航空发动机的磨损故障分析和诊断技术

丁娃娃鱼 · 发表于 2007-8-14 11:42:27

      航空发动机的磨损问题不但直接威胁发动机的安全高效运行，而且还可能诱发其他故障，甚至发生事故。因此，准确诊断和早期发现潜在的磨损故障对于发动机的安全运行意义重大
　　航空发动机结构复杂，并且在高温和高速的恶劣条件下工作，易发生各种机械故障，尤其是磨损故障。实时掌握发动机主要部件的磨损情况，以智能化、网络化手段判断故障类型，从蛛丝马迹中尽早获得故障线索，这些将是航空发动机的磨损故障分析和诊断技术未来的发展方向。
　　磨损是主要故障。据中国民航总局1989～1999 年的统计资料，机械故障引起的重大飞行事故占37.9%，而发动机系统的故障又占所有机械故障的60%。在发动机各类故障中，磨损是主要故障。中国民航仅1998年2月因轴承、齿轮和密封件等元件的不正常磨损导致发动机停车或提前换发的事故就高达5起。据某空军运输师及新疆航空公司对Д30KY-154发动机10年情况所作的统计，发动机空中停车事故的37.5%及提前换发的60%以上的原因是发动机轴承等零件的磨损类故障，其中尤以轴间轴承最为突出。
　  为随时掌握发动机主要部件的磨损情况，保证发动机工作的可靠性，科研人员在发动机运行状态监测与故障诊断技术方面不断创新。力求能够迅速而准确地确定故障的部位及其严重程度，缩短飞行器的停飞时间，提高其利用率。这项技术同时也是实现"以可靠性为中心"的维修思想以及"状态监控和视情维修相结合"的维修方式的必要手段和前提条件。
　　一、磨损故障分析
　　航空发动机中普遍存在两类磨损故障，一是发动机的滑油润滑零部件的磨损失效问题；二是发动机气路中存在的叶片冲蚀、烧蚀、机匣相磨、外物损伤等磨损故障。
　  发动机滑油润滑零部件的磨损故障主要存在于发动机传动系统和附件系统，故障产生的机理是：疲劳磨损、磨料磨损、粘着磨损和腐蚀磨损。磨损故障的多发部位是轴承部位、齿轮部位等。这种磨损故障发生部位通常都具有良好的滑油润滑条件，当发生磨损故障时，首先会导致本系统甚至整机工作状态恶化，同时，磨损剥落物会随滑油流经其他零件，作为磨料加剧其他零部件的磨损，导致相关零件大面积磨损报废，甚至发动机异常停车。
　　气路磨损故障普遍存在于各类航空发动机中，此类故障不但其本身有很大危害，而且极易导致等级事故的发生。这类故障产生的原因有：气路冲蚀或烧蚀故障，它多发生在高压压气机、涡轮及涡轮导向器叶片等部位；发动机叶片易发生与机匣相磨故障，这种故障本身不会立即危害发动机安全运转，但它会使叶片振幅加大，振动应力相应增大，从而使叶片提前产生疲劳裂纹，导致如叶片尖缘掉块、叶片折断等恶性故障；由于发动机来流中的夹杂物打击导致的外物损伤故障，可能会导致发动机性能急剧恶化，甚至异常停车，即使不会立即危害整机安全，也会诱发叶片挠曲、断裂等严重事故的发生。
　　二、磨损故障诊断技术现状
　　对于上述的两类发动机磨损故障，国内外的科研工作者已经进行了长期的研究与探索，取得了一定成果。其中，对于滑油润滑零部件的磨损故障，已经形成了较为成熟的监测与诊断技术体系；而对于气路磨损故障，尚未形成很有效的解决方法。
　　当今，发动机滑油润滑零部件磨损故障监测与诊断的主要手段是滑油分析技术，即通过对滑油中所携带的磨损产物的含量、种类和形貌等进行深入分析，从而判断相关部件的磨损状态。
　　发动机滑油分析技术脱胎于传统的铁谱分析方法，已有三十年的历史了，并较为成熟而且应用广泛。如美国卡勃莱德姆公司90年代研制出FAST系统。现代发动机上通常都装有信号式油滤或磁性螺堵，对滑油中的磨损物含量进行在线监测，当其超过设定指标时报警，待发动机停车后再深入地检查。相比起来更为有效的是滑油离线监测技术，它是定期进行滑油采样，对采得的油样进行离线分析，分析手段主要有磨粒计数、磨粒显微分析以及光谱分析等。
