航空发动机机械磨损故障的评估诊断

徐幸超

摘 要：航空发动机系统在现代科技条件下变得更加复杂，这种类型的复杂系统具有一定的安全裕度，但在飞行过程中出现问题时必然会导致发动机故障，甚至产生安全事故。对此，应尽量确保发动机状态的稳定性。根据实际维修工作经验可以了解到，发动机机件的机械磨损是造成机械故障的主要因素，对此，应采取相应的技术手段解决相关问题。

关键词：航空发动机;机械故障;评估诊断

中图分类号：V328.2 文献标识码：A 文章编号：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

在中國民航总局的某项资料中提到，机械故障是引起重大飞行事故的主要因素，而航空发动机机械磨损故障又占据因机械原因导致故障总数的绝大部分。因此，加强对航空发动机机械磨损故障的评估和诊断尤为重要。

1 发动机机械磨损故障诊断的现状

故障诊断的主要目的是通过研究来预防各种类型故障的产生，迅速准确地进行故障部位的判定，或是了解其磨损程度，防止一些突发机械磨损事故的出现，保障飞行设备的利用率。另外，符合可靠性维修理念，以状态监控和维修工作相结合的必要手段也是减少发动机故障产生的关键，其能保证发动机运动精度与使用寿命，节约维修管理所消耗的费用。

以美国为代表的发动机机械磨损故障诊断技术已经相对成熟，以滑油分析技术为代表的技术手段已经在回归预测模型中得到验证，利用滑油中存在的金属浓度进行预测，确定系统本身的磨损状态，再利用计算机来进行过程模拟。技术人员在模型中输入故障数据，即可快速定位故障产生的区域，从而获取完整的维护措施与防范措施。

国内关于航空发动机机械磨损故障的诊断技术研究也取得了一定成果，例如，在故障信号处理方面，技术人员可以通过滑油光谱分析仪、铁谱分析仪对故障结构进行判断。基于信号处理的机械故障磨损诊断技术也能达到系统性能描述的精度要求，保障诊断结果的准确性。另外，我国还从模型方面展开了研究，技术人员可以对航空发动机的滑油系统进行建模，以观测滑油系统的温度、消耗情况、压力等。整体来看，建模的过程是对机械磨损过程中的信息进行处理，提取专门的诊断内容和故障特征值。但是，当前我国关于模型方面的研究仍是以单一的故障模式研究为主的，在实际操作过程中，发动机磨损很可能是由不同原因造成的，最后产生的故障也是复合型的，现有的技术往往不能识别。

2 航空发动机机械磨损的常见类型及其评估

航空发动机本身是一个非常复杂的系统，内部构件的机械磨损情况也比较多样化，但从本质上来看，都是相对运动部件摩擦导致的结果，这些部件之间的摩擦会导致材料变形、损伤，并产生不同程度的机械磨损。

2.1 航空发动机的工作原理

随着航空发动机的启动，在迅速转动的轴承和齿轮带动下，压气机的各级叶片开始工作。经过压缩的空气进入燃烧室与燃油相混合并充分燃烧，从而产生高温气体，保障涡轮叶片的运转，产生巨大推力，促进热能向动能的转化，维持飞机前进。在发动机启动的第一时间，压气机的转子在燃气涡轮启动机的带动下对空气进行压缩，从而使涡轮转子的轴承开始高速转动，将电能提供给滑油系统的增压泵。在滑油系统作用下，润滑油进入发动机内部的各个齿轮和轴承，对这些部位进行保护。如果受相关因素的影响，润滑油没有及时、足量地供给，未能对齿轮和轴承进行充分润滑，这些部位就可能出现干摩擦。干摩擦对齿轮和轴承的伤害非常大，甚至会直接造成机械磨损。如果滑油系统能在短时间内恢复到正常流速、温度和压力，及时改善润滑条件，提供足够的润滑油，并将之前干摩擦所产生的磨屑和热量及时带走，机械磨损就会恢复到可控范围，发动机将继续正常运转。由此可见，要完全避免机械磨损是不可能的，只能对其进行控制。

2.2 机械磨损的过程评估

轴承和齿轮作为航空发动机内部承受载荷最多的部分，其发生机械磨损的概率也高于其他部位。随着航空发动机的高速运转，其内部的部件也产生了相对运动，并产生摩擦。这些部件的接触面上，塑性部分逐渐减少，弹性部分逐渐增加，最终产生磨损。轴承的磨损过程可以分为跑合阶段、稳定磨损阶段与剧烈磨损阶段。

