來源：西安交大航發所（suǒ）

近年來，得益於人工智能算（suàn）法的發展，軸承故障診斷新算法層出不窮，但因為對應用背景的了解不夠，現有的一些航空發動機軸承故障診（zhěn）斷方法的立腳點以及驗證方式與實際外場需求（qiú）差距較大。

在我的觀點裏，工（gōng）科碩士和博士開（kāi）展研究工作，首先要提出一個“真問（wèn）題”，其次（cì）要找到一個好方（fāng）法。在此（cǐ）基（jī）礎上，如果能在某個研究點上，實現基礎理論或方法的突破就更好了。

然而幾個月前，在碩轉博答辯現場，我發現一個現象：幾位（wèi）準備（bèi）研究軸承故障診斷的同（tóng）學，並沒有提出一個“真問題”，研究工作的目（mù）標是偏離實際需求的。

幾位同學的問題出在哪裏？航空發動機軸承健康管理究竟應（yīng）該研究什麽？概（gài）括起來主（zhǔ）要有（yǒu）以下幾（jǐ）點。

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

從工程（chéng）應用角（jiǎo）度講，沒（méi）有意義！沒有必要！

實際上，目前軸（zhóu）承不是“外場可更換單元”（Line Replaceable Unit），內外圈、滾動體、保持架更（gèng）不是外場可更換部件（LRC），無論是內圈、外圈還是滾動體（tǐ）發生故障，一旦發現故障，整台發動機（jī）將返廠維修。至於究竟是內圈（quān）、外圈還是滾動體發生故障，維修廠拆解拆解軸承組件後（hòu）很容易判（pàn）斷。

故障診斷可（kě）分（fèn）為故障檢測、故障隔離、故（gù）障預測和故障處置等層次。各層次（cì）的（de）含義如下：

故障檢測（Fault Detection）：檢測可能逐漸導致係統或部分係（xì）統（tǒng）故障的異常行為的存在。

故障隔離（Fault Isolation）：又可稱為（wéi）故障定（dìng）位，確定故障（zhàng）的部位，一般隔離到外場（在線）可更換單（dān）元或外場可更換部件。

故障預測（Fault Prognostication）：分析部件性能趨勢，預測部件剩餘壽命。

故障處置（Fault Accomodation）：根據故障情況進行調整，在包容故障的情況下盡可能維持係統性能（néng）。包含故障程度估計和處置決策兩部分。

目前故（gù）障處置主要采用分層級告警的（de）方式，根據故障程度（dù）由重至輕，實施向飛行員告警、向（xiàng）地麵維（wéi）修（xiū）人員告（gào）警、向地麵（miàn）維修（xiū）人員建議等處置決策。

在一些文獻中，也將（jiāng）故障估計（Fault Identification）單獨作（zuò）為一個層次，其含義（yì）為定量（liàng）估計故障（zhàng）的嚴重程度。

作為外場應（yīng）用級故障（zhàng）診（zhěn）斷係統（tǒng）的一環，軸承故障診斷的目的（de）在於，在故障早期就發現故障，避免故障惡化，導致危（wēi）害性更大的後（hòu）果。

因（yīn）此，對於現階段發動機軸承（chéng）故障診斷而言，Z重要的是故障檢測和（hé）故障預測。

雙轉子渦扇發動機主軸上一般布置有5個以上的軸承，（除泵、電機等內部的小軸承外），隻要發（fā）現軸承故障（zhàng），無需知道（dào）是哪個軸承（chéng）故障，處（chù）置措施基本一樣，即發動機返廠維（wéi）修。

因此，在現（xiàn）階段外場軸承故障診斷中，定位到哪個軸承故（gù）障（zhàng）意義不（bú）大，定（dìng）位到軸（zhóu）承內部的故障部件更沒有必（bì）要。

故障隔離，又（yòu）稱故障定位，其主要目的是方便維修。因此，故障（zhàng）隔離的指標主要（yào）表述為（wéi）：“90%的檢測電子（zǐ）電（diàn）氣故（gù）障可以隔離到一個外場可（kě）更（gèng）換單元”或“90%的檢測機（jī）械（xiè）故障可以隔離到3個（gè）外場可更換（huàn）單元（yuán），並按照故障概率排序，序位（wèi）的準（zhǔn）確性不低於60%“。這（zhè）樣外場維修就很方便（biàn）了，先檢測和更換（huàn）哪個部件就清楚了。

故障隔離也可以為故障處置提供信息基礎，知道哪個部件故障了，可以（yǐ）更好的決策是（shì）實時向飛行員告（gào）警，還是事後向地麵人員警示。

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，當軸承發生磨損後，故障會加速擴展：早期、中期、後（hòu）期…….嚴重的軸承故（gù）障容易引發葉片碰磨、軸承座損壞、滑油係統汙染（rǎn）等並發故障（zhàng），如果軸承故障發展到後期（qī）才檢測到故障，則為時已晚。

