航空發動機潤滑系統污染預警裝置安全性失效因素分析

摘要：航空發動機潤滑系統污染預警裝置是一種防止航空發動機因發生滑油污染而造成發動機故障的報警裝置，其性能好壞直接影響潤滑系統的可靠性。本文根據污染預警裝置進行功能結構分析，給出了預警裝置的失效模式及因素分析，確定了污染預警裝置故障判據的嚴酷度級別，提供了污染預警裝置失效判定準則，提出了污染預警裝置失效判定流程，對航空發動機潤滑系統的可靠性及維護具有重要意義。

關鍵詞：潤滑系統；污染預警裝置；嚴酷度；失效判定準則；失效判定流程

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

0 引言

航空燃氣渦輪發動機具有高速、高溫、高壓的特點，在這種惡劣的工況下，為保障發動機可靠工作，發動機的潤滑系統要求具備良好的可靠性[1]。潤滑系統作為發動機的關鍵部位之一，工作時將一定壓力、溫度的滑油連續地供到摩擦零件的表面，減少零件的摩擦和磨損，且流動的過程中能夠清除磨屑等雜質，帶走摩擦表面的熱量，起到清潔和冷卻作用。然而，當潤滑系統發生污染且到達一定程度仍未發現，會對發動機整體性能造成嚴重的影響。因此，保證潤滑系統的安全可靠顯得至關重要。潤滑系統污染預警裝置是一種防止在役航空發動機因發生滑油污染而造成發動機故障的報警裝置[2]。本文通過對污染預警裝置的功能結構進行分析，對航空發動機潤滑系統污染預警裝置安全性失效因素展開分析，給出預警裝置的判定準則，為航空發動機潤滑系統的可靠性設計和耐久性評估提供指導。

1 污染預警裝置功能結構分析

1.1 預警裝置功能需求分析

潤滑系統污染物會對航空發動機的安全性產生影響，因此需要相應的污染預警裝置對污染物報警[3]。預警裝置是一種行之有效的防止發動機故障的方法，一方面，它可以保障發動機使用過程中的安全性和可靠性，防止突發機械事故，同時迅速而準確地確定故障的部位及其嚴重程度；另一方面，可以最大限度地減少發動機的分解次數和分解范圍，從而保持其運動精度，合理延長其使用壽命，并且大大降低維修費用[4，5]。

1.2 污染預警裝置結構分析

污染預警裝置由兩部分構成：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。

壓差告警結構由旁通閥、密封圈、濾芯、下殼體、壓差信號器、擋圈等零組件組成（見圖2）。產品正常工作時工作液由進油處進入下殼體內，經濾芯過濾后到達出口，進入系統。隨著工作時間的延長，濾芯吸納的污染物越來越多，造成濾芯進出口的壓差越來越大，當濾芯進出口壓差達到0.3～0.42MPa時，信號器發出指示信號，提示地勤人員應及時更換濾芯。若無法及時更換濾芯，濾芯兩端的壓差繼續增加，當壓差達到0.7～0.8MPa時旁通閥打開，油液不經濾芯過濾直接進入系統，以免系統斷流，旁通閥上設有較粗的過濾元件，可以對油液進行粗過濾。

壓差預警功能框圖如圖3所示。其中，防漏裝信號器是壓差信號器的功能之一，當油濾漏裝濾芯時，信號器也能發出指示信號。

磁堵主要用于探測滑油系統部件的內部狀況（如內部磨損），例如，CFM56-5B41P有一個主磁堵探測器和一個配套的跳出式目視指示器，指示器是一個可拆卸的電器式磁性堵頭，兩個磁鐵中間分開，正常情況下作為開路的電接觸器。當滑油中出現的金屬屑/沫將兩個磁鐵間的間隙填滿，電接觸器閉合，發出電信號，傳至跳出式目視指示器，觸發紅色的跳出式指示器跳出。這樣，當地面維護人員在短停、航后打開滑油箱接近口蓋時，可以看到該指示并視情采取進一步的措施。

2 污染預警裝置失效模式及因素分析

2.1 預警裝置失效模式

如果航空發動機潤滑系統中出現污染但污染預警裝置沒有發出告警信息，說明該裝置出現了失效，失效原因可能是多方面的。常見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]，而在實際應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]。污染預警裝置失效模式包括濾網破損、旁通閥不正常開啟、壓差信號器指示、壓力偏離規定值、防漏裝信號器低溫誤指示、防漏裝信號器外部滲漏油、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、大小彈簧構成，故壓差告警裝置失效一般表現為永磁鐵和大小彈簧失效。失效現象包括：

