張成玉

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

0 引言

航空飛行器的主要?jiǎng)恿礊榘l(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)若出現(xiàn)問(wèn)題，將使航空飛行器飛行安全性大幅度降低。發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中磨損問(wèn)題幾乎難以避免，因機(jī)械磨損而引發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障是航空檢修維護(hù)中的常見(jiàn)問(wèn)題。必須對(duì)機(jī)械磨損故障加強(qiáng)重視，采用合適的診斷方法對(duì)其進(jìn)行故障尋因，科學(xué)應(yīng)對(duì)，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，保障航空器飛行安全。

1 機(jī)械磨損故障

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，最易發(fā)生機(jī)械磨損故障的部位為軸承和齒輪，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作時(shí)，該部位動(dòng)作最為頻繁，摩擦最嚴(yán)重。零部件的表面材料具有一定的彈性，但是這種彈性在長(zhǎng)期運(yùn)作中會(huì)因?yàn)楦鞣N原因減弱或消失。在發(fā)動(dòng)機(jī)最初投入使用時(shí)，零部件接觸表面有限，機(jī)械磨損增多后，接觸面會(huì)擴(kuò)大，機(jī)械磨損逐漸穩(wěn)定，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)下降。機(jī)械磨損必須及時(shí)處理和解決，否則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重危害，留下飛行隱患[1]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)作用原理

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承和與其相連接的齒輪迅速運(yùn)行，帶動(dòng)壓氣機(jī)中的葉片，為航空飛行器提供動(dòng)力。被壓縮的空氣被送進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)，為航空飛行器運(yùn)行提供推力。在此過(guò)程中，熱能被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，航空飛行器在此動(dòng)力作用下飛行前進(jìn)。設(shè)備啟動(dòng)初期，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子壓縮空氣，渦輪轉(zhuǎn)子的軸承進(jìn)入運(yùn)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(rùn)滑作用。若該潤(rùn)滑不到位或不及時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致部件干摩擦，發(fā)生機(jī)械磨損。

3 常見(jiàn)機(jī)械磨損類(lèi)型

3.1 粘著磨損

粘著磨損是指發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其中的不同部件平面發(fā)生了摩擦，出現(xiàn)了滑動(dòng)式接觸，在此接觸過(guò)程中即使存在潤(rùn)滑，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的粘著磨損。若兩個(gè)平面之間沒(méi)有潤(rùn)滑，是直接的干摩擦，磨損一般較為嚴(yán)重。部件滑動(dòng)中，會(huì)在接觸點(diǎn)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(dòng)剝落，并被粘著在與其接觸的微凸體表面。若此時(shí)機(jī)械運(yùn)行并未停止，滑動(dòng)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，則該碎片將重復(fù)這一動(dòng)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(dòng)磨損的初始發(fā)生位置，研究界存在幾種不同意見(jiàn)。其中，很多人支持滑動(dòng)磨損最初是從發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，這種作用力大于粘著強(qiáng)度，此時(shí)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(rèn)為，因?yàn)樗苄约羟谐掷m(xù)作用，所以出現(xiàn)磨損碎片，此過(guò)程中發(fā)生周期性載荷影響，結(jié)點(diǎn)部位發(fā)生焊合作用，結(jié)點(diǎn)材料發(fā)生轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)。粘著磨損有不同的級(jí)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(fù)荷易加劇磨損故障發(fā)生。

3.2 磨屑磨損

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，這些表面可能出現(xiàn)塑性變形，有時(shí)還會(huì)發(fā)生斷裂。在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)極易出現(xiàn)碎屑，摩擦部位的表面也會(huì)出現(xiàn)磨屑。硬度較強(qiáng)的部件表面會(huì)對(duì)其他與之接觸的部分造成磨損，磨損是發(fā)動(dòng)機(jī)磨合期不可避免的問(wèn)題，因?yàn)榻饘倌ハ靼l(fā)生的要求不同，所以損傷原理也存在一定差異。強(qiáng)度較低的材料在發(fā)生微切削時(shí)，極易發(fā)生崩落，磨料顆粒也會(huì)對(duì)金屬表面造成影響，為其帶來(lái)疲勞損壞。金屬在發(fā)生頻繁的應(yīng)變之后，也會(huì)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(dòng)機(jī)在高強(qiáng)度工作中，表層產(chǎn)生疲勞跡象，因?yàn)椴粩嘀貜?fù)運(yùn)行中的動(dòng)作，接觸面所受疲勞值超過(guò)應(yīng)力，出現(xiàn)碎片剝離，并造成發(fā)動(dòng)機(jī)表面點(diǎn)蝕。循環(huán)閾值不具有固定性，往往也無(wú)從預(yù)測(cè)，通常在超過(guò)閾值限度后，這種磨損作用才會(huì)顯現(xiàn)，疲勞磨損的特殊性正在于此。疲勞磨損并非立竿見(jiàn)影的破壞，而是漸進(jìn)式的變化，與所服役時(shí)間成正比，最后導(dǎo)致所有零部件失去應(yīng)有效用，即為擴(kuò)展性疲勞。發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞情況抵達(dá)一定限度后的磨損，則為接觸疲勞磨損。滑油系統(tǒng)即是通過(guò)不同方式緩解發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的部件摩擦，降低磨損危害。

