劉永亞

(上海飛機制造有限公司 上海 201324)

航空飛行器核心動力就是發(fā)動機系統(tǒng)，該系統(tǒng)如果發(fā)生問題，就會導致航空飛行器飛行安全受到威脅。航空發(fā)動機在運行過程中機械磨損問題無法完全避免，所以該故障問題是航空檢修與維護工作中的主要構(gòu)成部分。需要增加對發(fā)動機機械磨損故障的關(guān)注力度，使用科學有效的診斷方法找到故障產(chǎn)生的原因，合理應(yīng)對，讓發(fā)動機處在良好的運行狀態(tài)中，確保航空飛行安全。

1 航空發(fā)動機機械磨損故障診斷現(xiàn)狀

故障診斷旨在經(jīng)過研究有效防止多種類型故障的產(chǎn)生，快速精準判定故障位置，又或者了解機械磨損程度，避免部分突發(fā)機械磨損事故發(fā)生，確保飛行設(shè)備利用率。除此以外，與可靠性維修理念相符，將狀態(tài)監(jiān)控與維修工作融合的手段是降低航空發(fā)動機故障出現(xiàn)的重點治所在，可以確保航空發(fā)動機運動精度和使用時間，節(jié)省檢修成本。

以美國為代表的航空發(fā)動機機械磨損故障診斷技術(shù)發(fā)展比較成熟，以滑油分析技術(shù)為核心的技術(shù)方法和手段在回歸預(yù)測模型中獲得了有效驗證，借助滑油中的金屬濃度加以預(yù)測，明晰系統(tǒng)自身磨損狀態(tài)，然后利用計算機模擬過程。技術(shù)工作者在模型中進行故障數(shù)據(jù)信息輸入，就可以迅速定位故障發(fā)生的具體位置，進而得到健全的維護舉措和防范對策。

我國有關(guān)航空發(fā)動機機械磨損故障診斷技術(shù)研究同樣得到了一些進展和成果，比如：在處理故障信號上，技術(shù)工作者能夠經(jīng)過滑油光譜分析儀和鐵譜分析儀判斷故障結(jié)構(gòu)。鑒于信號處理的機械故障磨損診斷技術(shù)也可以滿足系統(tǒng)性能描述精度基本要求，確保診斷結(jié)果精準性。除此以外，國內(nèi)從模型層面進行了研究，技術(shù)工作者能夠?qū)Πl(fā)動機滑油系統(tǒng)加以建模，從而仔細觀測滑油系統(tǒng)溫度和壓力等?？傮w來說，建模過程就是處理機械磨損中的信息，提取診斷內(nèi)容與故障特征值。不過，現(xiàn)下，國內(nèi)有關(guān)模型研究依舊是通過單一的故障模式研究為核心的，在具體操作階段，發(fā)動機磨損很大概率是因為差異化的因素導致的，最終出現(xiàn)的故障是復合型的，當前的技術(shù)通常無法識別。

2 航空發(fā)動機機械磨損機理

2.1 發(fā)動機基本工作原理

在飛行員開啟航空發(fā)動機以后，航空發(fā)動機內(nèi)部軸承和齒輪轉(zhuǎn)速迅速上升，帶動壓氣機各級葉片工作，空氣由進氣道進入通過持續(xù)壓縮以后步入燃燒室，同時與充分霧化的燃油相結(jié)合起來，通過點火機構(gòu)點火，完全燃燒，出現(xiàn)高溫氣體，促進渦輪葉片迅速運行，接著經(jīng)尾噴口往外噴出，產(chǎn)生較大的推力且促進飛機前進，實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化成動能。在發(fā)動機剛開始開啟的時候，燃氣渦輪起動機帶動壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，壓縮空氣做功，促進渦輪轉(zhuǎn)子軸承進行轉(zhuǎn)動。渦輪葉片迅速運行，衍生出電能，為滑油系統(tǒng)增壓泵提供電能，從而讓滑油系統(tǒng)運行，其溫度、流速和壓力不斷提升，慢慢對航空發(fā)動機內(nèi)部軸承和齒輪加以潤滑。在發(fā)動機開啟以后，內(nèi)部一些軸承和齒輪由于潤滑油供給不實時，造成軸承與齒輪工作環(huán)境更加惡劣，承受干摩擦，對內(nèi)部軸承和齒輪表面損害很大，容易發(fā)生機械磨損。在航空發(fā)動機運行短期以內(nèi)，其滑油系統(tǒng)溫度和壓力等處在正常狀態(tài)時，發(fā)動機內(nèi)部軸承和齒輪潤滑情況改善，可以及時帶走齒輪以及軸承間的磨屑與熱量，該機械磨損慢慢進入正常狀態(tài)。

