景曉旭

摘要：航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的重點(diǎn)部件，因此對航空發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)研究也十分重要，但是我國的發(fā)動機(jī)監(jiān)測技術(shù)一直落后于先進(jìn)國家。靜電監(jiān)測技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)監(jiān)測上的應(yīng)用越來越多，因此對其了解與研究也必不可少。本文介紹了靜電監(jiān)測技術(shù)的原理，并簡單較少了常見的航空發(fā)動機(jī)監(jiān)測技術(shù)，最后對基于靜電感應(yīng)的三種航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：靜電感應(yīng);航空發(fā)動機(jī);健康監(jiān)測

對航空發(fā)動機(jī)的監(jiān)測工作十分重要且具有挑戰(zhàn)性，監(jiān)測技術(shù)的落后也導(dǎo)致這項工作不能完美進(jìn)行。航空發(fā)動機(jī)監(jiān)測工作有兩個關(guān)鍵之處，第一，從發(fā)動機(jī)的眾多傳感器中收集數(shù)據(jù)并找出異常數(shù)據(jù);第二，根據(jù)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀預(yù)測出其使用壽命并規(guī)定合適的時間進(jìn)行檢修工作。航空發(fā)動機(jī)的健康監(jiān)測系統(tǒng)包含多個程序：傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、異常檢測程序、故障預(yù)測程序以及系統(tǒng)模型。健康監(jiān)測系統(tǒng)代替了之前的計劃維修工作，讓航空發(fā)動機(jī)能夠定時進(jìn)行維修，使航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行更加安全。

一、靜電監(jiān)測技術(shù)的原理

從現(xiàn)有資料來看，將靜電監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的研究不多，主要集中于氣路、油路系統(tǒng)的監(jiān)測研究。氣路監(jiān)測主要是排查氣路系統(tǒng)部件中是否有異常顆粒物。氣路系統(tǒng)中的異常顆粒一般來自進(jìn)氣道吸入物與系統(tǒng)部件摩擦碰撞、以及發(fā)動機(jī)非正常工作下產(chǎn)生的顆粒。氣路靜電傳感器一般在發(fā)動機(jī)尾部噴管，通過靜電變化來判斷發(fā)動機(jī)是否出現(xiàn)故障。而靜電的變化起源于發(fā)動機(jī)故障狀態(tài)產(chǎn)生的顆粒接觸或碰撞，或者高溫異常狀態(tài)所出現(xiàn)的電子發(fā)射以及固體斷裂帶電等情況。油路監(jiān)測則主要探查發(fā)動機(jī)潤滑油路中由于進(jìn)入異常顆粒且使極其受損進(jìn)而造成的顆粒電荷，通過電荷水平的高低進(jìn)行分析。顆粒形成的主要原因是極其部件之間的磨損與疲勞損傷，顆粒與機(jī)器系統(tǒng)之間的接觸、碰撞，系統(tǒng)內(nèi)材料的分離以及雙電層分離則會造成電荷的出現(xiàn)與波動。

在靜電監(jiān)測技術(shù)中所使用的傳感器主要有傳遞式與感應(yīng)式兩種。傳遞式感應(yīng)器的原理是將感應(yīng)器直接置于監(jiān)測環(huán)境中，需要與敏感元件和測量標(biāo)的直接接觸。感應(yīng)式傳感器則通過所攜帶的靜電敏感元件監(jiān)測電荷的產(chǎn)生與變化，進(jìn)而做出判斷。由于航空發(fā)動機(jī)的內(nèi)部環(huán)境惡劣，傳遞式傳感器在其內(nèi)部難以接觸測量標(biāo)的，且航空發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，因此常用感應(yīng)式傳感器。

二、常見的航空發(fā)動機(jī)監(jiān)測技術(shù)

科研工作者對航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測的研究成果很多，基本對發(fā)動機(jī)每一個部件的監(jiān)測都有所涉獵，這些研究成果保證了發(fā)動機(jī)飛行過程中的安全運(yùn)行。此處筆者將介紹幾種實(shí)踐中常用的監(jiān)測技術(shù)與診斷方法。

（一）發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)的健康監(jiān)測與診斷技術(shù)