　　在此领域，南京航空航天大学发动机故障诊断研究所已经进行了10年探索，不但在基本理论与方法研究方面取得了丰硕的成果，而且立足于磨粒分析技术，研制开发出DMAS系列智能化铁谱分析系统，性能大大优于FAST系统，在相关单位推广应用，较为成功地解决了发动机滑油润滑零部件磨损故障的监测与诊断问题。此外，它还可以对发动机进行振动监测和性能趋势分析，从而间接监测或诊断出发动机滑油润滑零部件的磨损问题。
　　在发动机气路磨损监测技术研究方面，限于发动机气路本身的高温密闭的工作环境，一直难以找到非常有效的手段。传统上是通过气路参数建模结合性能趋势分析来监测和诊断气路故障，但这是一种间接的诊断方法，诊断效果并不理想。在各种直接监测手段研究领域，尤其是通过磨损微粒进行监测诊断，国内处于近乎空白的地步。
　　美国对此项目已研究多年，有一些实用系统推出，如美国史密斯工业公司开发的发动机电子监测系统（EEMS）等，但只供美国军方采购，技术及产品都严格保密。JSF计划中设立的预测和健康管理（PHM）项目，采用的就是EEMS的换代系统，即发动机事故监测系统（EDMS）和吞咽碎片监测系统（IDMS）。这三种监测系统的原理相同，都是通过测量发动机气路气流中微粒所携带的电荷量大小及变化趋势，再结合转速等发动机性能参数，综合推断发动机气路的磨损问题及严重程度。这一技术虽已逐步走向实用，但其缺点也显而易见，通过电量大小来推断分析气流中磨损微粒的含量状况，只能得到一个大致的总体性判断，以此为依据进行状态监测及故障诊断，其虚警率很高。
　　三、故障诊断技术的发展趋势
　　航空发动机故障的原因往往是多方面的，而故障的发展也受多方面因素的影响。因此，航空发动机的故障诊断技术应是针对整个系统的综合诊断。现在已经投入实用的发动机故障监测与诊断系统大多功能单一，系统化、智能化水平低，诊断准确度不高。鉴于这种状况，今后发动机故障诊断技术将向以下方向发展：
　　实时化　　航空发动机安全性要求极高，工作状态瞬息万变。诊断系统要达到实时性，必须满足许多非常严格的要求，这在工程实践中可能是无法满足的。因而实时化不是死板地要求在线实时诊断，而是要提高诊断反应速度，尽量达到实时诊断，从而即提高诊断效率，又为维修策略的制定争取时间。
　　智能化　　诊断智能化的基本要求就是要在缺乏领域专家的情况下，仍然能够准确、迅速而自主地完成诊断任务；更高一步的要求是诊断系统能够在运行过程中，半自主甚至是全自主地学习吸收新的专家知识，从而自我完善。诊断智能化的同时也是诊断技术以及诊断系统在工程实践中推广应用的必备条件。
　　系统化　　诊断的系统化有两层含义。首先，对于某项监测诊断任务而言，由于具体故障可能显示出多种类型的征兆信息，可以采用的监测与诊断技术也很多，得到的初步诊断结果可能互相验证，也可能互相矛盾，因此必须强调多故障征兆信息的系统化融合诊断，以提高诊断准确度。其次，航空发动机可能同时存在多种故障，各种故障之间相互联系，相互影响，因此必须完成由传统的单故障诊断向多故障并行诊断的转变，同时能够区别对待局部故障和系统故障。
　　早期化　　发动机的故障可以分为原发型故障和诱导型故障，诊断系统的另一要求就是必须能够检测发动机全寿命期内的各种故障。通常发动机运行寿命早期发生原发型故障的可能性较小，此时一般存在各种潜在故障，并且显露出一定的故障征兆，这些潜在故障在以后的运行过程中由于工况的影响，会不断积累从而导致某些突发的诱导型故障产生。此时如果能够正确诊断，对发动机的有计划维修管理以及延寿都具有重要意义。
　　网络化　　网络化是故障诊断的重要发展方向。由于发动机故障及其表现形式非常复杂，为提高对疑难故障的诊断速度和准确性，充分利用资源降低监测和诊断成本，有必要发展、应用基于因特网的多Agent远程联合诊断技术。同时网络化的状态监测与故障诊断技术与先进的物流技术和维修管理技术相结合，又是降低发动机运行成本，提高经济性的有效手段。