張成玉

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

0 引言

航空飛行器的主要動力即為發(fā)動機系統(tǒng)，發(fā)動機系統(tǒng)若出現(xiàn)問題，將使航空飛行器飛行安全性大幅度降低。發(fā)動機在服役過程中磨損問題幾乎難以避免，因機械磨損而引發(fā)的發(fā)動機故障是航空檢修維護中的常見問題。必須對機械磨損故障加強重視，采用合適的診斷方法對其進行故障尋因，科學(xué)應(yīng)對，使航空發(fā)動機處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，保障航空器飛行安全。

1 機械磨損故障

在航空發(fā)動機中，最易發(fā)生機械磨損故障的部位為軸承和齒輪，因為在發(fā)動機運作時，該部位動作最為頻繁，摩擦最嚴重。零部件的表面材料具有一定的彈性，但是這種彈性在長期運作中會因為各種原因減弱或消失。在發(fā)動機最初投入使用時，零部件接觸表面有限，機械磨損增多后，接觸面會擴大，機械磨損逐漸穩(wěn)定，同時發(fā)動機的性能會下降。機械磨損必須及時處理和解決，否則會對發(fā)動機造成嚴重危害，留下飛行隱患[1]。

2 發(fā)動機作用原理

發(fā)動機進入工作狀態(tài)后，發(fā)動機的軸承和與其相連接的齒輪迅速運行，帶動壓氣機中的葉片，為航空飛行器提供動力。被壓縮的空氣被送進燃燒室中和燃油發(fā)生混合作用，充分燃燒，燃燒生成的高溫氣體促使渦輪葉片按照指定方式運轉(zhuǎn)，為航空飛行器運行提供推力。在此過程中，熱能被轉(zhuǎn)化為動能，航空飛行器在此動力作用下飛行前進。設(shè)備啟動初期，壓氣機轉(zhuǎn)子壓縮空氣，渦輪轉(zhuǎn)子的軸承進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并為滑油系統(tǒng)中的增壓泵設(shè)備供給電能?；捅凰屯S承和齒輪，起到潤滑作用。若該潤滑不到位或不及時，則會導(dǎo)致部件干摩擦，發(fā)生機械磨損。

3 常見機械磨損類型

3.1 粘著磨損

粘著磨損是指發(fā)動機在運行時，其中的不同部件平面發(fā)生了摩擦，出現(xiàn)了滑動式接觸，在此接觸過程中即使存在潤滑，也會出現(xiàn)不同程度的粘著磨損。若兩個平面之間沒有潤滑，是直接的干摩擦，磨損一般較為嚴重。部件滑動中，會在接觸點位置彼此之間出現(xiàn)剪切影響，部件碎片在此作用力下被動剝落，并被粘著在與其接觸的微凸體表面。若此時機械運行并未停止，滑動過程持續(xù)進行，則該碎片將重復(fù)這一動作，回歸原部件表面；若粘著不夠緊密，碎片脫離掉落，則成為磨屑。

關(guān)于滑動磨損的初始發(fā)生位置，研究界存在幾種不同意見。其中，很多人支持滑動磨損最初是從發(fā)動機較為薄弱的位置發(fā)生，且通常情況下，材料從原部件中撕裂時，這種作用力大于粘著強度，此時故障應(yīng)歸屬于剪切故障，不應(yīng)歸屬于磨損故障。也有人認為，因為塑性剪切持續(xù)作用，所以出現(xiàn)磨損碎片，此過程中發(fā)生周期性載荷影響，結(jié)點部位發(fā)生焊合作用，結(jié)點材料發(fā)生轉(zhuǎn)移運動。粘著磨損有不同的級別劃分，這種劃分便是基于表面破損的情況而定。高溫和高負荷易加劇磨損故障發(fā)生。

3.2 磨屑磨損

發(fā)動機表面情況復(fù)雜，有些部位較為粗糙，有些則為軟表面。在發(fā)動機運行過程中，這些表面可能出現(xiàn)塑性變形，有時還會發(fā)生斷裂。在進行機械加工時極易出現(xiàn)碎屑，摩擦部位的表面也會出現(xiàn)磨屑。硬度較強的部件表面會對其他與之接觸的部分造成磨損，磨損是發(fā)動機磨合期不可避免的問題，因為金屬磨削發(fā)生的要求不同，所以損傷原理也存在一定差異。強度較低的材料在發(fā)生微切削時，極易發(fā)生崩落，磨料顆粒也會對金屬表面造成影響，為其帶來疲勞損壞。金屬在發(fā)生頻繁的應(yīng)變之后，也會出現(xiàn)疲勞損壞。磨料顆粒還可能導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)壓痕。