該方式的主要原理是根據(jù)航空發(fā)動機(jī)氣路系統(tǒng)部件性能變化所引起的物理參數(shù)變化進(jìn)行判斷。航空發(fā)動機(jī)氣路系統(tǒng)故障大多是由于葉片摩擦碰撞、材料損耗等問題積累所產(chǎn)生的，因此采用偏差較小的方式將復(fù)雜的非線性方程轉(zhuǎn)化為線性方程能夠提高研究的精度與操作性。但是該方式也與許多不足之處，首先，在一系列系統(tǒng)參數(shù)中，可監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯少于不可監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過已知參數(shù)推斷未知參數(shù)又十分困難;其次，氣路系統(tǒng)的各種故障之間往往互相關(guān)聯(lián)，因此難以鑒別故障的具體類型;最后，在監(jiān)測過程中有許多干擾信號，參數(shù)的準(zhǔn)確度也難以把握。

（二）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子振動故障診斷技術(shù)

該技術(shù)的主要原理是通過監(jiān)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生故障時的振動及其差異對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行判斷。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動取決于多項因素，因此系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷便更加困難。采用該技術(shù)進(jìn)行故障診斷需要重點(diǎn)把握以下幾項內(nèi)容：第一，把握各種故障類型的特點(diǎn)，并進(jìn)行理性分析;第二，提高對故障特征參數(shù)的采集與提取精度;第三，積累故障判斷經(jīng)驗，制作規(guī)則庫，開發(fā)智能診斷系統(tǒng)。

（三）發(fā)動機(jī)滑油磨粒狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)

該技術(shù)的基本診斷方式是通過獲取并分析發(fā)動機(jī)的滑油中各種顆粒的數(shù)量、濃度、大小、類型等信息對發(fā)動機(jī)的油路系統(tǒng)進(jìn)行判斷。學(xué)者較為重視的方法主要有光譜分析、鐵譜分析以及能譜分析?？茖W(xué)工作者目前主要的研究方向包括以下幾點(diǎn)：第一，提高樣本信息采集的效率與精準(zhǔn)度，并致力于研發(fā)能在線監(jiān)測并分析油樣的儀器;第二，通過大量數(shù)據(jù)分析實(shí)驗，建立資料庫，致力于研發(fā)出智能診斷系統(tǒng);第三，實(shí)現(xiàn)綜合性診斷，提高診斷效率與診斷精度。

上述三種方式都是在發(fā)動機(jī)部件性能退化，系統(tǒng)出現(xiàn)故障并且情況已經(jīng)較為嚴(yán)重時才能監(jiān)測出結(jié)果。并不能對未知的故障進(jìn)行預(yù)測，也無法滿足實(shí)時監(jiān)測的需求。因此靜電感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)才逐漸吸引了工作者的視線。

三、基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測技術(shù)

（一）基于氣路靜電顆粒的健康監(jiān)測技術(shù)

在正常工作狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)氣路中的靜電荷會保持在一個正常狀態(tài)下，但是當(dāng)發(fā)動機(jī)氣路出現(xiàn)故障導(dǎo)致性能下降時，例如吸入外來物品、燃燒室或熱端組件燒蝕、材料剝落等情況，則會出現(xiàn)靜電荷異常的現(xiàn)象。根據(jù)以上原理，Stewart Hughes公司研究出了氣路靜電顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，用于檢測發(fā)動機(jī)的健康狀況。氣路靜電顆粒監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用主要集中在發(fā)動機(jī)吸入顆粒監(jiān)測以及發(fā)動機(jī)尾噴顆粒監(jiān)測兩方面。

在進(jìn)行發(fā)動機(jī)吸入顆粒監(jiān)測時，需要將一對軸向安裝的環(huán)狀金屬傳感器安裝在進(jìn)氣道的上游位置。進(jìn)行發(fā)動機(jī)尾噴顆粒監(jiān)測時，則需要將紐扣式傳感器安裝在尾噴上，同時保持感應(yīng)面與內(nèi)部襯墊對齊。這個兩項監(jiān)測一般同時進(jìn)行，通過綜合兩項監(jiān)測的數(shù)據(jù)來判斷發(fā)動機(jī)吸入物對發(fā)動機(jī)的危害程度以及發(fā)動機(jī)氣路故障的種類。

這兩項監(jiān)測系統(tǒng)分別在20世紀(jì)80年代和90年代申請了專利，但是長期以來都被業(yè)界認(rèn)為不夠成熟，直到現(xiàn)在也仍然存在不準(zhǔn)確的問題。自20世紀(jì)末，這兩項技術(shù)在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)故障與健康管理臺架試驗中，也進(jìn)行過少量的飛行實(shí)驗，由此看來，這種技術(shù)至少是可行的。

