航空发动机机械磨损故障的诊断分析

刘永亚

(上海飞机制造有限公司 上海 201324)

航空飞行器核心动力就是发动机系统，该系统如果发生问题，就会导致航空飞行器飞行安全受到威胁。航空发动机在运行过程中机械磨损问题无法完全避免，所以该故障问题是航空检修与维护工作中的主要构成部分。需要增加对发动机机械磨损故障的关注力度，使用科学有效的诊断方法找到故障产生的原因，合理应对，让发动机处在良好的运行状态中，确保航空飞行安全。

1 航空发动机机械磨损故障诊断现状

故障诊断旨在经过研究有效防止多种类型故障的产生，快速精准判定故障位置，又或者了解机械磨损程度，避免部分突发机械磨损事故发生，确保飞行设备利用率。除此以外，与可靠性维修理念相符，将状态监控与维修工作融合的手段是降低航空发动机故障出现的重点治所在，可以确保航空发动机运动精度和使用时间，节省检修成本。

以美国为代表的航空发动机机械磨损故障诊断技术发展比较成熟，以滑油分析技术为核心的技术方法和手段在回归预测模型中获得了有效验证，借助滑油中的金属浓度加以预测，明晰系统自身磨损状态，然后利用计算机模拟过程。技术工作者在模型中进行故障数据信息输入，就可以迅速定位故障发生的具体位置，进而得到健全的维护举措和防范对策。

我国有关航空发动机机械磨损故障诊断技术研究同样得到了一些进展和成果，比如：在处理故障信号上，技术工作者能够经过滑油光谱分析仪和铁谱分析仪判断故障结构。鉴于信号处理的机械故障磨损诊断技术也可以满足系统性能描述精度基本要求，确保诊断结果精准性。除此以外，国内从模型层面进行了研究，技术工作者能够对发动机滑油系统加以建模，从而仔细观测滑油系统温度和压力等。总体来说，建模过程就是处理机械磨损中的信息，提取诊断内容与故障特征值。不过，现下，国内有关模型研究依旧是通过单一的故障模式研究为核心的，在具体操作阶段，发动机磨损很大概率是因为差异化的因素导致的，最终出现的故障是复合型的，当前的技术通常无法识别。

2 航空发动机机械磨损机理

2.1 发动机基本工作原理

在飞行员开启航空发动机以后，航空发动机内部轴承和齿轮转速迅速上升，带动压气机各级叶片工作，空气由进气道进入通过持续压缩以后步入燃烧室，同时与充分雾化的燃油相结合起来，通过点火机构点火，完全燃烧，出现高温气体，促进涡轮叶片迅速运行，接着经尾喷口往外喷出，产生较大的推力且促进飞机前进，实现热能转化成动能。在发动机刚开始开启的时候，燃气涡轮起动机带动压气机转子转动，压缩空气做功，促进涡轮转子轴承进行转动。涡轮叶片迅速运行，衍生出电能，为滑油系统增压泵提供电能，从而让滑油系统运行，其温度、流速和压力不断提升，慢慢对航空发动机内部轴承和齿轮加以润滑。在发动机开启以后，内部一些轴承和齿轮由于润滑油供给不实时，造成轴承与齿轮工作环境更加恶劣，承受干摩擦，对内部轴承和齿轮表面损害很大，容易发生机械磨损。在航空发动机运行短期以内，其滑油系统温度和压力等处在正常状态时，发动机内部轴承和齿轮润滑情况改善，可以及时带走齿轮以及轴承间的磨屑与热量，该机械磨损慢慢进入正常状态。