因此需要通過（guò）振（zhèn）動（dòng）值大小和雜質含量等對軸承故障進行預測，發現早期故障或亞健康征兆。

02 發動機軸承故障率很高嗎？故（gù）障後果危險嗎？

軸承故障率很低。

發（fā）動機平均無故障工作時間（Mean Time Between Failure）可達數百小時，且約80%故障來源於傳感器、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，但在適航體係內（nèi），它不是危險性故障（Hazardous Engine Effect），因此軸（zhóu）承一般不屬於安（ān）全性關鍵件。

實際上（shàng），在適航體係內，故障由A~E分為5級。A級為災難性故障，B級為危險性故障，C級為重大故障，D級為輕微故障，E級為無影（yǐng）響。軸承早期故障屬於D級甚至E級故（gù）障，後期（qī）故障也僅為C級故障，故障後果並（bìng）不十分危險。

03 能為軸（zhóu）承單獨配裝一個傳感器嗎？

從發動機整機設計來講，不能！

發動機上有（yǒu）很多需要診斷的部（bù）件，軸承隻是其中的一小項，不能為軸承單獨配裝一個傳感器。

首（shǒu）先，發動機上“寸（cùn）土寸金（jīn）”，且受限於重量和安（ān）裝位置，適（shì）合安裝（zhuāng）傳感器的位置本就不多。其次，傳感器本身也會發生?障，每增加一個傳感器，都會影響發動機的平均無故障工作時間，增加外場（chǎng）維護的負擔。

因（yīn）此，發動機一般隻有（yǒu）兩到三個振動傳感器（qì）。僅有的振動傳感（gǎn）器要（yào）為所有通過振動信號進行故障診斷的（de）部件服務，包括機匣、軸、軸承、葉片葉盤、齒輪（lún）箱等（děng）。

滑油傳感器同（tóng）理，要為所有通過滑（huá）油雜質進行（háng）故障診斷的部件服務（wù），包括各種傳動機構、軸承等。

如果給每個軸承單獨配裝一（yī）個傳感器，則其它（tā）同（tóng）等需要和更需要（yào）診（zhěn）斷的部件也要單獨配（pèi）裝一個傳感器，那麽發動機上將會（huì）多出幾十個傳感器。

且不論安裝位置和重量是否能滿（mǎn）足，多出的幾十個傳感器會顯著（zhe）降低發動機的平均無故障工作時（shí）間，顯著提高外場維護的成本。

這時健康管理係統反倒對發動機的可靠性、飛機的經（jīng）濟性起了反作用。

04 軸（zhóu）承故障診斷的難點在哪兒（ér）？

1、振（zhèn）動信號個體差異大

軸承（chéng）等（děng）部件的振動頻率、振幅受安裝間隙、潤滑影響（xiǎng）非常大，間隙稍有不（bú）同（tóng），軸承（chéng）本身的振幅（fú）可能有數倍的差（chà）異（yì），頻率也發生（shēng）改變，而滑（huá）油溫度的變化也將影響頻率。

因（yīn）此，同型號各台發動機個體之間、某台發動機不同工作狀態（tài）、飛機的過載狀態下，軸承振動信號差異都較大。這就要求軸承故障診斷係統能有很好的（de）自適（shì）應修正能力。

2、其它振動信號的幹擾

發動機係統（tǒng）是個工作（zuò）在極端條件下（xià）的複雜（zá）轉子（zǐ）係統，既有發動機高低壓轉子等主激振源，也（yě）有油泵等小型激振源；同時葉片、不同位置的機匣、成附件等各（gè）部件均有自己的共振頻（pín）率，這些雜波信號都（dōu）會傳遞給傳感器。

當軸承發生故障時，雖然自（zì）身（shēn）的振動頻率發生變化，但又很（hěn）可（kě）能會和（hé）另一個部件的正常工作（zuò）頻率混淆。

軸承的“救命”聲被其它部件的聲（shēng）音淹沒，難以被故障診斷係統識別。

3、傳輸（shū）距離遠

振動傳感器無法安裝到（dào）軸承座上，而是安（ān）裝在離軸承（chéng）很遠的機匣上。這就相當於故障診（zhěn）斷係統隔著好幾堵牆監聽軸承喊“救命”。這難度，不可（kě）謂不大。

正是因為這（zhè）些難點，軸承故障（zhàng）診斷才遲遲沒有得到應用。

然而，對（duì）於現有的大部分算法（fǎ），驗證數據均來（lái）自軸承座上的傳感器，且試驗環境中隻有一個或（huò）少（shǎo）數幾個轉子。

由於驗證方式與實際場景存在巨大差異，許多在試驗條（tiáo）件下表現良好的算法在（zài）包含以上難點的真實應用場景下，表現都（dōu）不盡人意。

此外，發動機電（diàn）子控（kòng）製係統的內存和（hé）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。

隻有在算（suàn）法設計階段就考（kǎo）慮這些難（nán）點，提（tí）出相（xiàng）應的解決方（fāng）案，軸承故（gù）障診（zhěn）斷算法才能和（hé）外場（chǎng）需求握手，真正（zhèng）向“可用”、“好用”發展。