發動機常見故障及主軸承故障監測技術分析

馮晨

北京飛機維修工程有限公司，中國·北京 100621

飛行器發動機在使用中出現故障是不可避免的，因此，及時發現故障原因并進行檢修，熟練掌握飛行器發動機的故障監測技術，是保證飛行器發動機正常運轉的關鍵。論文首先探討了飛行器發動機故障監測的必要性，常見故障類型和常用診斷方法，并選取主軸承故障作為特殊狀況，進而分析飛行器發動機主軸承失效的原因，從而提出一套易于實現的發動機主軸承故障監測方法，及時發現發動機主軸承故障，減少飛行事故發生。

飛行器；發動機；主軸承；監測技術

1 引言

航空事業的發展，與國家的國防戰略緊密相連，在某種意義上，更是關系到成千上萬旅客的生命安全，也是國家的重要力量和威望。在航空領域上，發動機是飛行器的心臟，而飛行器發動機則有兩大功能，一是檢測飛行器發動機的狀態，二是故障監測。在飛行器常見的故障中，發動機主軸承失效引發的故障在飛行器發動機重大故障中占有較高比例。如果能在空中事故前及時發現發動機主軸承存在的重大故障隱患，并采取相應措施將故障排除在引發二次損傷及重大結構損壞前，就能大大減小飛行器空中飛行的風險，降低事故率。

另外，飛行器發動機的故障監控技術，能夠在最短的時間內找到發動機的問題所在，從而判斷出故障的嚴重性，這種高效能的故障診斷和監控技術，可以讓飛行安全得到很大的保障。同時，也能有效地降低出現故障所需的人力、物力、財力，使飛行系統的停機時間縮短，使飛行器的使用效率大為提高。飛行器發動機故障監控技術的研究，是確保飛行器駕駛員安全、保障旅客生命安全的重要手段。因此，對飛行器發動機的故障檢測技術進行深入地探討，對國家和人民都有重要的意義[1]。

2 飛行器發動機常見故障以及常用診斷方法

2.1 飛行器發動機常見故障

飛行器發動機故障通常是由性能故障、結構抗壓能力受損、附件故障和系統數據故障等多種原因引起的。通過對飛行器發動機的調查，發現飛行器發動機的故障主要有：15%～25%的發動機性能故障，65%～80%的結構壓力失效，以及設備的故障和系統數據的故障。

發動機的故障主要是葉片斷裂、渦旋輪斷裂、軸承失效等，這是因為發動機的材質經久耐用，無法承受外部的壓力和載荷，從而導致發動機出現故障。結構抗壓性能失效的主要原因是由于長期不維修而引起的抗壓系統老化、風雨侵蝕等原因造成了耐壓系統的隱性失效；附件和系統資料的失效，包括工作系統癱瘓，附件傳送機構失效。由于材料的不穩定，這些問題大多是由材料本身的不穩定引起的。因此，必須從新的概念、新的技術和新的材料入手，迅速發現問題并盡快得到解決。了解燃氣輪機在地面和彈用內燃機上的應用情況，對研究飛行器發動機常見的故障類型具有重要意義。

2.2 飛行器發動機故障的常用診斷方法

2.2.1 發動機模型故障診斷方法

發動機在組裝之前，都會對發動機進行性能檢測，雖然尺寸不同，但結構、性能、工作原理、組裝方式都是一模一樣的，所以，通過發動機模型，可以迅速地發現問題，修復發動機。同時，它也被稱作“理論知識診斷”。與表面簡單的診斷相比，該方法具有更高的精度和深度。這種教學模式既能解決理論知識層面上的問題，也能有效地解決實際操作中的“瓶頸”。

2.2.2 信號處理故障診斷方法

在發動機故障診斷中，信號處理技術是最早被采用的一種方法。信號分析方法著重于從時間、頻率、幅值、時頻值等方面對故障進行分析。信號處理的故障診斷方法有波峰系數法、相關分析法、信號同步分析法、峰值嫡譜法、脈絡分析法、自回歸分析法、小波分析法、參數分析法等，在所有的故障診斷中，信號同步分析是基本的先決條件。

2.2.3 物理化學故障診斷方法

所謂的物理化學診斷，就是根據飛行器上的各種物理、化學現象，對其進行診斷。這種方法主要是運用了物理現象中的振電磁波、聲現象、光原理、熱學原理、射線、電學等，并運用化學現象中的各種化學反應，對飛行器發動機的運動特性進行觀測和測試。這個方法看起來很快，但是它只能對一部分的故障進行檢測[2]。