4 機(jī)械磨損診斷

4.1 遺傳優(yōu)化算法

使用遺傳優(yōu)化算法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)，診斷機(jī)械磨損問(wèn)題，優(yōu)點(diǎn)在于可操作性強(qiáng)，可以迅速鎖定故障問(wèn)題，進(jìn)行故障診斷；缺點(diǎn)在于運(yùn)用此方法進(jìn)行運(yùn)算診斷時(shí)，若需要求解的問(wèn)題為非線性問(wèn)題，極易出現(xiàn)早熟情況，局部極值很難從中求得。在當(dāng)前診斷技術(shù)應(yīng)用中，支持向量機(jī)廣為應(yīng)用，該種診斷技術(shù)主要是檢測(cè)適用度已經(jīng)不符合平均水平的零部件，變異率相對(duì)較高，通過(guò)這種技術(shù)手段對(duì)高維空間采取線性規(guī)則進(jìn)行劃分。該種檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(jī)檢測(cè)，確定必要參數(shù)并對(duì)參數(shù)進(jìn)行記錄。使用該方法進(jìn)行診斷時(shí)，應(yīng)從遺傳算法中篩選出精準(zhǔn)參數(shù)，結(jié)合支持向量機(jī)檢測(cè)，因?yàn)檫z傳算法具有種群初始化的特點(diǎn)，所以在進(jìn)行診斷計(jì)算時(shí)，采用支持向量機(jī)檢測(cè)與算法功能結(jié)合的方式，可以彌補(bǔ)參數(shù)精度不足，提升整體計(jì)算診斷準(zhǔn)確性。支持向量機(jī)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(guò)優(yōu)化確定更加精準(zhǔn)的參數(shù)區(qū)間，核參數(shù)和懲罰參數(shù)都是在該過(guò)程中具有重大影響的參數(shù)，必須通過(guò)二進(jìn)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(jī)檢測(cè)，采用交叉驗(yàn)證法可驗(yàn)證適應(yīng)度函數(shù)的可靠性。

為確保檢測(cè)獲得的參數(shù)精準(zhǔn)，必須使用設(shè)備核查驗(yàn)證相關(guān)數(shù)據(jù)，如使用監(jiān)測(cè)器或者其他診斷設(shè)備等，當(dāng)前已經(jīng)有許多檢驗(yàn)設(shè)備可供選擇，其中011vive 監(jiān)測(cè)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(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行中的異?；蚬收希商嵘l(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)的準(zhǔn)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(dòng)機(jī)磨損故障診斷的眾多方法中，通過(guò)ABC-BP 建立模型的方法，采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)，可獲得相對(duì)精準(zhǔn)的診斷結(jié)果。該檢測(cè)技術(shù)是以誤差后向傳播原理為基礎(chǔ)的算法檢測(cè)，在此算法基礎(chǔ)上的反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)可以良好地進(jìn)行內(nèi)部適應(yīng)，可將檢測(cè)到的信息迅速分類(lèi)，收斂過(guò)程也只需要耗費(fèi)較短的時(shí)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(cè)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(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些誤差，這些誤差可能對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性造成影響。但融入ABC 算法之后，誤差函數(shù)會(huì)作為人工蜂群中的適應(yīng)度函數(shù)來(lái)使用，因?yàn)槿斯し淙翰粌H可以進(jìn)行局部搜索，而且可以實(shí)施全局搜索，從而進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行磨損故障診斷，需要按照一定的步驟進(jìn)行[3]。

采集磨損故障樣本數(shù)據(jù)，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)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(cè)所依據(jù)的參數(shù)錄入訓(xùn)練樣本中。人工蜂群也進(jìn)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(jì)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(jì)算磨損程度，在此過(guò)程中得到計(jì)算的閾值和權(quán)值，以這兩個(gè)值為基礎(chǔ)，實(shí)施故障診斷判定。輸入磨損樣品的相關(guān)信息，計(jì)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(zhǔn)確。若檢測(cè)誤差與全局誤差標(biāo)準(zhǔn)并未違和，即可計(jì)算輸出層的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成診斷過(guò)程。

4.3 滑油分析診斷

在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械磨損故障的診斷時(shí)，最大的阻礙因素即是發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法拆卸，檢修工作受限。航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)中有許多設(shè)備在運(yùn)行中為降低磨損程度，需要對(duì)其冷卻，并進(jìn)行潤(rùn)滑，滑油系統(tǒng)即是發(fā)揮此種作用?；偷某煞峙c發(fā)動(dòng)機(jī)部件磨損情況密切相關(guān)，分析其成分，即可對(duì)機(jī)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(hù)檢修工作?；涂捎行p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(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)中有部件出現(xiàn)較為嚴(yán)重的機(jī)械磨損。

光譜和鐵譜分析都是常見(jiàn)的滑油分析手段。運(yùn)用鐵譜分析時(shí)，通過(guò)高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，機(jī)械磨損產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)和碎屑等可被提取，檢驗(yàn)分析這些物質(zhì)的規(guī)格和所含有的成分等，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況產(chǎn)生更客觀的認(rèn)識(shí)，從而決定是否需要進(jìn)行部件更換等。該診斷方法為微觀分析，可對(duì)機(jī)械磨損產(chǎn)生的碎屑進(jìn)行差異化分析，使磨損故障檢測(cè)結(jié)果更加直觀，可靠性更強(qiáng)。光譜分析則是在對(duì)滑油進(jìn)行分析時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注其中金屬的含量和種類(lèi)，以此來(lái)判斷機(jī)械磨損情況。在進(jìn)行光譜分析時(shí)，樣本以時(shí)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(zhǎng)，強(qiáng)度也存在一定差異，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)與強(qiáng)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(duì)20 種左右的金屬元素進(jìn)行分析，而且精度可達(dá)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(huì)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(wèn)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(guò)科學(xué)診斷出現(xiàn)故障的航空發(fā)動(dòng)機(jī)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)機(jī)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(duì)性地加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)與檢修，確保發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)故障運(yùn)行，在必要時(shí)及時(shí)更換部件，避免使用機(jī)械磨損過(guò)度、無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，可提升航空安全指數(shù)，減少航班延誤情況。