基于靜電感應(yīng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

景曉旭

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的重點(diǎn)部件，因此對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究也十分重要，但是我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)一直落后于先進(jìn)國(guó)家。靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用越來(lái)越多，因此對(duì)其了解與研究也必不可少。本文介紹了靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理，并簡(jiǎn)單較少了常見(jiàn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，最后對(duì)基于靜電感應(yīng)的三種航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：靜電感應(yīng);航空發(fā)動(dòng)機(jī);健康監(jiān)測(cè)

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)工作十分重要且具有挑戰(zhàn)性，監(jiān)測(cè)技術(shù)的落后也導(dǎo)致這項(xiàng)工作不能完美進(jìn)行。航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)工作有兩個(gè)關(guān)鍵之處，第一，從發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀預(yù)測(cè)出其使用壽命并規(guī)定合適的時(shí)間進(jìn)行檢修工作。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含多個(gè)程序：傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、異常檢測(cè)程序、故障預(yù)測(cè)程序以及系統(tǒng)模型。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)代替了之前的計(jì)劃維修工作，讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠定時(shí)進(jìn)行維修，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行更加安全。

一、靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理

從現(xiàn)有資料來(lái)看，將靜電監(jiān)測(cè)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(cè)研究。氣路監(jiān)測(cè)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(lái)自進(jìn)氣道吸入物與系統(tǒng)部件摩擦碰撞、以及發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)尾部噴管，通過(guò)靜電變化來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)故障。而靜電的變化起源于發(fā)動(dòng)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(cè)則主要探查發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(guò)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(huì)造成電荷的出現(xiàn)與波動(dòng)。

在靜電監(jiān)測(cè)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(cè)環(huán)境中，需要與敏感元件和測(cè)量標(biāo)的直接接觸。感應(yīng)式傳感器則通過(guò)所攜帶的靜電敏感元件監(jiān)測(cè)電荷的產(chǎn)生與變化，進(jìn)而做出判斷。由于航空發(fā)動(dòng)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(cè)量標(biāo)的，且航空發(fā)動(dòng)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(jiàn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)

科研工作者對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究成果很多，基本對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)部件的監(jiān)測(cè)都有所涉獵，這些研究成果保證了發(fā)動(dòng)機(jī)飛行過(guò)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(cè)技術(shù)與診斷方法。

（一）發(fā)動(dòng)機(jī)氣路參數(shù)的健康監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)

該方式的主要原理是根據(jù)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(cè)數(shù)據(jù)明顯少于不可監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)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(cè)過(guò)程中有許多干擾信號(hào)，參數(shù)的準(zhǔn)確度也難以把握。

（二）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障診斷技術(shù)

該技術(shù)的主要原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)的振動(dòng)及其差異對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行判斷。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)取決于多項(xiàng)因素，因此系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(xiàng)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(duì)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(yàn)，制作規(guī)則庫(kù)，開(kāi)發(fā)智能診斷系統(tǒng)。

（三）發(fā)動(dòng)機(jī)滑油磨粒狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)

該技術(shù)的基本診斷方式是通過(guò)獲取并分析發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油中各種顆粒的數(shù)量、濃度、大小、類型等信息對(duì)發(fā)動(dòng)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。科學(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(cè)并分析油樣的儀器;第二，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)，建立資料庫(kù)，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(dòng)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(shí)才能監(jiān)測(cè)出結(jié)果。并不能對(duì)未知的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，也無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。因此靜電感應(yīng)監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

（一）基于氣路靜電顆粒的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

在正常工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣路中的靜電荷會(huì)保持在一個(gè)正常狀態(tài)下，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路出現(xiàn)故障導(dǎo)致性能下降時(shí)，例如吸入外來(lái)物品、燃燒室或熱端組件燒蝕、材料剝落等情況，則會(huì)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(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況。氣路靜電顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)吸入顆粒監(jiān)測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴顆粒監(jiān)測(cè)兩方面。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)吸入顆粒監(jiān)測(cè)時(shí)，需要將一對(duì)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(dòng)機(jī)尾噴顆粒監(jiān)測(cè)時(shí)，則需要將紐扣式傳感器安裝在尾噴上，同時(shí)保持感應(yīng)面與內(nèi)部襯墊對(duì)齊。這個(gè)兩項(xiàng)監(jiān)測(cè)一般同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)綜合兩項(xiàng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)吸入物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害程度以及發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障的種類。

這兩項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別在20世紀(jì)80年代和90年代申請(qǐng)了專利，但是長(zhǎng)期以來(lái)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(wèn)題。自20世紀(jì)末，這兩項(xiàng)技術(shù)在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障與健康管理臺(tái)架試驗(yàn)中，也進(jìn)行過(guò)少量的飛行實(shí)驗(yàn)，由此看來(lái)，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(cè)技術(shù)

發(fā)動(dòng)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(guò)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(shí)，滑油油路中的帶靜電量隨之而變。傳感器信號(hào)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(cè)技術(shù)同樣也是JSF動(dòng)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(cè)量故障產(chǎn)物和進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

該技術(shù)也是Stewart Hughes首先于1998年申請(qǐng)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(cè)技術(shù)（如磁塞式鐵屑檢測(cè)技術(shù)、電感式檢測(cè)技術(shù)等）在監(jiān)測(cè)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。滑油油路部件磨損初期開(kāi)始就會(huì)有相當(dāng)數(shù)量細(xì)屑，OLS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可以監(jiān)測(cè)大于20mm尺寸的細(xì)顆粒，對(duì)油路部件退化提供早期監(jiān)測(cè)，并據(jù)此提出更靈活的維修計(jì)劃。

（三）基于靜電的軸承磨損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的監(jiān)測(cè)主要分為在線和離線兩種。在線監(jiān)測(cè)方法包括電感式檢測(cè)技術(shù)、磁塞式鐵屑監(jiān)測(cè)技術(shù)等;離線監(jiān)測(cè)技術(shù)比在線監(jiān)測(cè)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(guò)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(duì)樣本監(jiān)測(cè)的連貫性不好，不能提供顆粒變化的實(shí)時(shí)趨勢(shì)，對(duì)非鐵類顆粒也無(wú)能為力;電感式傳感器則只能監(jiān)測(cè)金屬顆粒，且對(duì)顆粒的大小要求嚴(yán)格，對(duì)小顆粒、非鐵顆粒不敏感。

靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)在軸承磨損監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用原理與滑油靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)相同。軸承運(yùn)作過(guò)程中由于摩擦帶電、表面電荷變化、摩擦發(fā)射等原因會(huì)產(chǎn)生電荷變化，靜電監(jiān)測(cè)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(duì)飛行過(guò)程中極為重要且容易失效的部件的監(jiān)測(cè)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(dòng)軸承油液監(jiān)測(cè)項(xiàng)目研究，并在銷盤(pán)試驗(yàn)和FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)上驗(yàn)證。

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

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