3 飛行器發動機主軸承故障原因及監測技術

3.1 飛行器發動機主軸承故障主要原因

3.1.1 軸承自身缺陷

在高溫、高速、重載等惡劣環境下工作的發動機主軸承，若其本身材料或結構上的缺陷，會使其在惡劣的工作環境中出現故障。在軸承制造和發動機組裝過程中，若軸承的工作表面意外損壞，會在使用中造成破壞面積增大。

3.1.2 轉子軸系質心偏離

由于發動機轉子零件加工裝配造成軸系質量中心與軸承理論軸心的偏差、轉子軸系不平衡的離心力對轉子支承的軸承進行了激勵，從而導致了主軸軸承的振動和噪音。此外，發動機轉子軸系因其非絕對剛性，在受到外力作用時會發生一定的撓度，同時，在發動機流道中存在不均勻的熱應力，也會造成軸系的彎曲，從而造成轉子的質心與軸系理論中心的偏差，從而造成不均衡的離心力激發轉子的主軸承，從而造成振動與噪音。

3.1.3 重載的影響

發動機的主軸承，不僅要承受較大的徑向負荷，而且要承擔來自發動機其他零件的軸向負荷。在大負載機動下，發動機轉子的轉速越快，對主軸承產生的沖擊負荷越大，游隙越大，產生的振動越大。過量的負載和震動會影響滾動體、滾道和支架的工作表面的材料性能，從而產生塑性變形、裂紋和疲勞剝落等破壞。在發動機起動時，當轉速達到轉子臨界速度的整數倍時，就會產生諧振，使振動迅速增大，超過此值，就會使振動降低。轉子對主軸承產生的強烈振動激勵作用，還會引起工作面材料的塑性變形、裂紋、疲勞剝離等破壞。

3.1.4 摩擦副劃傷

若安裝時發動機主軸承不清潔，在高速轉動時，由于軸承與滾道、支架之間存在的硬固體粒子會由于相對移動而切割并刮傷了軸承部件的工作表面，從而在受損的工作面上產生凹痕，從而產生新的雜質，從而加速磨損。大直徑的硬粒子在潤滑油中也會對軸承表面造成損害。由于軸承間隙的存在，滾動件由于拖曳力不夠而出現打滑現象，當出現滑動摩擦時，將對軸承滾道、保持架和滾動體的工作面造成磨損。由于受力而造成的明顯的凹陷或凸起，會使滾動體的運動受到影響，從而引起震動，而重復的碰撞會使滾動體表面的材料疲勞程度加重，從而造成新的損傷。

3.2 飛行器發動機主軸承故障監測技術

3.2.1 油液監測法

①監測機理。

潤滑油與“血液”一樣，是機械活動的零件。一方面，在兩個運動部件的表面上，潤滑油在兩個運動部件的表面上的摩擦副之間產生液體油膜，減少了摩擦副的接觸面，減少了摩擦副的摩擦因數，減少了摩擦副的磨損。另一方面，潤滑液在摩擦副中與摩擦副進行熱交換，使摩擦副的表面溫度下降，從而避免了由于熱能的積累而導致摩擦副表面機械性能下降，或由于交變熱應力而產生裂紋、塑性變形、剝落等，從而加快了機械零件的磨損。

②主要技術。

原子光譜分析技術：能更精確地測量出發動機主軸軸承潤滑油中的顆粒，一般為15um 以下的較小固體磨粒。鐵譜分析技術：主要用于對潤滑油中10um 以上的磨粒進行形態、大小、成分等定性和定量分析，確定機件摩擦副的磨損情況及磨粒來源。磁塞分析技術：飛行器發動機主軸承的潤滑油回油管路上設置磁性螺塞或磁性傳感器，吸附潤滑油中的鐵質磨粒；肉眼可直觀觀察潤滑油中大磨粒（一般大于100um）含量的變化情況，及時發現摩擦副的異常磨損，另外，通過測量這些磨粒的化學成分可以確定異常磨損部位。在線探測磨粒監測技術：飛行器發動機主軸承失效時會產生大量的磨粒若在發動機主軸承附近回油管路中設置磨粒探測傳感器，可以及時將磨粒轉換為電信號，并輸出報警信號。

3.2.2 軸承間隙變化監測法

若發動機主軸承滾動體、滾道面受到嚴重破壞，滾道和滾動體的周向產生凹陷或隆起，會造成軸承內、外環的間隙。由于直接測量軸承間隙的變化非常不方便，因此可以間接地測定轉子與支座垂直的渦輪盤或壓氣機盤的垂直度的變化，或通過與某個固定點的圓盤的周向跳躍量來判斷軸承間隙的變化趨勢。軸承間隙變化監測方法具有成本低、易于實現、精度高等特點；但其不足之處在于，僅限于飛行器發動機的地面停車狀態，運行時精度不高，無法實現對飛行器進行實時監測。

