航空发动机润滑系统污染预警装置安全性失效因素分析

摘要：航空发动机润滑系统污染预警装置是一种防止航空发动机因发生滑油污染而造成发动机故障的报警装置，其性能好坏直接影响润滑系统的可靠性。本文根据污染预警装置进行功能结构分析，给出了预警装置的失效模式及因素分析，确定了污染预警装置故障判据的严酷度级别，提供了污染预警装置失效判定准则，提出了污染预警装置失效判定流程，对航空发动机润滑系统的可靠性及维护具有重要意义。

关键词：润滑系统；污染预警装置；严酷度；失效判定准则；失效判定流程

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

0 引言

航空燃气涡轮发动机具有高速、高温、高压的特点，在这种恶劣的工况下，为保障发动机可靠工作，发动机的润滑系统要求具备良好的可靠性[1]。润滑系统作为发动机的关键部位之一，工作时将一定压力、温度的滑油连续地供到摩擦零件的表面，减少零件的摩擦和磨损，且流动的过程中能够清除磨屑等杂质，带走摩擦表面的热量，起到清洁和冷却作用。然而，当润滑系统发生污染且到达一定程度仍未发现，会对发动机整体性能造成严重的影响。因此，保证润滑系统的安全可靠显得至关重要。润滑系统污染预警装置是一种防止在役航空发动机因发生滑油污染而造成发动机故障的报警装置[2]。本文通过对污染预警装置的功能结构进行分析，对航空发动机润滑系统污染预警装置安全性失效因素展开分析，给出预警装置的判定准则，为航空发动机润滑系统的可靠性设计和耐久性评估提供指导。

1 污染预警装置功能结构分析

1.1 预警装置功能需求分析

润滑系统污染物会对航空发动机的安全性产生影响，因此需要相应的污染预警装置对污染物报警[3]。预警装置是一种行之有效的防止发动机故障的方法，一方面，它可以保障发动机使用过程中的安全性和可靠性，防止突发机械事故，同时迅速而准确地确定故障的部位及其严重程度；另一方面，可以最大限度地减少发动机的分解次数和分解范围，從而保持其运动精度，合理延长其使用寿命，并且大大降低维修费用[4，5]。

1.2 污染预警装置结构分析

污染预警装置由两部分构成：压差告警和磁堵。如图1所示，压差告警装置和磁堵装置位于滑油滤中。

压差告警结构由旁通阀、密封圈、滤芯、下壳体、压差信号器、挡圈等零组件组成（见图2）。产品正常工作时工作液由进油处进入下壳体内，经滤芯过滤后到达出口，进入系统。随着工作时间的延长，滤芯吸纳的污染物越来越多，造成滤芯进出口的压差越来越大，当滤芯进出口压差达到0.3～0.42MPa时，信号器发出指示信号，提示地勤人员应及时更换滤芯。若无法及时更换滤芯，滤芯两端的压差继续增加，当压差达到0.7～0.8MPa时旁通阀打开，油液不经滤芯过滤直接进入系统，以免系统断流，旁通阀上设有较粗的过滤元件，可以对油液进行粗过滤。

压差预警功能框图如图3所示。其中，防漏装信号器是压差信号器的功能之一，当油滤漏装滤芯时，信号器也能发出指示信号。

磁堵主要用于探测滑油系统部件的内部状况（如内部磨损），例如，CFM56-5B41P有一个主磁堵探测器和一个配套的跳出式目视指示器，指示器是一个可拆卸的电器式磁性堵头，两个磁铁中间分开，正常情况下作为开路的电接触器。当滑油中出现的金属屑/沫将两个磁铁间的间隙填满，电接触器闭合，发出电信号，传至跳出式目视指示器，触发红色的跳出式指示器跳出。这样，当地面维护人员在短停、航后打开滑油箱接近口盖时，可以看到该指示并视情采取进一步的措施。

2 污染预警装置失效模式及因素分析

2.1 预警装置失效模式

如果航空发动机润滑系统中出现污染但污染预警装置没有发出告警信息，说明该装置出现了失效，失效原因可能是多方面的。常见的失效模式有自然物理失效、工作失效和老化失效三大类[6，7]，而在实际应用中不同阶段的失效往往是一种或几种失效模式的综合[8，9]。污染预警装置失效模式包括滤网破损、旁通阀不正常开启、压差信号器指示、压力偏离规定值、防漏装信号器低温误指示、防漏装信号器外部渗漏油、滑油滤外部渗漏油等。