3.3 疲勞磨損

疲勞磨損是發(fā)動機在高強度工作中，表層產(chǎn)生疲勞跡象，因為不斷重復(fù)運行中的動作，接觸面所受疲勞值超過應(yīng)力，出現(xiàn)碎片剝離，并造成發(fā)動機表面點蝕。循環(huán)閾值不具有固定性，往往也無從預(yù)測，通常在超過閾值限度后，這種磨損作用才會顯現(xiàn)，疲勞磨損的特殊性正在于此。疲勞磨損并非立竿見影的破壞，而是漸進式的變化，與所服役時間成正比，最后導(dǎo)致所有零部件失去應(yīng)有效用，即為擴展性疲勞。發(fā)動機疲勞情況抵達一定限度后的磨損，則為接觸疲勞磨損?；拖到y(tǒng)即是通過不同方式緩解發(fā)動機在運行中的部件摩擦，降低磨損危害。

4 機械磨損診斷

4.1 遺傳優(yōu)化算法

使用遺傳優(yōu)化算法進行發(fā)動機故障檢測，診斷機械磨損問題，優(yōu)點在于可操作性強，可以迅速鎖定故障問題，進行故障診斷；缺點在于運用此方法進行運算診斷時，若需要求解的問題為非線性問題，極易出現(xiàn)早熟情況，局部極值很難從中求得。在當前診斷技術(shù)應(yīng)用中，支持向量機廣為應(yīng)用，該種診斷技術(shù)主要是檢測適用度已經(jīng)不符合平均水平的零部件，變異率相對較高，通過這種技術(shù)手段對高維空間采取線性規(guī)則進行劃分。該種檢測技術(shù)對懲罰參數(shù)和核參數(shù)都有極高的要求，因此在磨損故障診斷中診斷結(jié)果的精度較低。

使用遺傳算法優(yōu)化支持向量機檢測，確定必要參數(shù)并對參數(shù)進行記錄。使用該方法進行診斷時，應(yīng)從遺傳算法中篩選出精準參數(shù)，結(jié)合支持向量機檢測，因為遺傳算法具有種群初始化的特點，所以在進行診斷計算時，采用支持向量機檢測與算法功能結(jié)合的方式，可以彌補參數(shù)精度不足，提升整體計算診斷準確性。支持向量機需要提升編碼水平，方可更有效地應(yīng)用于故障診斷中，通過優(yōu)化確定更加精準的參數(shù)區(qū)間，核參數(shù)和懲罰參數(shù)都是在該過程中具有重大影響的參數(shù)，必須通過二進制的編碼方式構(gòu)建全新的編碼組，使懲罰參數(shù)區(qū)間為0～100，核參數(shù)區(qū)間為1～1000。適應(yīng)度函數(shù)可使遺傳優(yōu)化算法更好地融合支持向量機檢測，采用交叉驗證法可驗證適應(yīng)度函數(shù)的可靠性。

為確保檢測獲得的參數(shù)精準，必須使用設(shè)備核查驗證相關(guān)數(shù)據(jù)，如使用監(jiān)測器或者其他診斷設(shè)備等，當前已經(jīng)有許多檢驗設(shè)備可供選擇，其中011vive 監(jiān)測器可靠性較高，且操作也較為便捷，PEC200 也是具有一定應(yīng)用性的選擇。借助這些先進的監(jiān)測設(shè)備，可實時檢測發(fā)動機工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)其運行中的異?；蚬收?，可提升發(fā)動機故障檢測的準確性和效率[2]。

4.2 基于ABC-BP 模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷

在發(fā)動機磨損故障診斷的眾多方法中，通過ABC-BP 建立模型的方法，采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測，可獲得相對精準的診斷結(jié)果。該檢測技術(shù)是以誤差后向傳播原理為基礎(chǔ)的算法檢測，在此算法基礎(chǔ)上的反饋網(wǎng)絡(luò)檢測可以良好地進行內(nèi)部適應(yīng)，可將檢測到的信息迅速分類，收斂過程也只需要耗費較短的時間。使用該種診斷技術(shù)，可使故障診斷更具有可靠性。

在使用該檢測技術(shù)應(yīng)用中，BP（Back Propagation，反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原有缺陷在融入ABC（Artificial Bee Colony，人工蜂群）算法之后得到有效優(yōu)化。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在運行過程中會出現(xiàn)一些誤差，這些誤差可能對結(jié)果準確性造成影響。但融入ABC 算法之后，誤差函數(shù)會作為人工蜂群中的適應(yīng)度函數(shù)來使用，因為人工蜂群不僅可以進行局部搜索，而且可以實施全局搜索，從而進行更迅速、更有成效的故障診斷。所謂人工蜂群算法，是研究人員從自然界蜜蜂集體外出覓食的行為中得到啟發(fā)，從而創(chuàng)建的一種算法。這種算法的優(yōu)點是全局搜索和局部搜索都可執(zhí)行。利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合ABC 算法，進行磨損故障診斷，需要按照一定的步驟進行[3]。

