航空发动机机械磨损故障的诊断研究

张成玉

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

0 引言

航空飞行器的主要动力即为发动机系统，发动机系统若出现问题，将使航空飞行器飞行安全性大幅度降低。发动机在服役过程中磨损问题几乎难以避免，因机械磨损而引发的发动机故障是航空检修维护中的常见问题。必须对机械磨损故障加强重视，采用合适的诊断方法对其进行故障寻因，科学应对，使航空发动机处于平稳运行状态，保障航空器飞行安全。

1 机械磨损故障

在航空发动机中，最易发生机械磨损故障的部位为轴承和齿轮，因为在发动机运作时，该部位动作最为频繁，摩擦最严重。零部件的表面材料具有一定的弹性，但是这种弹性在长期运作中会因为各种原因减弱或消失。在发动机最初投入使用时，零部件接触表面有限，机械磨损增多后，接触面会扩大，机械磨损逐渐稳定，同时发动机的性能会下降。机械磨损必须及时处理和解决，否则会对发动机造成严重危害，留下飞行隐患[1]。

2 发动机作用原理

发动机进入工作状态后，发动机的轴承和与其相连接的齿轮迅速运行，带动压气机中的叶片，为航空飞行器提供动力。被压缩的空气被送进燃烧室中和燃油发生混合作用，充分燃烧，燃烧生成的高温气体促使涡轮叶片按照指定方式运转，为航空飞行器运行提供推力。在此过程中，热能被转化为动能，航空飞行器在此动力作用下飞行前进。设备启动初期，压气机转子压缩空气，涡轮转子的轴承进入运转状态，并为滑油系统中的增压泵设备供给电能。滑油被送往轴承和齿轮，起到润滑作用。若该润滑不到位或不及时，则会导致部件干摩擦，发生机械磨损。

3 常见机械磨损类型

3.1 粘着磨损

粘着磨损是指发动机在运行时，其中的不同部件平面发生了摩擦，出现了滑动式接触，在此接触过程中即使存在润滑，也会出现不同程度的粘着磨损。若两个平面之间没有润滑，是直接的干摩擦，磨损一般较为严重。部件滑动中，会在接触点位置彼此之间出现剪切影响，部件碎片在此作用力下被动剥落，并被粘着在与其接触的微凸体表面。若此时机械运行并未停止，滑动过程持续进行，则该碎片将重复这一动作，回归原部件表面；若粘着不够紧密，碎片脱离掉落，则成为磨屑。

关于滑动磨损的初始发生位置，研究界存在几种不同意见。其中，很多人支持滑动磨损最初是从发动机较为薄弱的位置发生，且通常情况下，材料从原部件中撕裂时，这种作用力大于粘着强度，此时故障应归属于剪切故障，不应归属于磨损故障。也有人认为，因为塑性剪切持续作用，所以出现磨损碎片，此过程中发生周期性载荷影响，结点部位发生焊合作用，结点材料发生转移运动。粘着磨损有不同的级别划分，这种划分便是基于表面破损的情况而定。高温和高负荷易加剧磨损故障发生。

3.2 磨屑磨损

发动机表面情况复杂，有些部位较为粗糙，有些则为软表面。在发动机运行过程中，这些表面可能出现塑性变形，有时还会发生断裂。在进行机械加工时极易出现碎屑，摩擦部位的表面也会出现磨屑。硬度较强的部件表面会对其他与之接触的部分造成磨损，磨损是发动机磨合期不可避免的问题，因为金属磨削发生的要求不同，所以损伤原理也存在一定差异。强度较低的材料在发生微切削时，极易发生崩落，磨料颗粒也会对金属表面造成影响，为其带来疲劳损坏。金属在发生频繁的应变之后，也会出现疲劳损坏。磨料颗粒还可能导致金属表面出现压痕。

3.3 疲劳磨损

疲劳磨损是发动机在高强度工作中，表层产生疲劳迹象，因为不断重复运行中的动作，接触面所受疲劳值超过应力，出现碎片剥离，并造成发动机表面点蚀。循环阈值不具有固定性，往往也无从预测，通常在超过阈值限度后，这种磨损作用才会显现，疲劳磨损的特殊性正在于此。疲劳磨损并非立竿见影的破坏，而是渐进式的变化，与所服役时间成正比，最后导致所有零部件失去应有效用，即为扩展性疲劳。发动机疲劳情况抵达一定限度后的磨损，则为接触疲劳磨损。滑油系统即是通过不同方式缓解发动机在运行中的部件摩擦，降低磨损危害。

4 机械磨损诊断

4.1 遗传优化算法

使用遗传优化算法进行发动机故障检测，诊断机械磨损问题，优点在于可操作性强，可以迅速锁定故障问题，进行故障诊断；缺点在于运用此方法进行运算诊断时，若需要求解的问题为非线性问题，极易出现早熟情况，局部极值很难从中求得。在当前诊断技术应用中，支持向量机广为应用，该种诊断技术主要是检测适用度已经不符合平均水平的零部件，变异率相对较高，通过这种技术手段对高维空间采取线性规则进行划分。该种检测技术对惩罚参数和核参数都有极高的要求，因此在磨损故障诊断中诊断结果的精度较低。

