航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置安全性失效因素分析

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置是一種防止航空發(fā)動(dòng)機(jī)因發(fā)生滑油污染而造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障的報(bào)警裝置，其性能好壞直接影響潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性。本文根據(jù)污染預(yù)警裝置進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析，給出了預(yù)警裝置的失效模式及因素分析，確定了污染預(yù)警裝置故障判據(jù)的嚴(yán)酷度級(jí)別，提供了污染預(yù)警裝置失效判定準(zhǔn)則，提出了污染預(yù)警裝置失效判定流程，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑系統(tǒng)；污染預(yù)警裝置；嚴(yán)酷度；失效判定準(zhǔn)則；失效判定流程

Keywords： lubrication system；pollution warning device；severity level；failure judgment criterion；failure judgment process

0 引言

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有高速、高溫、高壓的特點(diǎn)，在這種惡劣的工況下，為保障發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)要求具備良好的可靠性[1]。潤(rùn)滑系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部位之一，工作時(shí)將一定壓力、溫度的滑油連續(xù)地供到摩擦零件的表面，減少零件的摩擦和磨損，且流動(dòng)的過(guò)程中能夠清除磨屑等雜質(zhì)，帶走摩擦表面的熱量，起到清潔和冷卻作用。然而，當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)生污染且到達(dá)一定程度仍未發(fā)現(xiàn)，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能造成嚴(yán)重的影響。因此，保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的安全可靠顯得至關(guān)重要。潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置是一種防止在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)因發(fā)生滑油污染而造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障的報(bào)警裝置[2]。本文通過(guò)對(duì)污染預(yù)警裝置的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置安全性失效因素展開(kāi)分析，給出預(yù)警裝置的判定準(zhǔn)則，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和耐久性評(píng)估提供指導(dǎo)。

1 污染預(yù)警裝置功能結(jié)構(gòu)分析

1.1 預(yù)警裝置功能需求分析

潤(rùn)滑系統(tǒng)污染物會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性產(chǎn)生影響，因此需要相應(yīng)的污染預(yù)警裝置對(duì)污染物報(bào)警[3]。預(yù)警裝置是一種行之有效的防止發(fā)動(dòng)機(jī)故障的方法，一方面，它可以保障發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的安全性和可靠性，防止突發(fā)機(jī)械事故，同時(shí)迅速而準(zhǔn)確地確定故障的部位及其嚴(yán)重程度；另一方面，可以最大限度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)的分解次數(shù)和分解范圍，從而保持其運(yùn)動(dòng)精度，合理延長(zhǎng)其使用壽命，并且大大降低維修費(fèi)用[4，5]。

1.2 污染預(yù)警裝置結(jié)構(gòu)分析

污染預(yù)警裝置由兩部分構(gòu)成：壓差告警和磁堵。如圖1所示，壓差告警裝置和磁堵裝置位于滑油濾中。

壓差告警結(jié)構(gòu)由旁通閥、密封圈、濾芯、下殼體、壓差信號(hào)器、擋圈等零組件組成（見(jiàn)圖2）。產(chǎn)品正常工作時(shí)工作液由進(jìn)油處進(jìn)入下殼體內(nèi)，經(jīng)濾芯過(guò)濾后到達(dá)出口，進(jìn)入系統(tǒng)。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，濾芯吸納的污染物越來(lái)越多，造成濾芯進(jìn)出口的壓差越來(lái)越大，當(dāng)濾芯進(jìn)出口壓差達(dá)到0.3～0.42MPa時(shí)，信號(hào)器發(fā)出指示信號(hào)，提示地勤人員應(yīng)及時(shí)更換濾芯。若無(wú)法及時(shí)更換濾芯，濾芯兩端的壓差繼續(xù)增加，當(dāng)壓差達(dá)到0.7～0.8MPa時(shí)旁通閥打開(kāi)，油液不經(jīng)濾芯過(guò)濾直接進(jìn)入系統(tǒng)，以免系統(tǒng)斷流，旁通閥上設(shè)有較粗的過(guò)濾元件，可以對(duì)油液進(jìn)行粗過(guò)濾。

壓差預(yù)警功能框圖如圖3所示。其中，防漏裝信號(hào)器是壓差信號(hào)器的功能之一，當(dāng)油濾漏裝濾芯時(shí)，信號(hào)器也能發(fā)出指示信號(hào)。