采集磨損故障樣本數(shù)據(jù)，對樣本數(shù)據(jù)進行歸類處理，以科學(xué)手段分析數(shù)據(jù)。調(diào)整BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)，保證其參數(shù)未初始化狀態(tài)，在該部分中，應(yīng)把磨損檢測所依據(jù)的參數(shù)錄入訓(xùn)練樣本中。人工蜂群也進行參數(shù)初始化處理，設(shè)定所需參數(shù)，設(shè)置磨損最優(yōu)參數(shù)，設(shè)定最大磨損迭代的可能性次數(shù)，然后設(shè)定計算均方的誤差數(shù)據(jù)，最后還需要設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)。采用ABC 算法計算磨損程度，在此過程中得到計算的閾值和權(quán)值，以這兩個值為基礎(chǔ)，實施故障診斷判定。輸入磨損樣品的相關(guān)信息，計算存在的誤差，根據(jù)誤差情況做出判斷，確定磨損故障是否存在。若誤差存在，則應(yīng)逆?zhèn)鞑ピ撜`差，采取梯度下降的原則，修正閾值和權(quán)值，使其數(shù)據(jù)準確。若檢測誤差與全局誤差標準并未違和，即可計算輸出層的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成診斷過程。

4.3 滑油分析診斷

在對發(fā)動機進行機械磨損故障的診斷時，最大的阻礙因素即是發(fā)動機無法拆卸，檢修工作受限。航空發(fā)動機具有較為復(fù)雜的構(gòu)成，磨損故障排查工作量大，而且不易實施?；头治鼍褪腔诖穗y題而出現(xiàn)的磨損故障診斷方法。在發(fā)動機中有許多設(shè)備在運行中為降低磨損程度，需要對其冷卻，并進行潤滑，滑油系統(tǒng)即是發(fā)揮此種作用?；偷某煞峙c發(fā)動機部件磨損情況密切相關(guān)，分析其成分，即可對機械磨損情況做出診斷，然后根據(jù)診斷結(jié)果安排后續(xù)的維護檢修工作。滑油可有效減少齒輪部位和軸承部分的摩擦，降低部件損耗，若滑油成分中金屬含量明顯提升，一般可說明發(fā)動機中有部件出現(xiàn)較為嚴重的機械磨損。

光譜和鐵譜分析都是常見的滑油分析手段。運用鐵譜分析時，通過高梯度強磁場的作用，機械磨損產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)和碎屑等可被提取，檢驗分析這些物質(zhì)的規(guī)格和所含有的成分等，可以對發(fā)動機的磨損情況產(chǎn)生更客觀的認識，從而決定是否需要進行部件更換等。該診斷方法為微觀分析，可對機械磨損產(chǎn)生的碎屑進行差異化分析，使磨損故障檢測結(jié)果更加直觀，可靠性更強。光譜分析則是在對滑油進行分析時，重點關(guān)注其中金屬的含量和種類，以此來判斷機械磨損情況。在進行光譜分析時，樣本以時間為依據(jù)排列，使樣本模型具有更優(yōu)越的應(yīng)用性能。不同金屬元素具有不同的波長，強度也存在一定差異，通過對波長與強度的分析，可以定位故障發(fā)生位置和故障具體情況。AAS（Atomic Absorption Spectroscopy，原子吸收光譜法）、AES（Atomic Emission Spectrometry，原子發(fā)射光譜法）和XRF（X Ray Fluorescence，X 射線熒光光譜分析法）都是應(yīng)用效果較好的光譜分析方法，這些技術(shù)可對20 種左右的金屬元素進行分析，而且精度可達0.01 μg/g，最快分析速度下僅需30 s 即可完成。若金屬部件發(fā)生磨損，則部件金屬元素會和常規(guī)狀態(tài)的元素變化情況出現(xiàn)差異，檢修人員圍繞該問題深入分析，即可獲得磨損故障診斷結(jié)果[4]。

5 結(jié)論

經(jīng)過科學(xué)診斷出現(xiàn)故障的航空發(fā)動機可知，發(fā)動機常見機械磨損故障并非僅限于一種情況，想要明確故障發(fā)生的情況和原因，必須采用科學(xué)的診斷方法，并針對性地加強航空發(fā)動機的維護與檢修，確保發(fā)動機無故障運行，在必要時及時更換部件，避免使用機械磨損過度、無法發(fā)揮應(yīng)有性能的發(fā)動機，可提升航空安全指數(shù)，減少航班延誤情況。