航空發(fā)動機(jī)軸承健康管理究竟應(yīng)該研究什么？

來源：西安交大航發(fā)所

近年來，得益于人工智能算法的發(fā)展，軸承故障診斷新算法層出不窮，但因?yàn)閷?yīng)用背景的了解不夠，現(xiàn)有的一些航空發(fā)動機(jī)軸承故障診斷方法的立腳點(diǎn)以及驗(yàn)證方式與實(shí)際外場需求差距較大。

在我的觀點(diǎn)里，工科碩士和博士開展研究工作，首先要提出一個(gè)“真問題”，其次要找到一個(gè)好方法。在此基礎(chǔ)上，如果能在某個(gè)研究點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論或方法的突破就更好了。

然而幾個(gè)月前，在碩轉(zhuǎn)博答辯現(xiàn)場，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：幾位準(zhǔn)備研究軸承故障診斷的同學(xué)，并沒有提出一個(gè)“真問題”，研究工作的目標(biāo)是偏離實(shí)際需求的。

幾位同學(xué)的問題出在哪里？航空發(fā)動機(jī)軸承健康管理究竟應(yīng)該研究什么？概括起來主要有以下幾點(diǎn)。

01 將軸承故障隔離（定位）到內(nèi)外圈、滾動體、保持架等部件有意義嗎？

從工程應(yīng)用角度講，沒有意義！沒有必要！

實(shí)際上，目前軸承不是“外場可更換單元”（Line Replaceable Unit），內(nèi)外圈、滾動體、保持架更不是外場可更換部件（LRC），無論是內(nèi)圈、外圈還是滾動體發(fā)生故障，一旦發(fā)現(xiàn)故障，整臺發(fā)動機(jī)將返廠維修。至于究竟是內(nèi)圈、外圈還是滾動體發(fā)生故障，維修廠拆解拆解軸承組件后很容易判斷。

故障診斷可分為故障檢測、故障隔離、故障預(yù)測和故障處置等層次。各層次的含義如下：

故障檢測（Fault Detection）：檢測可能逐漸導(dǎo)致系統(tǒng)或部分系統(tǒng)故障的異常行為的存在。

故障隔離（Fault Isolation）：又可稱為故障定位，確定故障的部位，一般隔離到外場（在線）可更換單元或外場可更換部件。

故障預(yù)測（Fault Prognostication）：分析部件性能趨勢，預(yù)測部件剩余壽命。

故障處置（Fault Accomodation）：根據(jù)故障情況進(jìn)行調(diào)整，在包容故障的情況下盡可能維持系統(tǒng)性能。包含故障程度估計(jì)和處置決策兩部分。

目前故障處置主要采用分層級告警的方式，根據(jù)故障程度由重至輕，實(shí)施向飛行員告警、向地面維修人員告警、向地面維修人員建議等處置決策。

在一些文獻(xiàn)中，也將故障估計(jì)（Fault Identification）單獨(dú)作為一個(gè)層次，其含義為定量估計(jì)故障的嚴(yán)重程度。

作為外場應(yīng)用級故障診斷系統(tǒng)的一環(huán)，軸承故障診斷的目的在于，在故障早期就發(fā)現(xiàn)故障，避免故障惡化，導(dǎo)致危害性更大的后果。

因此，對于現(xiàn)階段發(fā)動機(jī)軸承故障診斷而言，Z重要的是故障檢測和故障預(yù)測。

雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)主軸上一般布置有5個(gè)以上的軸承，（除泵、電機(jī)等內(nèi)部的小軸承外），只要發(fā)現(xiàn)軸承故障，無需知道是哪個(gè)軸承故障，處置措施基本一樣，即發(fā)動機(jī)返廠維修。

因此，在現(xiàn)階段外場軸承故障診斷中，定位到哪個(gè)軸承故障意義不大，定位到軸承內(nèi)部的故障部件更沒有必要。

故障隔離，又稱故障定位，其主要目的是方便維修。因此，故障隔離的指標(biāo)主要表述為：“90%的檢測電子電氣故障可以隔離到一個(gè)外場可更換單元”或“90%的檢測機(jī)械故障可以隔離到3個(gè)外場可更換單元，并按照故障概率排序，序位的準(zhǔn)確性不低于60%“。這樣外場維修就很方便了，先檢測和更換哪個(gè)部件就清楚了。

故障隔離也可以為故障處置提供信息基礎(chǔ)，知道哪個(gè)部件故障了，可以更好的決策是實(shí)時(shí)向飛行員告警，還是事后向地面人員警示。

不能輕易向飛行員告警，任何給飛行員的虛警都至少是D級故障。

此外，當(dāng)軸承發(fā)生磨損后，故障會加速擴(kuò)展：早期、中期、后期…….嚴(yán)重的軸承故障容易引發(fā)葉片碰磨、軸承座損壞、滑油系統(tǒng)污染等并發(fā)故障，如果軸承故障發(fā)展到后期才檢測到故障，則為時(shí)已晚。

因此需要通過振動值大小和雜質(zhì)含量等對軸承故障進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)早期故障或亞健康征兆。

