淺析航空發動機機械磨損的故障探析

萬新民　張棟　張磊

摘 要：航空發動機機械磨損會直接影響發動機的運行效能，甚至會帶來更為嚴重的事故問題，因此采取措施降低機械磨損程度和故障問題發生，保證發動機的穩定性能和安全性十分重要。在這種情況下，研究發動機機械磨損的問題以及故障監控和診斷方法就成為相關工作者的當務之急。

關鍵詞：航空發動機 軸承磨損 零部件 故障

近年來，人們對于航空的安全和穩定運行性能要求越來越高，使得航空發動機系統愈加復雜和先進化。雖然復雜的發電機系統設計會提高整體的安全性，但是在飛行過程中如果突發故障很容易造成發動機失去控制或者造成嚴重的事故。大量發動機維修工作經驗表明，在發動機運轉過程中經常存在機械磨損的問題，這是影響發動機功能和正常運行的重要原因。基于此，對于航空發動機機械磨損的問題和故障維護措施研究就顯得極其重要。

一、航空發動機機械磨損過程及分類

（一）航空發動機機械磨損過程分析

通常情況下，在航空發動機中容易出現機械磨損的部位是軸承和齒輪，尤其在長時間使用后必須對這些容易磨損的部位進行檢查和維護。在本文中，以軸承磨損問題作為主要研究的問題。當發動機軸承處于高速運轉過程中，內部的零部件會在運轉過程中會產生摩擦，減少零件表面的彈性，最終發生不同程度損壞，影響軸承的性能。我們可以將發動機軸承機械磨損問題分成三個階段，下面對三個階段進行分析：首先是磨合階段。在磨合階段中，由于軸承的零部件表面粗糙程度會存在差異會影響兩個表面之間接觸面積的大小，接觸面積越小，相應的應力荷載就大，機械磨損就會較快，但通常情況下這一過程是在出廠前完成的。隨著磨合時間超長，兩表面磨合程度加深，軸承構件的接觸表面積會逐漸變大，并過度到穩定磨合階段[1]。其次，在穩定磨合階段中，磨損率和壽命都會趨于穩定，要想保證運轉效率，減少磨損故障對發電機產生的影響，這時可以用潤滑油或其他有效的方法都會減少偶發故障，保證發動機軸承的使用壽命。最后，在使用一段時間以后，發動機軸承磨損會進入到劇烈磨損階段。在這一階段中，發動機零部件的磨損速度和嚴重程度都會隨之加深，故障率也會呈現快速增加的趨勢，影響發動機的性能以及內部結構精度。由于磨損速度和程度都在增加，會造成發動機運轉過程中出現噪聲或振動的問題，嚴重情況會造成構件進入失效狀態，影響整體工作效率。

（二）航空發動機機械磨損分類

我們可以將航空發動機機械磨損問題分為三類，即疲勞磨損、磨屑磨損以及粘著磨損[2]。首先，疲勞磨損。疲勞磨損是航空發動機在運轉過程中發動機內部構件反復滑動和滾動造成構件表面疲勞的情況。比如，運轉過程中構件重復摩擦、加載以及卸載，長時間以后構件表面就會因為摩擦發生變形或裂紋，一旦達到最大限制后，甚至會出現表面大碎片剝落和凹坑的問題，并影響發動機正常工作。其次，磨屑磨損。磨屑磨損主要是發動機內構件表面存在的顆粒或者由于表面不同程度的粗糙導致滑動過程中出現斷裂或變形情況，導致構件表面出現損傷。粘著磨損是由于內部構件在滑動過程中造成的磨損問題，在反復磨損的情況下會產生疲勞作用，造成構件碎片的斷裂，稱之為磨屑[3]。此外，發動機運轉過程中在摩擦作用下也會使內部構件出現局部塑性變形的問題，而且會出現構件表面材料轉移的情況或者表面材料粘著到其他構件表面，其影響范圍會更大。

二、航空發動機機械磨損故障的監控方法與診斷技術

（一）故障監控方法

磁塞的作用在于收集滑油系統中因為機械磨損產生的磨屑，這樣就可以減少滑油系統中的磨屑對發動機運行產生的影響。其原理如下：將磁塞插入到發動機油箱或回路中，可以起到將滑油中磁性顆粒過濾的作用，但是為了保證磁塞的吸附作用必須由專人定期清理。同時，要求維修人員觀察、分析并準確片段磁塞過濾的磁性顆粒數量、大小等，可以將判斷結果作為發動機滑油是否需要更換的依據。一般來說，磁塞分析法在操作上比較簡單且有效，但缺點在于磁塞分析法只能用于過濾磁性顆粒，如果是非磁性顆粒則不能用該方法；其次，油液理化分析法。因為在使用過程中滑油可能會出現質量裂化并對其潤滑效果產生較大影響。所以，在對發動機檢查和維護過程中，維修人員必須做好對滑油油液的定期檢查。油液理化分析法簡單來說就是通過掌握滑油理化指標的變化情況分析其衰變特征，再考慮選擇合適的措施；再次，光譜分析法。該方法的優點在于可以讓維修人員及時發現內部構件的粘著磨損和故障問題，缺點在于不能及時發現疲勞磨損故障，而且相對來說光譜分析法對磨屑的判斷準確性很低；最后，鐵譜分析法。與光譜分析法不同，鐵譜分析法可以對磨屑進行定量和定性檢測，能夠更詳細了解磨屑的大小、顏色甚至是形態，還可以判斷磨屑的相對含量以及磨損程度。還有一點優勢在于鐵譜分析法可以用在故障的早期診斷中，而且即使在不拆卸發動機的情況下也可以準確判斷出發動機磨損的大致情況。該方法的缺點在于很難有效控制誤差，操作人員也需要掌握大量的實踐經驗以及較高水平的專業技術，一般在快速現場分析中不宜采用該方法。

（二）航空發動機機械磨損故障診斷技術

1.磨損監測儀器診斷技術

基于電子技術的發展，也推動了航空發動機機械磨損診斷儀器的研發，并且在磨損檢測中的運用越來越防范，比如常見的011view 監測器、PFC200、PLC-2000、MetalSCAN 監測器等等，可以實現對發動機油液的有效監控與分析。

2.專家系統診斷

在工程診斷領域中，專家系統的應用較為常見，也發揮了重要作用，甚至實現了智能化故障診斷，大大提高了診斷效率，并且在各方面都要強于傳統磨損故障診斷技術。同時，在具體應用中是以專家知識和經驗為基礎，實現對磨損故障的診斷，以及發動機壽命評估、故障預報和排除等等。

3. 磨損界限值制定技術

磨損界限值制定技術主要是油樣分析中的積分方法，經過大量實驗研究制定了發動機磨損元素的界限值指標并根據使用狀況和實際需要進行調整。一般在磨損診斷過程中經常用到理化分析、光譜分析以及鐵譜分析等方法。

結 語

綜上，航空發動機的安全性和穩定性至關重要，維修人員除了做好定期的檢查與維護工作以外，還需要多研究先進的故障診斷技術，實現智能化、網絡化診斷，提高故障診斷效率，切實保證航空發動機的安全穩定運行，為人們提供安全的出行條件。

參考文獻

[1] 葉文新.航空發動機機械磨損的故障診斷與風險評估[D].武漢理工學，2013.

[2] 戴沅均.航空發動機機械磨損的故障探析[J].中國設備工程，2017（24）：26-27.

[3] 李愛.航空發動機磨損故障智能診斷若干關鍵技術研究[D].南京航空航天大學，2013.