（二）基于滑油靜電特性的在線健康監(jiān)測技術(shù)

發(fā)動機(jī)滑油油路中顆粒包含有：金屬磨損顆粒、非金屬磨損顆粒兩大類。金屬磨損顆粒是摩擦副嚴(yán)重磨損和發(fā)生故障的特征指示;非金屬磨損顆粒包括油品衰敗產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物和密封、過濾材料失效的產(chǎn)物;除此之外，還可能有少許污染物顆粒。

當(dāng)滑油的性質(zhì)由于污染物顆粒的影響而變質(zhì)時，滑油油路中的帶靜電量隨之而變。傳感器信號的幅值

與最小方差值均與滑油流中的顆粒濃度、大小、性質(zhì)相關(guān)。基于滑油靜電特性的在線健康監(jiān)測技術(shù)同樣也是JSF動力裝置PHM系統(tǒng)的一部分。該技術(shù)應(yīng)用于OLS（OilLine Sensor）系統(tǒng)，具有直接測量故障產(chǎn)物和進(jìn)行早期監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。

該技術(shù)也是Stewart Hughes首先于1998年申請專利。隨著絕緣涂層和混合軸承的應(yīng)用，目前滑油在線監(jiān)測技術(shù)（如磁塞式鐵屑檢測技術(shù)、電感式檢測技術(shù)等）在監(jiān)測細(xì)小微利和非金屬微粒（如陶瓷顆粒）方面存在不足，而OLS系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這些缺陷?；陀吐凡考p初期開始就會有相當(dāng)數(shù)量細(xì)屑，OLS系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以監(jiān)測大于20mm尺寸的細(xì)顆粒，對油路部件退化提供早期監(jiān)測，并據(jù)此提出更靈活的維修計劃。

（三）基于靜電的軸承磨損在線監(jiān)測技術(shù)

對發(fā)動機(jī)軸承的監(jiān)測主要分為在線和離線兩種。在線監(jiān)測方法包括電感式檢測技術(shù)、磁塞式鐵屑監(jiān)測技術(shù)等;離線監(jiān)測技術(shù)比在線監(jiān)測技術(shù)多一些，包括光學(xué)顯微技術(shù)、滑油光譜分析（SOA）等等。不過這些技術(shù)都有各自的缺點(diǎn)，例如磁塞式鐵屑傳感器效率較低，對樣本監(jiān)測的連貫性不好，不能提供顆粒變化的實(shí)時趨勢，對非鐵類顆粒也無能為力;電感式傳感器則只能監(jiān)測金屬顆粒，且對顆粒的大小要求嚴(yán)格，對小顆粒、非鐵顆粒不敏感。

靜電監(jiān)測技術(shù)在軸承磨損監(jiān)測上的應(yīng)用原理與滑油靜電監(jiān)測技術(shù)相同。軸承運(yùn)作過程中由于摩擦帶電、表面電荷變化、摩擦發(fā)射等原因會產(chǎn)生電荷變化，靜電監(jiān)測技術(shù)則根據(jù)這些變化進(jìn)行診斷。WSS系統(tǒng)的傳感器置于早期失效的位置。該系統(tǒng)對飛行過程中極為重要且容易失效的部件的監(jiān)測尤為有效。本世紀(jì)初，改技術(shù)被應(yīng)用于進(jìn)行錐形滾動軸承油液監(jiān)測項目研究，并在銷盤試驗和FZG齒輪試驗機(jī)上驗證。

通過以上分析可以得知，靜電感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測方面的應(yīng)用仍然處于新興階段，且存在一定問題，例如監(jiān)測過程中需捕獲的靜電信號十分微弱，監(jiān)測有困難;傳感器感應(yīng)的電荷量很小，對電氣絕緣的要求很高;監(jiān)測過程中的干擾信息很多，對屏蔽的要求較高，且信息處理的精度難以保證，這些問題需要更多的研究者努力改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]文振華.基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動機(jī)氣路監(jiān)測技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2009.

[2]王廣侃.基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2018.

[3]李耀華.靜電感應(yīng)技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)氣路狀態(tài)監(jiān)測上的應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2011.

[4]徐一鳴.基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測新技術(shù)[J].科協(xié)論壇（下半月），2008（04）：12.