2.2 发动机机械磨损过程

航空发动机很容易出现机械磨损的位置就是内部承受荷载的齿轮与轴承。如发动机轴承，介绍机械磨损过程。航空发动机轴承于高度运行阶段，内部相对运动的零部件表层持续摩擦，该磨损过程就是接触面激弹性部分慢慢增加，塑性部分慢慢减少的过程，严格遵守浴盆曲线。航空发动机轴承磨损过程通常可以划分成3 个阶段，分别是磨合、稳定磨损以及剧烈磨损。其中，磨合阶段也被人们叫作跑合阶段，因为接触的轴承内部部件表层粗糙程度有一定的差异性，造成两表面之间的接触面积小，二者间的应力荷载比较大，因而跑合阶段轴承表面机械磨损速度快，该过程多是在航空发动机出厂以前就实现了内部轴承磨合。伴随两个表面间的磨合持续深入，实际接触面积慢慢增加，磨损速度逐渐变慢步入稳定磨损阶段。在稳定磨损这个阶段，如果挑选合理的跑合规律和使用润滑油等各种方式降低偶发故障产生的概率，延长航空发动机轴承年限。最后，步入剧烈磨损阶段，在这一阶段机械磨损速度快速增加，故障率提高，机械功能下滑，内部结构精度低，摩擦副温度持续提高，甚而出现了噪音与振动，造成零部件失效。

3 航空发动机机械磨损类型

3.1 磨屑磨损类

这种磨损类型就是指航空发动机粗糙的表明或者软表面滑动过程中导致的塑性变形和断裂等情况。通常而言，磨屑就是在摩擦表面或者是机械加工过程中导致的，因为摩擦表现本身硬度很高，让不同表面出现了磨损。航空发动机很多零件在磨合阶段自身就会出现生磨屑磨损情况，根据磨料对金属表面磨削条件的不同，其损伤原理也有一定的差异性。微切削损伤环节，脆性材料通常会发生材料崩落现象；磨料颗粒作用下，金属表面出现交变接触应力造成疲劳受损，金属出现多次应变会造成疲劳损坏现象；但是对一部分硬度高的金属零件，磨料颗粒于力的作用下步入金属表面，继而产生压痕。

3.2 疲劳磨损类

发动机经过长时间的滑行和滚动，接触表面与表层发生疲劳，在重复循环环节中，表面在超出循环阈值以后剥离碎片，于表面出现点蚀的情况等。循环次数阈值缺乏固定性，在没有超出阈值以前导致的磨损现象通常十分隐蔽，此为疲劳磨损和其他磨损的不同之处，由于该过程是逐渐损坏的过程。疲劳磨损还可以划分成拓展性疲劳磨损和接触性疲劳磨损，所谓拓展性疲劳磨损，即疲劳现象伴随时间增加持续扩大，待零件完全失效的一个过程；接触性疲劳磨损，即达到疲劳极限以后出现的磨损状态。在实际结构之中，为了有效预防内部构件机械磨损，通常会用滑油系统进行润滑保养操作。在构建反复滑动下，接触表层和表面会出现疲劳现象。重复性加载和卸载循环会出现表面变形与裂纹，超出循环次数以后，表面会剥离出碎片，于表面上留下很多凹坑，即点蚀现象。当达到临界循环次数以前磨损程度较小，疲劳磨损通常出现在润滑条件佳的系统内，别的磨损形式很大概率会先在该磨损出现以前产生，比如磨损失效。在航空发动机中，易于导致疲劳磨损的位置一般为减速器齿轮、主轴承以及轴承这几个部位[1-2]。

3.3 粘着磨损类型

两个固体平面出现滑动接触，无论是干摩擦还是润滑磨损，均会导致粘着磨损现象发生。粘着源自界面微门体接触，滑动让接触点产生剪切作用，造成碎片由接触点一边被剥离，粘着至另外一边的微凸体上。在滑动持续进行的时候，转移的碎片从其粘着表层脱落，接着转移至原本的表面上，不然就会变成游离性的磨粒。通过反复加载与卸载的疲劳作用，一些转移碎片会出现断裂的情况，其也可以变成游离的磨粒。现阶段，很多研究人员表示，早前的滑动磨损就是在薄弱区域发生的，大部分情况下，接触界面粘着强度比材料撕裂强度小，这个时候的接触点大部分产生的是剪切故障，并非是磨损故障。与此同时，一些理论表示，造成磨损碎片产生原因在于持续性的塑性剪切，于周期性荷载下构成结点的焊合，结点材料由一个软表面转移到另外一个表面。根据表面损坏程度，能够把粘着磨损分成不一样的级别，涵盖轻微的磨损、咬死等，特别是在温度较高和荷载高的情况下，轴承和发动机齿轮零部件受损会发生形式不一的磨损故障问题。