2.2 發(fā)動機機械磨損過程

航空發(fā)動機很容易出現(xiàn)機械磨損的位置就是內(nèi)部承受荷載的齒輪與軸承。如發(fā)動機軸承，介紹機械磨損過程。航空發(fā)動機軸承于高度運行階段，內(nèi)部相對運動的零部件表層持續(xù)摩擦，該磨損過程就是接觸面激彈性部分慢慢增加，塑性部分慢慢減少的過程，嚴格遵守浴盆曲線。航空發(fā)動機軸承磨損過程通?？梢詣澐殖? 個階段，分別是磨合、穩(wěn)定磨損以及劇烈磨損。其中，磨合階段也被人們叫作跑合階段，因為接觸的軸承內(nèi)部部件表層粗糙程度有一定的差異性，造成兩表面之間的接觸面積小，二者間的應(yīng)力荷載比較大，因而跑合階段軸承表面機械磨損速度快，該過程多是在航空發(fā)動機出廠以前就實現(xiàn)了內(nèi)部軸承磨合。伴隨兩個表面間的磨合持續(xù)深入，實際接觸面積慢慢增加，磨損速度逐漸變慢步入穩(wěn)定磨損階段。在穩(wěn)定磨損這個階段，如果挑選合理的跑合規(guī)律和使用潤滑油等各種方式降低偶發(fā)故障產(chǎn)生的概率，延長航空發(fā)動機軸承年限。最后，步入劇烈磨損階段，在這一階段機械磨損速度快速增加，故障率提高，機械功能下滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度低，摩擦副溫度持續(xù)提高，甚而出現(xiàn)了噪音與振動，造成零部件失效。

3 航空發(fā)動機機械磨損類型

3.1 磨屑磨損類

這種磨損類型就是指航空發(fā)動機粗糙的表明或者軟表面滑動過程中導致的塑性變形和斷裂等情況。通常而言，磨屑就是在摩擦表面或者是機械加工過程中導致的，因為摩擦表現(xiàn)本身硬度很高，讓不同表面出現(xiàn)了磨損。航空發(fā)動機很多零件在磨合階段自身就會出現(xiàn)生磨屑磨損情況，根據(jù)磨料對金屬表面磨削條件的不同，其損傷原理也有一定的差異性。微切削損傷環(huán)節(jié)，脆性材料通常會發(fā)生材料崩落現(xiàn)象；磨料顆粒作用下，金屬表面出現(xiàn)交變接觸應(yīng)力造成疲勞受損，金屬出現(xiàn)多次應(yīng)變會造成疲勞損壞現(xiàn)象；但是對一部分硬度高的金屬零件，磨料顆粒于力的作用下步入金屬表面，繼而產(chǎn)生壓痕。