2.2 压差告警失效分析

压差告警装置主要由永磁铁、大小弹簧构成，故压差告警装置失效一般表现为永磁铁和大小弹簧失效。失效现象包括：

1）两个磁铁磁性减弱，磁力下降；

2）磁铁出现腐蚀坑；

3）磁铁磨损；

4）磁铁断裂坑。

自然状态下磁性基本上不会减弱，在航空发动机中磁性减弱的失效因素主要包括：

1）高温或低温；

2）形变；

3）振动冲击与铁磁性吸放；

4）氧化锈蚀。

2.3 磁堵失效

磁堵失效模式有两种：磁性减弱和信号指示器开路故障。影响磁性的因素包括：

1）高温或低温；

2）形变；

3）振动冲击与铁磁性吸放；

4）氧化锈蚀。

影响信号指示器的因素包括：

1）发动机振动引起的线路开路；

2）高温引起的线路开路；

3）滑油泄露引起的线路短路。

3 污染预警装置失效判定

3.1 失效判定方法

产品故障严酷度等级判定准则如表1所示。依據产品故障严酷度等级判定准则，可分别对滤网破损、旁通阀不正常开启、压差信号器指示压力偏离规定值、压差信号器低温误报警、压差信号器外部渗漏油、外部渗漏油进行故障判定。

滤网破损故障判据：滤芯破损后，滤芯的结构完整性被破坏。该故障会造成产品的过滤效率降低，表现为系统下游污染度提高，引起产品性能降低，严酷度等级属于Ⅳ级。

旁通阀不正常开启故障判据：旁通阀不正常开启（包括提前开启或滞后开启），超出0.7～0.8MPa范围。若提前开启会使部分未经过滤的油液进入下游系统，表现为系统下游污染度提高。若滞后开启，会造成产品进出口压降增大。两种情况均引起产品性能降低，严酷度等级属于Ⅳ级。

压差信号器指示压力偏离规定值故障判据：性能检测表现为指示压力不在0.3～0.42MPa范围内。该故障会造成压差指示器监控滤芯的污染状况有偏差，表现为压差指示器频繁报警或报警间隔延长。该故障会引起产品的非计划性维护或维修，严酷度等级属于Ⅳ级。

压差信号器低温误报警故障判据：该故障表现为在温度低于37℃时，当滤芯前后压差达到0.3～0.42MPa时，防漏装信号器告警指示。在温度低于37℃时，由于油液粘度增大，会使滤芯前后压差达到0.3～0.42MPa范围内，但这不是滤芯堵塞造成的，若此时信号器告警，会引起产品的非计划性维护或维修，严酷度等级属于Ⅳ级。

压差信号器外部渗漏油故障判据：该故障表现为产品在使用过程中油液从信号器端部向外渗漏。该故障会引起产品的非计划性维护或维修，严酷度等级属于Ⅳ级。

外部渗漏油故障判据：产品外部渗漏油表现为产品在使用过程中油液从壳体与主机连接处向外渗漏油。该故障会引起产品的非计划性维护或维修，严酷度等级属于Ⅳ级。

1）压差告警失效判定

压差告警装置的弹出由滑油压差控制。若压差到达一定程度而压差告警装置没有发出警告即压差指示器未弹出，说明压差告警装置失效。判断压差告警装置失效的原则是检查滑油油滤前后压力传感器的压差是否到一定程度。

2）磁堵失效判定

由磁堵工作原理可知，当磁堵探测和吸附的金属屑到一定程度时，两个磁极电路导通，从而发出警告。因此，判断磁堵失效的原则是磁堵上吸附了大量的金属屑而两个磁极电路却不导通。

3.2 失效判定输入

根据航空发动机润滑系统污染预警装置中压差告警和磁堵失效判定准则，其判定输入分别为压差是否超限、电路是否导通。

3.3 失效判定流程

图5所示为失效判定流程，从图中可知判定流程分为6个部分：失效情况调查、鉴别失效模式、失效特征描述、失效机理分析、分析实质原因、提交失效判定报告。

4 总结

润滑系统污染预警装置是一种防止航空发动机因发生滑油污染而造成发动机故障的报警装置。本文对发动机润滑系统污染预警装置的结构进行了分析，找出了预警装置的故障模式、故障发生的原因，得出污染预警装置的失效判定准则的方法，给出了污染预警装置故障判据的严酷度级别，提供了污染预警装置失效判定流程。本研究有利于为预警装置失效制定补救措施，可为航空发动机润滑系统的可靠性设计和耐久性评估提供指导。

参考文献

[1] 范向阳.发动机润滑系的研究[D].太原理工大学，2003.

[2] 涂群章，左洪福，李艳军.发动机磨损颗粒图像在线检测技术[J].内燃机工程，2003，24（5）：70-73.

[3] 左洪福.发动机磨损状态检测与故障诊断技术[M].北京：航空工业出版社，1996.

[4] 范作民，孙春林，白杰.航空发动机故障诊断导论[M].北京：科学出版社，2004.

[5] 王强，严骏，龚烈航.发动机润滑油污染状况的快速分析与监测技术[J].内燃机工程概述，1997（4）：38-42.

[6] 鲍秀峰.军用集成电路典型失效模式分析与改进措施研究[D].南京：南京理工大学，2006.

[7] 黄运安，张亚，李波.基于高温高过载下电子元器件参数变化研究[J].科学技术与工程，2009，19（4）：1006-1008.

[8] 魏选平，卞树植.故障树分析法及其应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2004（3）：43-45.

[9] 张延伟.电子元器件破坏性物理分析中几个难点问题的分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2002（1）：30-33.

作者简介

朱日兴，硕士，研究方向：航空发动机适航审定技术。