3.2.3 轉子慣性運轉阻力監測法

轉動軸心相同、轉動慣量相同的兩個轉動物體，在相同的阻力下，慣性轉動到停止的時間相同。當發動機停轉后，轉子在一定速度下進行慣性轉動，所承受的外界阻力是一樣的，在同樣的速度下，轉子的慣性轉動達到靜止的時間應當是一樣的。若發動機主軸承受損，軸承在運行過程中的摩擦力增加，轉子的一部分慣性動能就會被轉換成失效的軸承熱能，從而使轉子的慣性運行時間變短。在飛機上安裝了一種能夠實時監測發動機在每一次停機狀態下的慣性運行時間的儀器，能夠及時地發現發動機運行時間的異常變化，并能及時地發現發動機主軸承存在的故障，從而防止故障帶到空中。轉子慣性運行阻力監測方法具有實施簡單、造價低廉、可以手工計數等優點，但僅限于對發動機每一次停機進行監測，無法對其進行實時監測。

3.2.4 噪聲分析監測法

飛行器發動機在運行時，由于多種激勵源的共同作用，飛行器發動機會發出特殊的振動，并發出強烈的噪聲。但是，由于發動機工作過程中的氣流、燃燒等聲壓級比較高，產生的背景噪音會遮蔽發動機主軸軸承自身所產生的相對低聲壓級，很難將有用的信息與強背景噪聲分開。若能有效地消除噪聲對轉子系統的干擾，并將其分離出來，則可在主軸承噪聲中找到異常的頻率噪聲信號或異常的聲壓等級變異。通過在發動機機匣、整流罩等容易到達的位置，通過接觸式的聲學探測器，通過在發動機機匣、整流罩等處對軸承旋轉產生的噪音進行檢測。當發動機處于非工作狀態時，采用恒速馬達，分別帶動發動機各個轉子均勻轉速、低速轉動，并對其進行了噪聲測試。由于轉子轉速平穩、低速時，轉子葉片所引起的空氣動力噪聲很小，而軸系質量的偏心、熱變形、軸承座間隙、與機匣的摩擦等都可以忽略不計。將實測的噪音頻譜與所計算或查詢到的發動機各主軸承的噪音特性頻率進行比較，若發現異常或聲壓級異常，則說明發動機軸承有問題。采用噪聲分析方法可以消除飛機引擎運行時其他干擾因素對試驗結果的干擾，降低其他影響，降低白噪聲，提高故障檢測率，降低虛警概率。但是，這種方法有一個缺陷，即在飛行中很難對其進行實時監測。

3.2.5 振動監測法

在同一工作狀態下，各主軸承的振動與噪音都有某種特殊的頻率，在特定的運行狀態下，它會產生特定的振動頻譜。當某個頻率發生了很大的振動或壓力級時，就可以判斷出這個頻率相關的軸承部件有問題。在一個相對穩定的振動結構中，如果有一種或幾種新的頻率分量，則說明該軸承的工作狀況已發生變化。飛行器發動機的構造特征一般將加速度或速度振動感應器安裝在發動機適當位置以獲取振動位移、速度或加速度的訊號，并采用Fourier 變換、時頻分析、小波變換、多頻譜技術、高階矩陣等5 種方法對所獲取的數據進行了預處理。在各種飛行器上，通常把發動機的振動警報視為更高級的警報處理。為了減少虛警概率，需要對地震預警判據進行迭代、驗證。振動分析方法廣泛應用于飛行器發動機軸承監測，具有便于空中實時自動監測和報警的優點。但其不足之處在于飛行時的振動會受到多個因素的影響，且其告警準則要求大量的重復，且虛警概率較高[3]。

4 結語

目前，飛行器發動機監測技術已經發展到了數學、物理、化學、電子、網絡、人工智能等多個領域。研究表明，飛行器發動機故障監測技術是一項很有潛力的技術。而在以往的研究中，通常使用單一或少量復合監測手段進行發動機軸承監測，由于多種因素綜合影響，使故障漏報率和虛警率較高。而通過系統運用上述各種監測方法，能夠互相補充、佐證，降低故障漏報率和虛警率，較準確地發現飛行器發動機主軸承存在的故障隱患，減小飛行器在空中發生事故的概率，但其不足之處是工作量更大、成本較高[4]。

在未來的飛行器發動機監測技術上，他們會把最新的技術和最新的研究成果，運用到飛行器發動機的故障監測技術上，使飛行器的發動機性能得到進一步的改善，既可以保障飛行器的飛行安全，又可以增加經濟效益[5]。