3.2 疲勞磨損類

發(fā)動機經(jīng)過長時間的滑行和滾動，接觸表面與表層發(fā)生疲勞，在重復循環(huán)環(huán)節(jié)中，表面在超出循環(huán)閾值以后剝離碎片，于表面出現(xiàn)點蝕的情況等。循環(huán)次數(shù)閾值缺乏固定性，在沒有超出閾值以前導致的磨損現(xiàn)象通常十分隱蔽，此為疲勞磨損和其他磨損的不同之處，由于該過程是逐漸損壞的過程。疲勞磨損還可以劃分成拓展性疲勞磨損和接觸性疲勞磨損，所謂拓展性疲勞磨損，即疲勞現(xiàn)象伴隨時間增加持續(xù)擴大，待零件完全失效的一個過程；接觸性疲勞磨損，即達到疲勞極限以后出現(xiàn)的磨損狀態(tài)。在實際結(jié)構(gòu)之中，為了有效預(yù)防內(nèi)部構(gòu)件機械磨損，通常會用滑油系統(tǒng)進行潤滑保養(yǎng)操作。在構(gòu)建反復滑動下，接觸表層和表面會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。重復性加載和卸載循環(huán)會出現(xiàn)表面變形與裂紋，超出循環(huán)次數(shù)以后，表面會剝離出碎片，于表面上留下很多凹坑，即點蝕現(xiàn)象。當達到臨界循環(huán)次數(shù)以前磨損程度較小，疲勞磨損通常出現(xiàn)在潤滑條件佳的系統(tǒng)內(nèi)，別的磨損形式很大概率會先在該磨損出現(xiàn)以前產(chǎn)生，比如磨損失效。在航空發(fā)動機中，易于導致疲勞磨損的位置一般為減速器齒輪、主軸承以及軸承這幾個部位[1-2]。

3.3 粘著磨損類型

兩個固體平面出現(xiàn)滑動接觸，無論是干摩擦還是潤滑磨損，均會導致粘著磨損現(xiàn)象發(fā)生。粘著源自界面微門體接觸，滑動讓接觸點產(chǎn)生剪切作用，造成碎片由接觸點一邊被剝離，粘著至另外一邊的微凸體上。在滑動持續(xù)進行的時候，轉(zhuǎn)移的碎片從其粘著表層脫落，接著轉(zhuǎn)移至原本的表面上，不然就會變成游離性的磨粒。通過反復加載與卸載的疲勞作用，一些轉(zhuǎn)移碎片會出現(xiàn)斷裂的情況，其也可以變成游離的磨?！，F(xiàn)階段，很多研究人員表示，早前的滑動磨損就是在薄弱區(qū)域發(fā)生的，大部分情況下，接觸界面粘著強度比材料撕裂強度小，這個時候的接觸點大部分產(chǎn)生的是剪切故障，并非是磨損故障。與此同時，一些理論表示，造成磨損碎片產(chǎn)生原因在于持續(xù)性的塑性剪切，于周期性荷載下構(gòu)成結(jié)點的焊合，結(jié)點材料由一個軟表面轉(zhuǎn)移到另外一個表面。根據(jù)表面損壞程度，能夠把粘著磨損分成不一樣的級別，涵蓋輕微的磨損、咬死等，特別是在溫度較高和荷載高的情況下，軸承和發(fā)動機齒輪零部件受損會發(fā)生形式不一的磨損故障問題。

4 航空發(fā)動機機械磨損診斷基本原則

航空發(fā)動機機械故障原因比較復雜，診斷過程有著較強的綜合性，突發(fā)情況較多，對發(fā)動機故障，需要探究故障診斷原則，提升航空發(fā)動機故障診斷效率。

4.1 照章操作

所有檢修人員均需要確定自身的崗位職責，進一步體會到崗位制度的真實用意，嚴格根據(jù)規(guī)章制度維修與保養(yǎng)航空發(fā)動機。比如：波音737-8MAX 在墜毀以前的多次飛行過程中，飛行員報告高度和空速發(fā)生異?，F(xiàn)象，但是始終沒有引起重視。如果有健全的檢測制度，檢測人員可以嚴格根據(jù)規(guī)章制度進行操作，就算無法找到發(fā)動機問題，也可以對飛機異常情況產(chǎn)生警覺性，就算無法完全避開飛行故障，至少可以擬定出較為合理的應(yīng)急預(yù)案，讓故障產(chǎn)生時可以有更多的安全保障[3-4]。

4.2 定時診斷

由于航空發(fā)動機故障有一定的潛伏性以及隱蔽性，多數(shù)機械故障無法直接覺察到，全部依靠飛行數(shù)據(jù)展開故障診斷，會造成飛行人員在實際飛行過程中變得相當危險。所以，定時診斷能夠?qū)ふ业斤w機可能發(fā)生的安全隱患問題，把故障問題排除于故障產(chǎn)生以前。通常機械故障診斷時間是一周，即每間隔一星期就需要診斷發(fā)動機，掌握發(fā)動機運行情況。該手段涵蓋了震動監(jiān)測、油液監(jiān)測等。