磁堵主要用于探測(cè)滑油系統(tǒng)部件的內(nèi)部狀況（如內(nèi)部磨損），例如，CFM56-5B41P有一個(gè)主磁堵探測(cè)器和一個(gè)配套的跳出式目視指示器，指示器是一個(gè)可拆卸的電器式磁性堵頭，兩個(gè)磁鐵中間分開(kāi)，正常情況下作為開(kāi)路的電接觸器。當(dāng)滑油中出現(xiàn)的金屬屑/沫將兩個(gè)磁鐵間的間隙填滿，電接觸器閉合，發(fā)出電信號(hào)，傳至跳出式目視指示器，觸發(fā)紅色的跳出式指示器跳出。這樣，當(dāng)?shù)孛婢S護(hù)人員在短停、航后打開(kāi)滑油箱接近口蓋時(shí)，可以看到該指示并視情采取進(jìn)一步的措施。

2 污染預(yù)警裝置失效模式及因素分析

2.1 預(yù)警裝置失效模式

如果航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中出現(xiàn)污染但污染預(yù)警裝置沒(méi)有發(fā)出告警信息，說(shuō)明該裝置出現(xiàn)了失效，失效原因可能是多方面的。常見(jiàn)的失效模式有自然物理失效、工作失效和老化失效三大類[6，7]，而在實(shí)際應(yīng)用中不同階段的失效往往是一種或幾種失效模式的綜合[8，9]。污染預(yù)警裝置失效模式包括濾網(wǎng)破損、旁通閥不正常開(kāi)啟、壓差信號(hào)器指示、壓力偏離規(guī)定值、防漏裝信號(hào)器低溫誤指示、防漏裝信號(hào)器外部滲漏油、滑油濾外部滲漏油等。

2.2 壓差告警失效分析

壓差告警裝置主要由永磁鐵、大小彈簧構(gòu)成，故壓差告警裝置失效一般表現(xiàn)為永磁鐵和大小彈簧失效。失效現(xiàn)象包括：

1）兩個(gè)磁鐵磁性減弱，磁力下降；

2）磁鐵出現(xiàn)腐蝕坑；

3）磁鐵磨損；

4）磁鐵斷裂坑。

自然狀態(tài)下磁性基本上不會(huì)減弱，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中磁性減弱的失效因素主要包括：

1）高溫或低溫；

2）形變；

3）振動(dòng)沖擊與鐵磁性吸放；

4）氧化銹蝕。

2.3 磁堵失效

磁堵失效模式有兩種：磁性減弱和信號(hào)指示器開(kāi)路故障。影響磁性的因素包括：

1）高溫或低溫；

2）形變；

3）振動(dòng)沖擊與鐵磁性吸放；

4）氧化銹蝕。

影響信號(hào)指示器的因素包括：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的線路開(kāi)路；

2）高溫引起的線路開(kāi)路；

3）滑油泄露引起的線路短路。

3 污染預(yù)警裝置失效判定

3.1 失效判定方法

產(chǎn)品故障嚴(yán)酷度等級(jí)判定準(zhǔn)則如表1所示。依據(jù)產(chǎn)品故障嚴(yán)酷度等級(jí)判定準(zhǔn)則，可分別對(duì)濾網(wǎng)破損、旁通閥不正常開(kāi)啟、壓差信號(hào)器指示壓力偏離規(guī)定值、壓差信號(hào)器低溫誤報(bào)警、壓差信號(hào)器外部滲漏油、外部滲漏油進(jìn)行故障判定。

濾網(wǎng)破損故障判據(jù)：濾芯破損后，濾芯的結(jié)構(gòu)完整性被破壞。該故障會(huì)造成產(chǎn)品的過(guò)濾效率降低，表現(xiàn)為系統(tǒng)下游污染度提高，引起產(chǎn)品性能降低，嚴(yán)酷度等級(jí)屬于Ⅳ級(jí)。

旁通閥不正常開(kāi)啟故障判據(jù)：旁通閥不正常開(kāi)啟（包括提前開(kāi)啟或滯后開(kāi)啟），超出0.7～0.8MPa范圍。若提前開(kāi)啟會(huì)使部分未經(jīng)過(guò)濾的油液進(jìn)入下游系統(tǒng)，表現(xiàn)為系統(tǒng)下游污染度提高。若滯后開(kāi)啟，會(huì)造成產(chǎn)品進(jìn)出口壓降增大。兩種情況均引起產(chǎn)品性能降低，嚴(yán)酷度等級(jí)屬于Ⅳ級(jí)。

