航空涡轮叶片预防性维修研究

航空涡轮叶片预防性维修研究

项楠

沈阳航空航天大学

摘 要

随着我国民用航空业的快速发展，航空维修市场的规模也正日益扩大。本文针对航空涡轮叶片进行预防性维修研究，从国内外不同的角度进行研究综述分析，从而得出航空涡轮叶片的相关维修决策。

1.绪论

随着现代科技的飞速进步，航空产业也在快速发展。航空涡轮叶片属于发动机中涡轮组的一部分，是不可忽视的热端部件^[1]。其各方面性能是否优秀对发动机在工作过程中的工作状态是否健康有重要影响^[2]。据统计，涡轮叶片在工作中常出现的故障主要包括以下几个方面: 由于强度不够或高低周期疲劳导致的变形、裂纹、断裂等；受粒子侵蚀导致的叶片掉块、折断等；由于高温导致的氧化、热腐蚀等^[3]。这些涡轮叶片的故障问题会对发动机的运行产生影响，甚至引发安全事故。

为了缓解环境对叶片的危害，研究人员优化了涡轮叶片的设计、材质、涂层及其他因素，努力提高排气温度，这是改善发动机工作条件的有效方法之一^[4]。涡轮叶片对各方面性能的较高要求，使其成为了制造困难、价格昂贵的发动机核心组成部分之一。而据有关统计显示，涡轮叶片发生故障而导致发动机故障的事故数约占总体的70%^[5]。

2.现有维修策略

现有的维修工作主要包括预防性维修和基于故障的维修。预防性维修是指以设备的功能和准确性为基础，以防止设备功能降低或故障率过高为目的，而制定的计划内必须完成的修理任务。基于故障的维修则是指，由于设备出现故障或不能再使用，导致设备性能和精确度都低于合格水平的有计划的维修活动。当设备出现故障后，经常会发生停机事件，而一旦停机，就会影响企业的正常运作，长此以往，不利于企业的健康发展，维修工作也会因此产生困难。特别是对于涡轮叶片这样有影响力且价格昂贵的零部件，有效的预防性维修决策要更优于受损后更换。

3.国外关于维修策略的研究综述

维修策略是现代维修理论的重要内容之一，其高水准的体系性和准确性，逐渐成为维修领域核心研究的主题。Barlow and Hunter^[6]为了建立最佳的维修体系，首次提出在数学的基础上进行研究，并在1960年发表了分别针对简单零部件和复杂的大型系统的预防性维修模型。此后的40年里，也陆续发表了许多相关优化模型的研究成果。

经过几十年的时间，学者们开始关注到在进行设备维修时需要考虑的其他因素，包括可靠性和经济性等，并运用不同的数学模型进行研究优化。M. K. Loganathan 和O. P. Gandhi^[7]主要考虑的是维修费用最小化和生产单位的利益最大化。根据相关经验，进行预防性维修（PM）可以有效地防止故障发生并减少费用，但需要优化维修时间间隔。粒子群优化算法是为各类工程问题寻找最佳解决方案时广泛使用的有效技术手段。该文章在可靠性约束下应用粒子群优化算法，寻找到能够使制造系统的维修成本降到最低的最佳方案。

4.国内维修决策研究综述

国内也有许多从事预防性维修研究的学者，研究对象不同，研究方法也多种多样。其中使用不同的维修策略对不同维修目标进行研究与应用是学者们研究的焦点。

在对设备进行事后维修的研究方面，陈晨^[8]等人的主要研究目标是港口设备，文章通过对制定的事后维修计划进行研究，来构建维修目标的计划模型。文章使用BP神经网络算法对处于维修状态的港口设备进行权重衡量与量化，应用遗传算法将完成维修工作所需的总权重时间最小化。经过以上优化过程，能够得到完善后的维修作业流程和相应的维修日程安排。在完成维修工作的同时可以节省维修耗时，为港口设备或具有相似特性的其它设备提供事后维修安排的参考。

在对设备进行视情维修的研究方面，张根保^[9]等人以机床为研究对象，以状态为主要监控方式来对机床进行维修策略研究。文章针对机床维修所研究的主要因素是可用度，在不影响机床的安全性与企业的正常运转的前提下，将可用度最大设为研究目标，通过状态与可用度的相互影响关系对机床的维修活动、维修策略与维修计划进行阐述。通过实例验证了，当对设备采用这种维修策略时，能够在一定程度上改善机床维修过盛或者维修不足的情况。可见，视情维修对于不同的设备都具有一定的可用性，但对相关技术有一定要求。