4.3 視情診斷

飛機飛行過程中產(chǎn)生空速異常情況、油耗異常情況、發(fā)動機異常響動等，檢修人員需要第一時間對發(fā)動機展開檢修和維護，找到異常情況產(chǎn)生的原因，防止出現(xiàn)更加嚴重的故障問題。比如：發(fā)動機震動顯著，功率下滑，減速，同時具有搖頭的情況，如此需要立即診斷飛機故障，根據(jù)發(fā)動機點火系統(tǒng)和部件損壞等方面著手，找到發(fā)動機故障產(chǎn)生的原因，保證飛機飛行以前發(fā)動機處在正常狀態(tài)中。

5 航空發(fā)動機機械磨損故障診斷方法

5.1 遺傳優(yōu)化算法

運用遺傳優(yōu)化算法檢測航空發(fā)動機故障，診斷機械磨損問題，優(yōu)勢就是具有很強的可操作性，能夠快速鎖定故障問題，診斷故障；劣勢就是使用遺傳優(yōu)化算法展開運算診斷的時候，如果需要解決的問題是非線性問題，很容易發(fā)生早熟的情況，局部極值難以從中獲取。在現(xiàn)階段診斷技術(shù)運用過程中，支持向量機廣泛運用，這樣的診斷技術(shù)關(guān)鍵是檢測適用性與平均水平零部件不相符，變異率高，經(jīng)過該技術(shù)對高維空間使用線性規(guī)則劃分。這樣的檢測技術(shù)對懲罰參數(shù)與核參數(shù)有很高的要求，所以在診斷時診斷結(jié)果精度不高。采取遺傳優(yōu)化算法可以支持向量機檢測，明晰必要參數(shù)同時詳細記錄參數(shù)。采取這種方式加以診斷，需要從遺傳算法中選擇出準確的參數(shù)，綜合支持向量機檢測，由于遺傳算法有種群初始化特征，故而在診斷計算過程中，使用支持向量機檢測和算法功能相融的模式，能夠有效彌補參數(shù)不準的缺陷，提高計算診斷精度。要想保證檢測得到的參數(shù)準確，需要采取設(shè)備核查驗證有關(guān)數(shù)據(jù)信息，如采取檢測器等，現(xiàn)如今已具備相當多的檢驗設(shè)備可供選擇，011vive 檢測器有很高的可靠性，同時操作方便快捷，PEC200 同樣是有效選擇。利用這部分監(jiān)測設(shè)備，可以及時檢測到航空發(fā)動機工作狀態(tài)，實時發(fā)覺發(fā)動機運行中的故障，提高航空發(fā)動機故障檢測效率[5-6]。

5.2 滑油分析方法

診斷航空發(fā)動機機械磨損故障的過程中，最大的障礙就是發(fā)動機不能拆除，維修工作有所限制。航空發(fā)動機有著非常復雜的構(gòu)成，磨損故障排查工作量較大，與此同時很難實行?；头治觯磽?jù)此難題而產(chǎn)生的磨損故障診斷方式。在航空發(fā)動機中存在諸多設(shè)備在運行過程中為了削弱磨損程序，必須要對其冷卻，且進行潤滑，滑油系統(tǒng)就是發(fā)揮這種作用?；统煞趾桶l(fā)動機部件磨損情況緊密有關(guān)，分析該成分，就可以對機械磨損情況進行詳細的診斷，接著按照診斷結(jié)果組織后期維護檢修工作。滑油能夠大大降低齒輪與軸承之間的摩擦，減少部件損耗率，如果滑油成分里面的金屬含量有所提高，通常表明發(fā)動機內(nèi)存在部件機械磨損問題。