02 發(fā)動機(jī)軸承故障率很高嗎？故障后果危險(xiǎn)嗎？

軸承故障率很低。

發(fā)動機(jī)平均無故障工作時(shí)間（Mean Time Between Failure）可達(dá)數(shù)百小時(shí)，且約80%故障來源于傳感器、線纜、活門、泵等成附件，軸承故障率很低。

軸承故障相對較危險(xiǎn)，但在適航體系內(nèi)，它不是危險(xiǎn)性故障（Hazardous Engine Effect），因此軸承一般不屬于安全性關(guān)鍵件。

實(shí)際上，在適航體系內(nèi)，故障由A~E分為5級。A級為災(zāi)難性故障，B級為危險(xiǎn)性故障，C級為重大故障，D級為輕微故障，E級為無影響。軸承早期故障屬于D級甚至E級故障，后期故障也僅為C級故障，故障后果并不十分危險(xiǎn)。

03 能為軸承單獨(dú)配裝一個(gè)傳感器嗎？

從發(fā)動機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)來講，不能！

發(fā)動機(jī)上有很多需要診斷的部件，軸承只是其中的一小項(xiàng)，不能為軸承單獨(dú)配裝一個(gè)傳感器。

首先，發(fā)動機(jī)上“寸土寸金”，且受限于重量和安裝位置，適合安裝傳感器的位置本就不多。其次，傳感器本身也會發(fā)生?障，每增加一個(gè)傳感器，都會影響發(fā)動機(jī)的平均無故障工作時(shí)間，增加外場維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

因此，發(fā)動機(jī)一般只有兩到三個(gè)振動傳感器。僅有的振動傳感器要為所有通過振動信號進(jìn)行故障診斷的部件服務(wù)，包括機(jī)匣、軸、軸承、葉片葉盤、齒輪箱等。

滑油傳感器同理，要為所有通過滑油雜質(zhì)進(jìn)行故障診斷的部件服務(wù)，包括各種傳動機(jī)構(gòu)、軸承等。

如果給每個(gè)軸承單獨(dú)配裝一個(gè)傳感器，則其它同等需要和更需要診斷的部件也要單獨(dú)配裝一個(gè)傳感器，那么發(fā)動機(jī)上將會多出幾十個(gè)傳感器。

且不論安裝位置和重量是否能滿足，多出的幾十個(gè)傳感器會顯著降低發(fā)動機(jī)的平均無故障工作時(shí)間，顯著提高外場維護(hù)的成本。

這時(shí)健康管理系統(tǒng)反倒對發(fā)動機(jī)的可靠性、飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性起了反作用。

04 軸承故障診斷的難點(diǎn)在哪兒？

1、振動信號個(gè)體差異大

軸承等部件的振動頻率、振幅受安裝間隙、潤滑影響非常大，間隙稍有不同，軸承本身的振幅可能有數(shù)倍的差異，頻率也發(fā)生改變，而滑油溫度的變化也將影響頻率。

因此，同型號各臺發(fā)動機(jī)個(gè)體之間、某臺發(fā)動機(jī)不同工作狀態(tài)、飛機(jī)的過載狀態(tài)下，軸承振動信號差異都較大。這就要求軸承故障診斷系統(tǒng)能有很好的自適應(yīng)修正能力。

2、其它振動信號的干擾

發(fā)動機(jī)系統(tǒng)是個(gè)工作在極端條件下的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，既有發(fā)動機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子等主激振源，也有油泵等小型激振源；同時(shí)葉片、不同位置的機(jī)匣、成附件等各部件均有自己的共振頻率，這些雜波信號都會傳遞給傳感器。

當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，雖然自身的振動頻率發(fā)生變化，但又很可能會和另一個(gè)部件的正常工作頻率混淆。

軸承的“救命”聲被其它部件的聲音淹沒，難以被故障診斷系統(tǒng)識別。

3、傳輸距離遠(yuǎn)

振動傳感器無法安裝到軸承座上，而是安裝在離軸承很遠(yuǎn)的機(jī)匣上。這就相當(dāng)于故障診斷系統(tǒng)隔著好幾堵墻監(jiān)聽軸承喊“救命”。這難度，不可謂不大。

正是因?yàn)檫@些難點(diǎn)，軸承故障診斷才遲遲沒有得到應(yīng)用。

然而，對于現(xiàn)有的大部分算法，驗(yàn)證數(shù)據(jù)均來自軸承座上的傳感器，且試驗(yàn)環(huán)境中只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)轉(zhuǎn)子。

由于驗(yàn)證方式與實(shí)際場景存在巨大差異，許多在試驗(yàn)條件下表現(xiàn)良好的算法在包含以上難點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)用場景下，表現(xiàn)都不盡人意。

此外，發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的內(nèi)存和算力約束也是橫在軸承故障診斷算法邁向應(yīng)用前的一座大山。

只有在算法設(shè)計(jì)階段就考慮這些難點(diǎn)，提出相應(yīng)的解決方案，軸承故障診斷算法才能和外場需求握手，真正向“可用”、“好用”發(fā)展。