第一阶段，由于轴承内部的表面粗糙程度存在差异，不同表面之间的接触面积不大，较大的应力载荷使轴承表面出现了机械磨损。然而，在实际情况中，这种现象并不常见，因为在出厂之前，航空发动机内部轴承就已经实现了磨合。在磨合过程中，两表面的真实接触面也会不断增大，从而延缓了磨损速度，进入第二阶段，也就是稳定磨损阶段。在这一时间内，如果应用合理的跑合规律与合适的润滑油辅助保养，出现偶发故障的可能性较低，发动机轴承使用周期也能得到保障。第三阶段则是剧烈磨损阶段，是在长期使用后的必然结果，这一阶段的磨损速度会急剧增加，重点表现在故障频率增加与机械功能下降、内部结构精度下降，各类异常噪声、振动开始出现，直至内部零件失效，发动机不能正常运转。

2.3 机械磨损的不同类型

2.3.1 粘着磨损。两个固体平面发生滑动接触时，无论是干摩擦还是润滑摩擦都会产生粘着磨损。粘着起源于界面的微门体接触，滑动使这些接触点产生剪切作用，导致碎片从接触点一侧被剥离，粘着到另一侧的微凸体上。当滑动继续时，转移的碎片从其粘着的表面脱落，又转移到原来的表面上，否则就成为游离的磨粒。经过反复加载和卸载的疲劳作用，有些转移碎片将发生断裂，它们也能成为游离的磨粒。

当前，大部分研究者认为，早期的滑动磨损是在薄弱区域开始出现的，多数情况下，接触界面的粘着强度低于材料撕裂的强度，此时的接触点更多出现的是剪切故障，而不是磨损故障。但同时，有理论提出，导致磨损碎片出现的原因是连续的塑性剪切，在周期性载荷作用下形成结点的焊合，结点材料从一个较软的表面转移至另一个表面。按照表面破坏程度，可以将粘着磨损划分为不同级别，包括轻微磨损、涂抹、摩擦、咬死等，尤其是在高温、高载荷状态下，轴承、发动机齿轮的零部件损伤会出现不同形式的磨损故障[2]。

2.3.2 磨屑磨损。磨屑磨损指的是发动机粗糙的表面或软表面滑动时产生的塑性变形、断裂等情况。一般来说，磨屑是在摩擦表面或机械加工中产生的，由于摩擦表面自身的硬度较高，使不同表面产生磨损。航空发动机的大部分零件在磨合期本身就会产生磨屑磨损现象，按照磨料对金属表面磨削条件的差异，其损伤原理也会有所不同。在微切削的损伤环节，脆性材料一般会产生材料崩落现象;在磨料颗粒的作用下，金属表面产生交变接触应力导致疲劳损坏，金属产生多次应变也会导致疲劳损坏;而对于某些硬度较大的金属零件，磨料颗粒在力作用下进入金属表面产生压痕[2]。

2.3.3 疲劳磨损。航空发动机在长期滑动、滚动作用下，其接触表面和表层出现疲劳，在重复性循环过程中，表面在超过循环阈值后剥离出碎片，在表面产生点蚀等现象。循环次数的阈值并不固定，在未超过阈值之前产生的磨损现象往往比较隐蔽，这也是疲劳磨损与粘着磨损、磨屑磨损最大的差异，因为这一过程实际上是一种渐进性破坏过程。疲劳磨损又可以分为扩展性疲劳磨损与接触疲劳磨损。前者主要是疲劳现象随着时间的增加不断扩大，直至零件全部失效的过程;后者则是达到疲劳极限后的磨损状态。在实际结构中，为了避免内部构件的机械磨损，会选择滑油系统展开润滑保养 [2]。

在构件反复滑动作用下，接触表层与表面会产生疲劳现象。重复性的加载、卸载循环会产生表层变形和表面裂纹，超过一定循环次数后，表面最终剥离出大碎片，在表面上留下大量凹坑，也就是点蚀。在达到临界循环次数之前磨损并不明显，而疲劳磨损一般发生在润滑条件较好的系统中，其他磨损形式有可能会先于疲劳磨损之前就产生，例如疲劳磨损失效问题。在整个发动机中，最容易产生疲劳磨损的部位是轴承、减速器齿轮和主轴承。

3 机械磨损的故障监控方法

3.1 磁塞分析

磁塞是一种简单的磨损颗粒收集方法，维护人员可以将磁塞插入回路中，也可以直接将其放在油箱中。磁塞的主要作用是将油液中的磁性颗粒过滤出去，然后定期由维护人员进行清除。维护人员要利用仪器设备对磁性颗粒的大小进行观察，以判断是否更换润滑油。磁铁在进入润滑油系统后，会暴露在循环着的润滑油中，吸附磨屑。维护人员将磁性探头取下时，主体内的封油阀也会自动将油出口封闭起来，避免润滑油泄露。维修人员也可以将磁塞安装在润滑系统的弯曲管道中，使其能尽量捕获更多的磨屑。这种操作模式较为简单，对一些50μm以上的金属磨屑具有良好的效果，但对一些更加微小的非磁性颗粒，效果较差。