光譜分析法與鐵譜分析方式均是比較常見的滑油分析手段。合理采用鐵譜分析方式，經(jīng)過高梯度強磁場作用，機械磨損導致的顆粒物質(zhì)與碎屑等可以被提取，檢驗分析這部分物質(zhì)規(guī)格與包含的成分等，能夠?qū)娇瞻l(fā)動機機械磨損狀況產(chǎn)生客觀認知，繼而決定要不要更換部件。這種診斷方式屬于微觀分析一類，可以對機械磨損導致的碎屑展開差異化分析，讓磨損故障檢測結(jié)果變得更直觀，非?？煽?。光譜分析方法就是分析滑油的過程中，著重注意到其中金屬含量與類型，借此判斷出發(fā)動機機械磨損具體情況。在開展光譜分析的過程中，樣本主要是將時間作為重要依據(jù)進行排列，讓樣本模型擁有更好的應(yīng)用性能。不一樣的金屬元素有著差異化的波長，強度也有所不同，經(jīng)過分析波長和強度，能夠定位故障出現(xiàn)的位置與詳細情況。原子吸收光譜法與原子發(fā)射光譜法等均是運用效果佳的分析方式，這部分技術(shù)能夠?qū)Χ喾N金屬元素展開全面分析，與此同時精度能力達到0.01 μg/g，分析快速通常只需要半分鐘就能夠完成。如果金屬部件出現(xiàn)磨損，那么部件金屬元素會與常規(guī)狀態(tài)元素變化情況發(fā)生差異，維修工作者根據(jù)這一問題進一步分析，就可以得到磨損故障診斷結(jié)果[7-8]。

5.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法

在航空發(fā)動機機械磨損故障診斷各種診斷方式之中，經(jīng)過構(gòu)建ABC-BP構(gòu)建模型的方式，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測，可以得到比較準確的診斷結(jié)果。這一檢測技術(shù)是通過誤差后向傳播原理為基礎(chǔ)的算法檢測，基于該算法的反饋網(wǎng)絡(luò)檢測能夠充分適應(yīng)內(nèi)部，可以把檢測信息分類，收斂過程僅需花費一點時間，這樣可以提高故障診斷可靠性。在運用這種檢測技術(shù)的時候，反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原本的不足在結(jié)合了ABC 算法以后可以得到優(yōu)化升級。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于運行階段會發(fā)生誤差，這部分誤差對結(jié)果精度有影響。不過融入ABC算法以后，誤差函數(shù)會作為人工蜂群內(nèi)的適應(yīng)度函數(shù)進行使用，由于人工蜂群不但能夠局部搜索，還能全局搜索，繼而迅速進行故障診斷。人工蜂群算法，是研究者根據(jù)自然界蜜蜂集體外出覓食行為種獲得的啟發(fā)，繼而構(gòu)建的算法。該算法優(yōu)勢在于全局與局部搜索均能實施。借助BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，綜合ABC 算法，開展磨損故障診斷，必須要嚴格根據(jù)一定步驟展開。采集磨損故障樣本數(shù)據(jù)信息，同時歸類處理數(shù)據(jù)，通過科學的方式分析數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，確保參數(shù)末初始化狀態(tài)，在這一部分中，需要將磨損檢測依據(jù)的參數(shù)錄入訓練樣本內(nèi)。人工蜂群開展參數(shù)初始化處理，設(shè)置需要的參數(shù)，設(shè)定磨損最佳參數(shù)，設(shè)置最大磨損迭代可能性次數(shù)，設(shè)置計算均方誤差數(shù)據(jù)，設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)。使用ABC 算法計算磨損程度，借此獲得計算閾值與權(quán)值，將閾值和權(quán)值作為基礎(chǔ)，進行故障診斷判定。輸入磨損樣品信息，計算誤差，按照誤差情況進行客觀判斷，明確磨損故障有無存在。假若有，就需要修正閾值與權(quán)值，確保數(shù)據(jù)精準度[9]。

6 結(jié)語

綜上所述，通過對航空發(fā)動機機械磨損故障進行診斷，可以了解到，發(fā)動機機械磨損并不是只有一種情況，如果要確定故障產(chǎn)生的情況與因素，需要使用合理的診斷方式，同時針對性強化發(fā)動機維護和檢修，保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，如有必要及時替換零部件，防止機械磨損變得更加嚴重，造成發(fā)動機性能失效，提高航空安全系數(shù)，降低延誤情況產(chǎn)生的概率。