在对设备进行定期维修的研究方面，裴峻峰^[10]等人对离心压缩机进行系统性的研究，通过对寿命的分布规律进行探索，得出威布尔分布是最符合设备寿命规律的分布方式，文章以威布尔分布为基础，判断出最适合设备特性的维修周期。研究结果显示:对于离心压缩机，三参数威布尔分布的拟合结果要比两参数威布尔分布更加精确。

从以上研究可见，对于维修间隔期的建立，研究人员已经初步完成了从以单一影响因素为目标发展为以多影响因素为目标的探索。但大多的多因素影响目标以两目标为主，依旧缺乏研究的全面性。

5.航空涡轮叶片研究现状综述

航空涡轮叶片是发动机中的重要部分，大多数的文献中都是将其与飞机发动机作为一个整体进行研究的。单独针对其进行的研究并不多，且其中大多是从近几年开始进行的。孙见忠

^[11]等人建立了航空发动机的状态与涡轮叶片上的蠕变寿命之间的联系。经过一系列模拟实验显示：发动机性能的降低对涡轮叶片的寿命产生很大影响。研究减推力与涡轮叶片寿命的关系时发现，当起飞时推力减小，有助于寿命的增加，但当推力下降到一定程度后，影响效果便不再显著。 董本涵^[12]等人针对涡轮叶片的断裂原因进行了深入的研究与分析。通过光弹性测试，分析和改善了涡轮叶片的结构，提议的新结构也已通过了测试。

6.结论

通过以上研究可以看出，已经有很多学者从不同的方向对不同目标进行预防性维修的研究，大部分是为确定维修间隔。也有很多学者对航空涡轮叶片进行了研究。但可以发现，将涡轮叶片与维修间隔期的确定结合起来的课题还需要后人进行深入讨论。而本文将研究的就是航空发动机中制造工艺最为复杂、成本最为高昂、应用最为关键的零部件之一——航空涡轮叶片。对其进行专门的预防性维修间隔期确定是势在必行的。

参考文献

[1] 刘嘉伟,丁水汀,张弓,李果.航空发动机热端部件在中欧适航体系中的典型适航条款梳理及差异性研究[J].燃气涡轮试验与研究,2017,30(04):45-50.

[2]孙见忠,左洪福.使用条件对民航发动机涡轮叶片蠕变寿命的影响分析[J].中国机械工程,2014,25(11):1511-1516.

[3] 黄磊. 某型航空发动机涡轮叶片侵蚀及性能衰退研究[D].中国民航大学,2018.

[4] Ubulom I A,Shankar K,Neely A J.Turbine Blade Life Prediction Fluid-Thermal-Structural Interaction Modelling[C].ASME Turbo Expo 2015:Using Turbine Technical Conference and Exposition, 2015:V07AT28A008.

[5] 苏清友.航空涡喷、涡扇发动机主要零部件定寿指南[M].北京:航空工业出版社，2004.

[6] Barlow R, Hunter L. Optimum Preventive Maintenance Polices [J]. Operations Research, 1960, 8(1):90-100.

[7] Loganathan M K, Gandhi O P. Maintenance cost minimization of manufacturing systems using PSO under reliability constraint[J]. International Journal of Systems Assurance Engineering and Management, 2016, 7(1): 47-61.

[8] 陈晨, 林丹萍, 苌道方. 基于遗传算法的港口设备事后维修的单机调度[J]. 计算机应用研究, 2019(9).

[9] 张根保,唐贤进,许智,等.数控机床基于状态监测的视情维修决策研究[J].机械科学与技术, 2012(02):16-19.

[10] 裴峻峰, 郑庆元, 姜海一, 等. 离心式压缩机定期维修周期及可靠性研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2014, 000(006):127-133.

[11] 孙见忠,左洪福.使用条件对民航发动机涡轮叶片蠕变寿命的影响分析[J].中国机械工程,2014,25(11):1511-1516.

[12] 董本涵,高鹏飞,申杰.某型飞机发动机涡轮叶片故障分析中的光弹性法的应用[J].实验力学,1993(04):296-302.