基于静电感应的航空发动机健康监测技术研究

景晓旭

摘要：航空发动机是飞机的重点部件，因此对航空发动机各系统的监测技术研究也十分重要，但是我国的发动机监测技术一直落后于先进国家。静电监测技术在航空发动机监测上的应用越来越多，因此对其了解与研究也必不可少。本文介绍了静电监测技术的原理，并简单较少了常见的航空发动机监测技术，最后对基于静电感应的三种航空发动机健康监测技术进行了简单介绍。

关键词：静电感应;航空发动机;健康监测

对航空发动机的监测工作十分重要且具有挑战性，监测技术的落后也导致这项工作不能完美进行。航空发动机监测工作有两个关键之处，第一，从发动机的众多传感器中收集数据并找出异常数据;第二，根据发动机系统的现状预测出其使用寿命并规定合适的时间进行检修工作。航空发动机的健康监测系统包含多个程序：传感器、数据采集与分析系统、异常检测程序、故障预测程序以及系统模型。健康监测系统代替了之前的计划维修工作，让航空发动机能够定时进行维修，使航空发动机的运行更加安全。

一、静电监测技术的原理

从现有资料来看，将静电监测技术应用于航空领域的研究不多，主要集中于气路、油路系统的监测研究。气路监测主要是排查气路系统部件中是否有异常颗粒物。气路系统中的异常颗粒一般来自进气道吸入物与系统部件摩擦碰撞、以及发动机非正常工作下产生的颗粒。气路静电传感器一般在发动机尾部喷管，通过静电变化来判断发动机是否出现故障。而静电的变化起源于发动机故障状态产生的颗粒接触或碰撞，或者高温异常状态所出现的电子发射以及固体断裂带电等情况。油路监测则主要探查发动机润滑油路中由于进入异常颗粒且使极其受损进而造成的颗粒电荷，通过电荷水平的高低进行分析。颗粒形成的主要原因是极其部件之间的磨损与疲劳损伤，颗粒与机器系统之间的接触、碰撞，系统内材料的分离以及双电层分离则会造成电荷的出现与波动。

在静电监测技术中所使用的传感器主要有传递式与感应式两种。传递式感应器的原理是将感應器直接置于监测环境中，需要与敏感元件和测量标的直接接触。感应式传感器则通过所携带的静电敏感元件监测电荷的产生与变化，进而做出判断。由于航空发动机的内部环境恶劣，传递式传感器在其内部难以接触测量标的，且航空发动机的系统部件结构复杂，安装困难，因此常用感应式传感器。

二、常见的航空发动机监测技术

科研工作者对航空发动机的状态监测的研究成果很多，基本对发动机每一个部件的监测都有所涉猎，这些研究成果保证了发动机飞行过程中的安全运行。此处笔者将介绍几种实践中常用的监测技术与诊断方法。

（一）发动机气路参数的健康监测与诊断技术

该方式的主要原理是根据航空发动机气路系统部件性能变化所引起的物理参数变化进行判断。航空发动机气路系统故障大多是由于叶片摩擦碰撞、材料损耗等问题积累所产生的，因此采用偏差较小的方式将复杂的非线性方程转化为线性方程能够提高研究的精度与操作性。但是该方式也与许多不足之处，首先，在一系列系统参数中，可监测数据明显少于不可监测数据，通过已知参数推断未知参数又十分困难;其次，气路系统的各种故障之间往往互相关联，因此难以鉴别故障的具体类型;最后，在监测过程中有许多干扰信号，参数的准确度也难以把握。

（二）发动机转子振动故障诊断技术

该技术的主要原理是通过监测发动机转子系统产生故障时的振动及其差异对转子系统的健康状况进行判断。发动机转子系统的振动取决于多项因素，因此系统状态监测以及故障诊断便更加困难。采用该技术进行故障诊断需要重点把握以下几项内容：第一，把握各种故障类型的特点，并进行理性分析;第二，提高对故障特征参数的采集与提取精度;第三，积累故障判断经验，制作规则库，开发智能诊断系统。

（三）发动机滑油磨粒状态监测诊断技术

该技术的基本诊断方式是通过获取并分析发动机的滑油中各种颗粒的数量、浓度、大小、类型等信息对发动机的油路系统进行判断。学者较为重视的方法主要有光谱分析、铁谱分析以及能谱分析。科学工作者目前主要的研究方向包括以下几点：第一，提高样本信息采集的效率与精准度，并致力于研发能在线监测并分析油样的仪器;第二，通过大量数据分析实验，建立资料库，致力于研发出智能诊断系统;第三，实现综合性诊断，提高诊断效率与诊断精度。

上述三种方式都是在发动机部件性能退化，系统出现故障并且情况已经较为严重时才能监测出结果。并不能对未知的故障进行预测，也无法满足实时监测的需求。因此静电感应监测技术才逐渐吸引了工作者的视线。