3.2 油液理化分析

航空发动机的滑油若在使用过程中出现质量问题或油品性能下降，都会影响发动机的使用性能。在进行油液理化分析的过程中，一方面要监控滑油理化指标是否产生异常现象;另外一方面，则要定期控制滑油的使用频率，以避免出现严重的机械磨损故障。例如，根据监控结果分析滑油的衰变特性，提升滑油使用成效。添加剂损耗、磺化、硝化、氧化会造成油液的降解，此时要关注油液的抗磨剂水平、抗氧剂水平、硝酸盐、硝化深度、氧化深度、总碱值、总酸值和黏度等参数，及时发现油液的降解情况。通过关注油液的积炭水平、不溶物含量、冷却剂水平、水含量、燃料水平和闪点等参数，可以及时掌握其污染情况。

3.3 光谱分析

光谱分析方法比前两种方法更严谨。组成物质结构的原子本身是由带正电的原子核与围绕其运转的电子组成的，核外电子和基态都会吸收能量，原子由激发态返回至基态的过程中，以电磁波的形式辐射出之前所吸收的能量，同时光辐射和电磁波辐射频率之间存在密切联系。此时，维修人员通过光谱监测，就可以了解对应的元素含量，发现发动机内部的早期粘着磨损、磨屑磨损现象。光谱分析法的灵敏度也比较高。但该方法对10μm以上的磨屑准确度有所降低[4]。

3.4 鐵谱分析

以铁谱分析为基础的数据处理过程可以精确定位故障类型，利用不同的技术手段来分析检测样本。滑油系统中的磨屑状态可以体现出航空发动机的运行过程。例如，当轴承或齿轮损坏时，借助铁谱分析结果可判断磨损的区域、状态、维修方案等。从整体来看，发动机不同部位的机械磨损表现出不同的磨屑特征，相应的结构信息也能通过磨屑的物理性能和化学性能来实现。对于磨屑形态的参数表达，可以利用公式（1）来进行分析：

[C=4πAL2]                                    （1）

其中，[C]為圆度，在面积确定的前提下，磨屑边界越接近圆形，则圆度[C]越接近1。当磨屑边界变化不规则时，周长也会产生变化。这项指标可以确定磨屑的形状与偏离情况。

而磨屑的畸形度表达式为：

[J=LA2]                                             （2）

畸形度能表现磨屑面积与磨屑周长之间的联系，即通过形态特征来对磨屑的规则程度进行评估。边缘规则程度越不均匀，说明畸形程度越大，也说明铁谱分析中的畸形度分析可以给我们提供磨损程度的其中一项评估条件。

3.5 FMEA基础下的磨损风险评估

FMEA即失效模式影响分析，通过定量评估和模拟仿真研究的方式来了解航空发动机的潜在故障风险，并了解系统失效出现的根本原因。作为一种定性分析方法，可以有效了解不同的独立故障因素对系统产生的不利影响，且更加容易实施管理和控制。当然，信息不对称的问题应该被考虑在内，配合定量分析保障结果精确性。作为安全工程师和技术人员，对于复杂系统的特性可以有更深入了解，明确系统最薄弱的区域，例如，滑油系统结构和发动机传动系统可能出现的问题等。虽然该FMEA方法对人力和物力要求较高，应用难度也比较大，但其在故障风险评估方面的作用是不可忽视的。

4 结语

本研究对发动机机械磨损的普遍性特征进行了梳理，从不同方面阐述了故障类型与常见的故障诊断方法，并进行了相应的评估诊断。对于当前侧重于单一的航空发动机机械磨损故障诊断的情况，我们应使用两种以上的故障监控方法，以提高评估结果的准确性。

参考文献：

[1]杨小东，雷勇.某型航空发动机整机试车故障诊断与排除系统开发[J].计算机测量与控制，2010（12）：2708-2709.

[2]樊向党，杨炳恒，王文志.舰面航空保障装备维修作业安全事故预防研究[J].设备管理与维修，2017（14）：21-22.

[3]刘杰，甘旭升，吴亚荣，等.灰色灾变与回归分析法的航空装备不安全事件预测[J].火力与指挥控制，2016（11）：117-120.

[4]王冠超，韩志鹏.关于如何对航空机械维修的工具进行有效监管[J].军民两用技术与产品，2016（18）：41.