1）兩個磁鐵磁性減弱，磁力下降；

2）磁鐵出現腐蝕坑；

3）磁鐵磨損；

4）磁鐵斷裂坑。

自然狀態下磁性基本上不會減弱，在航空發動機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：磁性減弱和信號指示器開路故障。影響磁性的因素包括：

1）高溫或低溫；

2）形變；

3）振動沖擊與鐵磁性吸放；

4）氧化銹蝕。

影響信號指示器的因素包括：

1）發動機振動引起的線路開路；

2）高溫引起的線路開路；

3）滑油泄露引起的線路短路。

3 污染預警裝置失效判定

3.1 失效判定方法

產品故障嚴酷度等級判定準則如表1所示。依據產品故障嚴酷度等級判定準則，可分別對濾網破損、旁通閥不正常開啟、壓差信號器指示壓力偏離規定值、壓差信號器低溫誤報警、壓差信號器外部滲漏油、外部滲漏油進行故障判定。

濾網破損故障判據：濾芯破損后，濾芯的結構完整性被破壞。該故障會造成產品的過濾效率降低，表現為系統下游污染度提高，引起產品性能降低，嚴酷度等級屬于Ⅳ級。

旁通閥不正常開啟故障判據：旁通閥不正常開啟（包括提前開啟或滯后開啟），超出0.7～0.8MPa范圍。若提前開啟會使部分未經過濾的油液進入下游系統，表現為系統下游污染度提高。若滯后開啟，會造成產品進出口壓降增大。兩種情況均引起產品性能降低，嚴酷度等級屬于Ⅳ級。

壓差信號器指示壓力偏離規定值故障判據：性能檢測表現為指示壓力不在0.3～0.42MPa范圍內。該故障會造成壓差指示器監控濾芯的污染狀況有偏差，表現為壓差指示器頻繁報警或報警間隔延長。該故障會引起產品的非計劃性維護或維修，嚴酷度等級屬于Ⅳ級。

壓差信號器低溫誤報警故障判據：該故障表現為在溫度低于37℃時，當濾芯前后壓差達到0.3～0.42MPa時，防漏裝信號器告警指示。在溫度低于37℃時，由于油液粘度增大，會使濾芯前后壓差達到0.3～0.42MPa范圍內，但這不是濾芯堵塞造成的，若此時信號器告警，會引起產品的非計劃性維護或維修，嚴酷度等級屬于Ⅳ級。

壓差信號器外部滲漏油故障判據：該故障表現為產品在使用過程中油液從信號器端部向外滲漏。該故障會引起產品的非計劃性維護或維修，嚴酷度等級屬于Ⅳ級。

外部滲漏油故障判據：產品外部滲漏油表現為產品在使用過程中油液從殼體與主機連接處向外滲漏油。該故障會引起產品的非計劃性維護或維修，嚴酷度等級屬于Ⅳ級。

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。若壓差到達一定程度而壓差告警裝置沒有發出警告即壓差指示器未彈出，說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，當磁堵探測和吸附的金屬屑到一定程度時，兩個磁極電路導通，從而發出警告。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磁極電路卻不導通。

3.2 失效判定輸入

根據航空發動機潤滑系統污染預警裝置中壓差告警和磁堵失效判定準則，其判定輸入分別為壓差是否超限、電路是否導通。

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個部分：失效情況調查、鑒別失效模式、失效特征描述、失效機理分析、分析實質原因、提交失效判定報告。

4 總結

潤滑系統污染預警裝置是一種防止航空發動機因發生滑油污染而造成發動機故障的報警裝置。本文對發動機潤滑系統污染預警裝置的結構進行了分析，找出了預警裝置的故障模式、故障發生的原因，得出污染預警裝置的失效判定準則的方法，給出了污染預警裝置故障判據的嚴酷度級別，提供了污染預警裝置失效判定流程。本研究有利于為預警裝置失效制定補救措施，可為航空發動機潤滑系統的可靠性設計和耐久性評估提供指導。

參考文獻

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[2] 涂群章，左洪福，李艷軍.發動機磨損顆粒圖像在線檢測技術[J].內燃機工程，2003，24（5）：70-73.

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作者簡介

朱日興，碩士，研究方向：航空發動機適航審定技術。