4 航空发动机机械磨损诊断基本原则

航空发动机机械故障原因比较复杂，诊断过程有着较强的综合性，突发情况较多，对发动机故障，需要探究故障诊断原则，提升航空发动机故障诊断效率。

4.1 照章操作

所有检修人员均需要确定自身的岗位职责，进一步体会到岗位制度的真实用意，严格根据规章制度维修与保养航空发动机。比如：波音737-8MAX 在坠毁以前的多次飞行过程中，飞行员报告高度和空速发生异常现象，但是始终没有引起重视。如果有健全的检测制度，检测人员可以严格根据规章制度进行操作，就算无法找到发动机问题，也可以对飞机异常情况产生警觉性，就算无法完全避开飞行故障，至少可以拟定出较为合理的应急预案，让故障产生时可以有更多的安全保障[3-4]。

4.2 定时诊断

由于航空发动机故障有一定的潜伏性以及隐蔽性，多数机械故障无法直接觉察到，全部依靠飞行数据展开故障诊断，会造成飞行人员在实际飞行过程中变得相当危险。所以，定时诊断能够寻找到飞机可能发生的安全隐患问题，把故障问题排除于故障产生以前。通常机械故障诊断时间是一周，即每间隔一星期就需要诊断发动机，掌握发动机运行情况。该手段涵盖了震动监测、油液监测等。

4.3 视情诊断

飞机飞行过程中产生空速异常情况、油耗异常情况、发动机异常响动等，检修人员需要第一时间对发动机展开检修和维护，找到异常情况产生的原因，防止出现更加严重的故障问题。比如：发动机震动显著，功率下滑，减速，同时具有摇头的情况，如此需要立即诊断飞机故障，根据发动机点火系统和部件损坏等方面着手，找到发动机故障产生的原因，保证飞机飞行以前发动机处在正常状态中。

5 航空发动机机械磨损故障诊断方法

5.1 遗传优化算法

运用遗传优化算法检测航空发动机故障，诊断机械磨损问题，优势就是具有很强的可操作性，能够快速锁定故障问题，诊断故障；劣势就是使用遗传优化算法展开运算诊断的时候，如果需要解决的问题是非线性问题，很容易发生早熟的情况，局部极值难以从中获取。在现阶段诊断技术运用过程中，支持向量机广泛运用，这样的诊断技术关键是检测适用性与平均水平零部件不相符，变异率高，经过该技术对高维空间使用线性规则划分。这样的检测技术对惩罚参数与核参数有很高的要求，所以在诊断时诊断结果精度不高。采取遗传优化算法可以支持向量机检测，明晰必要参数同时详细记录参数。采取这种方式加以诊断，需要从遗传算法中选择出准确的参数，综合支持向量机检测，由于遗传算法有种群初始化特征，故而在诊断计算过程中，使用支持向量机检测和算法功能相融的模式，能够有效弥补参数不准的缺陷，提高计算诊断精度。要想保证检测得到的参数准确，需要采取设备核查验证有关数据信息，如采取检测器等，现如今已具备相当多的检验设备可供选择，011vive 检测器有很高的可靠性，同时操作方便快捷，PEC200 同样是有效选择。利用这部分监测设备，可以及时检测到航空发动机工作状态，实时发觉发动机运行中的故障，提高航空发动机故障检测效率[5-6]。