使用遗传算法优化支持向量机检测，确定必要参数并对参数进行记录。使用该方法进行诊断时，应从遗传算法中筛选出精准参数，结合支持向量机检测，因为遗传算法具有种群初始化的特点，所以在进行诊断计算时，采用支持向量机检测与算法功能结合的方式，可以弥补参数精度不足，提升整体计算诊断准确性。支持向量机需要提升编码水平，方可更有效地应用于故障诊断中，通过优化确定更加精准的参数区间，核参数和惩罚参数都是在该过程中具有重大影响的参数，必须通过二进制的编码方式构建全新的编码组，使惩罚参数区间为0～100，核参数区间为1～1000。适应度函数可使遗传优化算法更好地融合支持向量机检测，采用交叉验证法可验证适应度函数的可靠性。

为确保检测获得的参数精准，必须使用设备核查验证相关数据，如使用监测器或者其他诊断设备等，当前已经有许多检验设备可供选择，其中011vive 监测器可靠性较高，且操作也较为便捷，PEC200 也是具有一定应用性的选择。借助这些先进的监测设备，可实时检测发动机工作状态，及时发现其运行中的异常或故障，可提升发动机故障检测的准确性和效率[2]。

4.2 基于ABC-BP 模型的神经网络诊断

在发动机磨损故障诊断的众多方法中，通过ABC-BP 建立模型的方法，采取神经网络检测，可获得相对精准的诊断结果。该检测技术是以误差后向传播原理为基础的算法检测，在此算法基础上的反馈网络检测可以良好地进行内部适应，可将检测到的信息迅速分类，收敛过程也只需要耗费较短的时间。使用该种诊断技术，可使故障诊断更具有可靠性。

在使用该检测技术应用中，BP（Back Propagation，反向传播）神经网络原有缺陷在融入ABC（Artificial Bee Colony，人工蜂群）算法之后得到有效优化。BP 神经网络在运行过程中会出现一些误差，这些误差可能对结果准确性造成影响。但融入ABC 算法之后，误差函数会作为人工蜂群中的适应度函数来使用，因为人工蜂群不仅可以进行局部搜索，而且可以实施全局搜索，从而进行更迅速、更有成效的故障诊断。所谓人工蜂群算法，是研究人员从自然界蜜蜂集体外出觅食的行为中得到启发，从而创建的一种算法。这种算法的优点是全局搜索和局部搜索都可执行。利用BP 神经网络，结合ABC 算法，进行磨损故障诊断，需要按照一定的步骤进行[3]。

采集磨损故障样本数据，对样本数据进行归类处理，以科学手段分析数据。调整BP 神经网络的相关参数，保证其参数未初始化状态，在该部分中，应把磨损检测所依据的参数录入训练样本中。人工蜂群也进行参数初始化处理，设定所需参数，设置磨损最优参数，设定最大磨损迭代的可能性次数，然后设定计算均方的误差数据，最后还需要设定适应度函数。采用ABC 算法计算磨损程度，在此过程中得到计算的阈值和权值，以这两个值为基础，实施故障诊断判定。输入磨损样品的相关信息，计算存在的误差，根据误差情况做出判断，确定磨损故障是否存在。若误差存在，则应逆传播该误差，采取梯度下降的原则，修正阈值和权值，使其数据准确。若检测误差与全局误差标准并未违和，即可计算输出层的相关数据，完成诊断过程。

4.3 滑油分析诊断

在对发动机进行机械磨损故障的诊断时，最大的阻碍因素即是发动机无法拆卸，检修工作受限。航空发动机具有较为复杂的构成，磨损故障排查工作量大，而且不易实施。滑油分析就是基于此难题而出现的磨损故障诊断方法。在发动机中有许多设备在运行中为降低磨损程度，需要对其冷却，并进行润滑，滑油系统即是发挥此种作用。滑油的成分与发动机部件磨损情况密切相关，分析其成分，即可对机械磨损情况做出诊断，然后根据诊断结果安排后续的维护检修工作。滑油可有效减少齿轮部位和轴承部分的摩擦，降低部件损耗，若滑油成分中金属含量明显提升，一般可说明发动机中有部件出现较为严重的机械磨损。

光谱和铁谱分析都是常见的滑油分析手段。运用铁谱分析时，通过高梯度强磁场的作用，机械磨损产生的颗粒物质和碎屑等可被提取，检验分析这些物质的规格和所含有的成分等，可以对发动机的磨损情况产生更客观的认识，从而决定是否需要进行部件更换等。该诊断方法为微观分析，可对机械磨损产生的碎屑进行差异化分析，使磨损故障检测结果更加直观，可靠性更强。光谱分析则是在对滑油进行分析时，重点关注其中金属的含量和种类，以此来判断机械磨损情况。在进行光谱分析时，样本以时间为依据排列，使样本模型具有更优越的应用性能。不同金属元素具有不同的波长，强度也存在一定差异，通过对波长与强度的分析，可以定位故障发生位置和故障具体情况。AAS（Atomic Absorption Spectroscopy，原子吸收光谱法）、AES（Atomic Emission Spectrometry，原子发射光谱法）和XRF（X Ray Fluorescence，X 射线荧光光谱分析法）都是应用效果较好的光谱分析方法，这些技术可对20 种左右的金属元素进行分析，而且精度可达0.01 μg/g，最快分析速度下仅需30 s 即可完成。若金属部件发生磨损，则部件金属元素会和常规状态的元素变化情况出现差异，检修人员围绕该问题深入分析，即可获得磨损故障诊断结果[4]。

5 结论

经过科学诊断出现故障的航空发动机可知，发动机常见机械磨损故障并非仅限于一种情况，想要明确故障发生的情况和原因，必须采用科学的诊断方法，并针对性地加强航空发动机的维护与检修，确保发动机无故障运行，在必要时及时更换部件，避免使用机械磨损过度、无法发挥应有性能的发动机，可提升航空安全指数，减少航班延误情况。