滑油箱接近口蓋時，可以看到該指示并視情采取進(jìn)一步的措施。

2 污染預(yù)警裝置失效模式及因素分析

2.1 預(yù)警裝置失效模式

如果航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中出現(xiàn)污染但污染預(yù)警裝置沒有發(fā)出告警信息，說明該裝置出現(xiàn)了失效，失效原因可能是多方面的。常見的失效模式有自然物理失效、工作失效和老化失效三大類[6，7]，而在實(shí)際應(yīng)用中不同階段的失效往往是一種或幾種失效模式的綜合[8，9]。污染預(yù)警裝置失效模式包括濾網(wǎng)破損、旁通閥不正常開啟、壓差信號器指示、壓力偏離規(guī)定值、防漏裝信號器低溫誤指示、防漏裝信號器外部滲漏油、滑油濾外部滲漏油等。

2.2 壓差告警失效分析

壓差告警裝置主要由永磁鐵、大小彈簧構(gòu)成，故壓差告警裝置失效一般表現(xiàn)為永磁鐵和大小彈簧失效。失效現(xiàn)象包括：

1）兩個磁鐵磁性減弱，磁力下降；

2）磁鐵出現(xiàn)腐蝕坑；

3）磁鐵磨損；

4）磁鐵斷裂坑。

自然狀態(tài)下磁性基本上不會減弱，在航空發(fā)動機(jī)中磁性減弱的失效因素主要包括：

1）高溫或低溫；

2）形變；

3）振動沖擊與鐵磁性吸放；

4）氧化銹蝕。

2.3 磁堵失效

磁堵失效模式有兩種：磁性減弱和信號指示器開路故障。影響磁性的因素包括：

1）高溫或低溫；

2）形變；

3）振動沖擊與鐵磁性吸放；

4）氧化銹蝕。

影響信號指示器的因素包括：

1）發(fā)動機(jī)振動引起的線路開路；

2）高溫引起的線路開路；

3）滑油泄露引起的線路短路。

3 污染預(yù)警裝置失效判定

3.1 失效判定方法

產(chǎn)品故障嚴(yán)酷度等級判定準(zhǔn)則如表1所示。依據(jù)產(chǎn)品故障嚴(yán)酷度等級判定準(zhǔn)則，可分別對濾網(wǎng)破損、旁通閥不正常開啟、壓差信號器指示壓力偏離規(guī)定值、壓差信號器低溫誤報警、壓差信號器外部滲漏油、外部滲漏油進(jìn)行故障判定。

濾網(wǎng)破損故障判據(jù)：濾芯破損后，濾芯的結(jié)構(gòu)完整性被破壞。該故障會造成產(chǎn)品的過濾效率降低，表現(xiàn)為系統(tǒng)下游污染度提高，引起產(chǎn)品性能降低，嚴(yán)酷度等級屬于Ⅳ級。

旁通閥不正常開啟故障判據(jù)：旁通閥不正常開啟（包括提前開啟或滯后開啟），超出0.7～0.8MPa范圍。若提前開啟會使部分未經(jīng)過濾的油液進(jìn)入下游系統(tǒng)，表現(xiàn)為系統(tǒng)下游污染度提高。若滯后開啟，會造成產(chǎn)品進(jìn)出口壓降增大。兩種情況均引起產(chǎn)品性能降低，嚴(yán)酷度等級屬于Ⅳ級。

壓差信號器指示壓力偏離規(guī)定值故障判據(jù)：性能檢測表現(xiàn)為指示壓力不在0.3～0.42MPa范圍內(nèi)。該故障會造成壓差指示器監(jiān)控濾芯的污染狀況有偏差，表現(xiàn)為壓差指示器頻繁報警或報警間隔延長。該故障會引起產(chǎn)品的非計劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級屬于Ⅳ級。

壓差信號器低溫誤報警故障判據(jù)：該故障表現(xiàn)為在溫度低于37℃時，當(dāng)濾芯前后壓差達(dá)到0.3～0.42MPa時，防漏裝信號器告警指示。在溫度低于37℃時，由于油液粘度增大，會使濾芯前后壓差達(dá)到0.3～0.42MPa范圍內(nèi)，但這不是濾芯堵塞造成的，若此時信號器告警，會引起產(chǎn)品的非計劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級屬于Ⅳ級。

壓差信號器外部滲漏油故障判據(jù)：該故障表現(xiàn)為產(chǎn)品在使用過程中油液從信號器端部向外滲漏。該故障會引起產(chǎn)品的非計劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級屬于Ⅳ級。

外部滲漏油故障判據(jù)：產(chǎn)品外部滲漏油表現(xiàn)為產(chǎn)品在使用過程中油液從殼體與主機(jī)連接處向外滲漏油。該故障會引起產(chǎn)品的非計劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級屬于Ⅳ級。

1）壓差告警失效判定

壓差告警裝置的彈出由滑油壓差控制。若壓差到達(dá)一定程度而壓差告警裝置沒有發(fā)出警告即壓差指示器未彈出，說明壓差告警裝置失效。判斷壓差告警裝置失效的原則是檢查滑油油濾前后壓力傳感器的壓差是否到一定程度。

2）磁堵失效判定

由磁堵工作原理可知，當(dāng)磁堵探測和吸附的金屬屑到一定程度時，兩個磁極電路導(dǎo)通，從而發(fā)出警告。因此，判斷磁堵失效的原則是磁堵上吸附了大量的金屬屑而兩個磁極電路卻不導(dǎo)通。

3.2 失效判定輸入

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置中壓差告警和磁堵失效判定準(zhǔn)則，其判定輸入分別為壓差是否超限、電路是否導(dǎo)通。

3.3 失效判定流程

圖5所示為失效判定流程，從圖中可知判定流程分為6個部分：失效情況調(diào)查、鑒別失效模式、失效特征描述、失效機(jī)理分析、分析實(shí)質(zhì)原因、提交失效判定報告。

4 總結(jié)

潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置是一種防止航空發(fā)動機(jī)因發(fā)生滑油污染而造成發(fā)動機(jī)故障的報警裝置。本文對發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，找出了預(yù)警裝置的故障模式、故障發(fā)生的原因，得出污染預(yù)警裝置的失效判定準(zhǔn)則的方法，給出了污染預(yù)警裝置故障判據(jù)的嚴(yán)酷度級別，提供了污染預(yù)警裝置失效判定流程。本研究有利于為預(yù)警裝置失效制定補(bǔ)救措施，可為航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計和耐久性評估提供指導(dǎo)。

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作者簡介

朱日興，碩士，研究方向：航空發(fā)動機(jī)適航審定技術(shù)。