三、基于静电感应的航空发动机健康监测技术

（一）基于气路静电颗粒的健康监测技术

在正常工作状态下，发动机气路中的静电荷会保持在一个正常状态下，但是当发动机气路出现故障导致性能下降时，例如吸入外来物品、燃烧室或热端组件烧蚀、材料剥落等情况，则会出现静电荷异常的现象。根据以上原理，Stewart Hughes公司研究出了气路静电颗粒监测系统，用于检测发动机的健康状况。气路静电颗粒监测技术的应用主要集中在发动机吸入颗粒监测以及发动机尾喷颗粒监测两方面。

在进行发动机吸入颗粒监测时，需要将一对轴向安装的环状金属传感器安装在进气道的上游位置。进行发动机尾喷颗粒监测时，则需要将纽扣式传感器安装在尾喷上，同时保持感应面与内部衬垫对齐。这个两项监测一般同时进行，通过综合两项监测的数据来判断发动机吸入物对发动机的危害程度以及发动机气路故障的种类。

这两项监测系统分别在20世纪80年代和90年代申请了专利，但是长期以来都被业界认为不够成熟，直到现在也仍然存在不准确的问题。自20世纪末，这两项技术在联合攻击战斗机的发动机故障与健康管理台架试验中，也进行过少量的飞行实验，由此看来，这种技术至少是可行的。

（二）基于滑油静电特性的在线健康监测技术

发动机滑油油路中颗粒包含有：金属磨损颗粒、非金属磨损颗粒两大类。金属磨损颗粒是摩擦副严重磨损和发生故障的特征指示;非金属磨损颗粒包括油品衰败产物，燃烧产物和密封、过滤材料失效的产物;除此之外，还可能有少许污染物颗粒。

当滑油的性质由于污染物颗粒的影响而变质时，滑油油路中的带静电量随之而变。传感器信号的幅值

与最小方差值均与滑油流中的颗粒浓度、大小、性质相关。基于滑油静电特性的在线健康监测技术同样也是JSF动力装置PHM系统的一部分。该技术应用于OLS（OilLine Sensor）系统，具有直接测量故障产物和进行早期监测的优点。

该技术也是Stewart Hughes首先于1998年申请专利。随着绝缘涂层和混合轴承的应用，目前滑油在线监测技术（如磁塞式铁屑检测技术、电感式检测技术等）在监测细小微利和非金属微粒（如陶瓷颗粒）方面存在不足，而OLS系统可以弥补这些缺陷。滑油油路部件磨损初期开始就会有相当数量细屑，OLS系统的优势是可以监测大于20mm尺寸的细颗粒，对油路部件退化提供早期监测，并据此提出更灵活的维修计划。

（三）基于静电的轴承磨损在线监测技术

对发动机轴承的监测主要分为在线和离线两种。在线监测方法包括电感式检测技术、磁塞式铁屑监测技术等;离线监测技术比在线监测技术多一些，包括光学显微技术、滑油光谱分析（SOA）等等。不过这些技术都有各自的缺点，例如磁塞式铁屑传感器效率较低，对样本监测的连贯性不好，不能提供颗粒变化的实时趋势，对非铁类颗粒也无能为力;电感式传感器则只能监测金属颗粒，且对颗粒的大小要求严格，对小颗粒、非铁颗粒不敏感。

静电监测技术在轴承磨损监测上的应用原理与滑油静电监测技术相同。轴承运作过程中由于摩擦带电、表面电荷变化、摩擦发射等原因会产生电荷变化，静电监测技术则根据这些变化进行诊断。WSS系统的传感器置于早期失效的位置。该系统对飞行过程中极为重要且容易失效的部件的监测尤为有效。本世纪初，改技术被应用于进行锥形滚动轴承油液监测项目研究，并在销盘试验和FZG齿轮试验机上验证。

通過以上分析可以得知，静电感应监测技术在航空发动机健康监测方面的应用仍然处于新兴阶段，且存在一定问题，例如监测过程中需捕获的静电信号十分微弱，监测有困难;传感器感应的电荷量很小，对电气绝缘的要求很高;监测过程中的干扰信息很多，对屏蔽的要求较高，且信息处理的精度难以保证，这些问题需要更多的研究者努力改进。

参考文献：

[1]文振华.基于静电感应的航空发动机气路监测技术研究[D].南京航空航天大学，2009.

[2]王广侃.基于静电感应的航空发动机健康监测技术研究[D].南京航空航天大学，2018.

[3]李耀华.静电感应技术在航空发动机气路状态监测上的应用研究[D].南京航空航天大学，2011.

[4]徐一鸣.基于静电感应的航空发动机健康监测新技术[J].科协论坛（下半月），2008（04）：12.