壓差信號(hào)器指示壓力偏離規(guī)定值故障判據(jù)：性能檢測(cè)表現(xiàn)為指示壓力不在0.3～0.42MPa范圍內(nèi)。該故障會(huì)造成壓差指示器監(jiān)控濾芯的污染狀況有偏差，表現(xiàn)為壓差指示器頻繁報(bào)警或報(bào)警間隔延長(zhǎng)。該故障會(huì)引起產(chǎn)品的非計(jì)劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級(jí)屬于Ⅳ級(jí)。

壓差信號(hào)器低溫誤報(bào)警故障判據(jù)：該故障表現(xiàn)為在溫度低于37℃時(shí)，當(dāng)濾芯前后壓差達(dá)到0.3～0.42MPa時(shí)，防漏裝信號(hào)器告警指示。在溫度低于37℃時(shí)，由于油液粘度增大，會(huì)使濾芯前后壓差達(dá)到0.3～0.42MPa范圍內(nèi)，但這不是濾芯堵塞造成的，若此時(shí)信號(hào)器告警，會(huì)引起產(chǎn)品的非計(jì)劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級(jí)屬于Ⅳ級(jí)。

壓差信號(hào)器外部滲漏油故障判據(jù)：該故障表現(xiàn)為產(chǎn)品在使用過(guò)程中油液從信號(hào)器端部向外滲漏。該故障會(huì)引起產(chǎn)品的非計(jì)劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級(jí)屬于Ⅳ級(jí)。

外部滲漏油故障判據(jù)：產(chǎn)品外部滲漏油表現(xiàn)為產(chǎn)品在使用過(guò)程中油液從殼體與主機(jī)連接處向外滲漏油。該故障會(huì)引起產(chǎn)品的非計(jì)劃性維護(hù)或維修，嚴(yán)酷度等級(jí)屬于Ⅳ級(jí)。

1）壓差告警失效判定

壓差告警裝置的彈出由滑油壓差控制。若壓差到達(dá)一定程度而壓差告警裝置沒(méi)有發(fā)出警告即壓差指示器未彈出，說(shuō)明壓差告警裝置失效。判斷壓差告警裝置失效的原則是檢查滑油油濾前后壓力傳感器的壓差是否到一定程度。

2）磁堵失效判定

由磁堵工作原理可知，當(dāng)磁堵探測(cè)和吸附的金屬屑到一定程度時(shí)，兩個(gè)磁極電路導(dǎo)通，從而發(fā)出警告。因此，判斷磁堵失效的原則是磁堵上吸附了大量的金屬屑而兩個(gè)磁極電路卻不導(dǎo)通。

3.2 失效判定輸入

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置中壓差告警和磁堵失效判定準(zhǔn)則，其判定輸入分別為壓差是否超限、電路是否導(dǎo)通。

3.3 失效判定流程

圖5所示為失效判定流程，從圖中可知判定流程分為6個(gè)部分：失效情況調(diào)查、鑒別失效模式、失效特征描述、失效機(jī)理分析、分析實(shí)質(zhì)原因、提交失效判定報(bào)告。

4 總結(jié)

潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置是一種防止航空發(fā)動(dòng)機(jī)因發(fā)生滑油污染而造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障的報(bào)警裝置。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)污染預(yù)警裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，找出了預(yù)警裝置的故障模式、故障發(fā)生的原因，得出污染預(yù)警裝置的失效判定準(zhǔn)則的方法，給出了污染預(yù)警裝置故障判據(jù)的嚴(yán)酷度級(jí)別，提供了污染預(yù)警裝置失效判定流程。本研究有利于為預(yù)警裝置失效制定補(bǔ)救措施，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和耐久性評(píng)估提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 范向陽(yáng).發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系的研究[D].太原理工大學(xué)，2003.

[2] 涂群章，左洪福，李艷軍.發(fā)動(dòng)機(jī)磨損顆粒圖像在線檢測(cè)技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24（5）：70-73.

[3] 左洪福.發(fā)動(dòng)機(jī)磨損狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996.

[4] 范作民，孫春林，白杰.航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5] 王強(qiáng)，嚴(yán)駿，龔烈航.發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油污染狀況的快速分析與監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)工程概述，1997（4）：38-42.

[6] 鮑秀峰.軍用集成電路典型失效模式分析與改進(jìn)措施研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[7] 黃運(yùn)安，張亞，李波.基于高溫高過(guò)載下電子元器件參數(shù)變化研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，19（4）：1006-1008.

[8] 魏選平，卞樹(shù)植.故障樹(shù)分析法及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2004（3）：43-45.

[9] 張延偉.電子元器件破壞性物理分析中幾個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題的分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2002（1）：30-33.

作者簡(jiǎn)介

朱日興，碩士，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定技術(shù)。