5.2 滑油分析方法

诊断航空发动机机械磨损故障的过程中，最大的障碍就是发动机不能拆除，维修工作有所限制。航空发动机有着非常复杂的构成，磨损故障排查工作量较大，与此同时很难实行。滑油分析，即据此难题而产生的磨损故障诊断方式。在航空发动机中存在诸多设备在运行过程中为了削弱磨损程序，必须要对其冷却，且进行润滑，滑油系统就是发挥这种作用。滑油成分和发动机部件磨损情况紧密有关，分析该成分，就可以对机械磨损情况进行详细的诊断，接着按照诊断结果组织后期维护检修工作。滑油能够大大降低齿轮与轴承之间的摩擦，减少部件损耗率，如果滑油成分里面的金属含量有所提高，通常表明发动机内存在部件机械磨损问题。

光谱分析法与铁谱分析方式均是比较常见的滑油分析手段。合理采用铁谱分析方式，经过高梯度强磁场作用，机械磨损导致的颗粒物质与碎屑等可以被提取，检验分析这部分物质规格与包含的成分等，能够对航空发动机机械磨损状况产生客观认知，继而决定要不要更换部件。这种诊断方式属于微观分析一类，可以对机械磨损导致的碎屑展开差异化分析，让磨损故障检测结果变得更直观，非常可靠。光谱分析方法就是分析滑油的过程中，着重注意到其中金属含量与类型，借此判断出发动机机械磨损具体情况。在开展光谱分析的过程中，样本主要是将时间作为重要依据进行排列，让样本模型拥有更好的应用性能。不一样的金属元素有着差异化的波长，强度也有所不同，经过分析波长和强度，能够定位故障出现的位置与详细情况。原子吸收光谱法与原子发射光谱法等均是运用效果佳的分析方式，这部分技术能够对多种金属元素展开全面分析，与此同时精度能力达到0.01 μg/g，分析快速通常只需要半分钟就能够完成。如果金属部件出现磨损，那么部件金属元素会与常规状态元素变化情况发生差异，维修工作者根据这一问题进一步分析，就可以得到磨损故障诊断结果[7-8]。

5.3 神经网络诊断方法

在航空发动机机械磨损故障诊断各种诊断方式之中，经过构建ABC-BP构建模型的方式，使用神经网络检测，可以得到比较准确的诊断结果。这一检测技术是通过误差后向传播原理为基础的算法检测，基于该算法的反馈网络检测能够充分适应内部，可以把检测信息分类，收敛过程仅需花费一点时间，这样可以提高故障诊断可靠性。在运用这种检测技术的时候，反向传播神经网络原本的不足在结合了ABC 算法以后可以得到优化升级。BP 神经网络于运行阶段会发生误差，这部分误差对结果精度有影响。不过融入ABC算法以后，误差函数会作为人工蜂群内的适应度函数进行使用，由于人工蜂群不但能够局部搜索，还能全局搜索，继而迅速进行故障诊断。人工蜂群算法，是研究者根据自然界蜜蜂集体外出觅食行为种获得的启发，继而构建的算法。该算法优势在于全局与局部搜索均能实施。借助BP 神经网络，综合ABC 算法，开展磨损故障诊断，必须要严格根据一定步骤展开。采集磨损故障样本数据信息，同时归类处理数据，通过科学的方式分析数据。调节BP神经网络参数，确保参数末初始化状态，在这一部分中，需要将磨损检测依据的参数录入训练样本内。人工蜂群开展参数初始化处理，设置需要的参数，设定磨损最佳参数，设置最大磨损迭代可能性次数，设置计算均方误差数据，设置适应度函数。使用ABC 算法计算磨损程度，借此获得计算阈值与权值，将阈值和权值作为基础，进行故障诊断判定。输入磨损样品信息，计算误差，按照误差情况进行客观判断，明确磨损故障有无存在。假若有，就需要修正阈值与权值，确保数据精准度[9]。

6 结语

综上所述，通过对航空发动机机械磨损故障进行诊断，可以了解到，发动机机械磨损并不是只有一种情况，如果要确定故障产生的情况与因素，需要使用合理的诊断方式，同时针对性强化发动机维护和检修，保证发动机正常运转，如有必要及时替换零部件，防止机械磨损变得更加严重，造成发动机性能失效，提高航空安全系数，降低延误情况产生的概率。