航空发动机燃油控制装置的多维度故障分类体系与可靠性设计现状

燃油控制装置是航空发动机的核心单元，负责为航空发动机提供所需燃油，并调节发动机的几何位置，从而保障飞机发动机稳定运行和发挥性能。燃油控制装置主要由燃油泵和燃油附件等组成，其中燃油泵的类型主要有离心泵、齿轮泵和柱塞泵等，齿轮泵常用于主燃油泵，离心泵主要用于低压增压泵或加力泵，柱塞泵主要用于伺服油源泵。据统计，在航空发动机各类故障中，燃油控制装置故障占比较高，因此如何进一步提高燃油控制装置质量、可靠性和使用效能，加强装备“六性”技术的研发，形成高可靠、长寿命的燃油控制装置综合设计能力，是新一代航空发动机燃油控制系统技术革新的重要目标。

现阶段，我国航空动力燃油控制装置设计重点已由高性能自主设计转为高可靠、长寿命设计方向。可靠性设计作为一项系统工程，国内长期以来缺乏对可靠性设计的重视，未建立完善有效可指导燃油控制装置设计的可靠性数据库，仅存的数据还存在数据不清楚、不全面、记录错误等多种主观及客观不确定性问题，无法将在研在役丰富的试验数据资源有效应用于设计，未形成产品可靠性设计的有效迭代。此外，产品设计中的性能、寿命、可靠性参数尚未进行协同设计，各阶段缺乏贯彻规范可行的可靠性设计准则，仅在产品的试验验收对其可靠性指标（主要对寿命）进行初步验证，忽略了可靠性须贯穿在产品整个设计过程中这一核心思想。未来，航空发动机工作环境愈加严酷，燃油控制装置结构元件组成较多，将面临更多故障模式、更复杂的故障机理以及更多不确定性耦合因素等待解决问题。

一、燃油控制装置原理与故障分类

航空发动机燃油控制装置作为航空动力的"心脏"，负责精确调节燃油流量，控制发动机几何位置，保障发动机稳定运行并发挥性能。该系统主要由主燃油齿轮泵、计量活门、压差活门、回油活门、电液伺服阀及多种控制活门组成，形成复杂的机械-液压-电子综合系统。其工作原理基于闭环反馈控制原理：来自飞机燃油系统的燃油经增压泵和总燃油滤进入主燃油齿轮泵，泵后燃油通过计量活门精确计量后输往燃烧室，剩余燃油则经回油活门和安全活门返回。电子控制器通过流量控制电液伺服阀调节计量活门开度，同时线性可变差动变压器（LVDT）实时反馈位置信号，形成闭环控制，确保燃油流量与发动机需求精确匹配。

燃油控制装置的故障可根据不同分类标准进行系统划分。按照故障产生根源，可分为设计故障、生产加工故障和使用维护故障，其中设计与制造导致的故障占比高达约77%，成为最主要故障来源。按照对调节参数的影响程度，可分为功能故障和参数故障，后者占比略高于前者，主要表现为性能参数漂移或超差。按照时间增长速度划分，则可分为退化故障和突发故障，其中突发故障占比远高于退化故障，反映了系统在极端工况下的脆弱性。此外，按照故障重复次数可分为单次故障和多次重复故障；按照对飞行安全影响程度可分为造成和不造成特殊飞行状态的故障。

这种多角度的故障分类体系有助于精准定位问题本质，为可靠性设计改进提供针对性方向。值得注意的是，燃油控制装置故障在航空发动机各类故障中占比居高不下，这与该系统长期服役于高温、高压、强振环境密切相关。在发动机电子控制器发出控制信号后，燃油控制装置需快速响应，通过电液伺服阀和作动筒精确控制燃油流量及导叶角度，任何微小偏差在极端环境下都可能被放大，导致系统性能下降甚至功能失效。

二、燃油控制装置典型故障分析

航空发动机燃油控制装置作为复杂精密系统，其故障模式多样，机理复杂。深入分析典型故障对于提高系统可靠性至关重要。

2.1 燃油泵典型故障及机理

燃油泵作为燃油控制系统的动力源，常见故障模式包括容积效率下降、轴承磨损、密封失效和气蚀损坏。齿轮泵作为主燃油泵，其故障多表现为端面磨损和齿面疲劳，特别是在高压工况下，油液污染会加剧磨损进程。离心泵主要用于低压增压，常见故障为气蚀和动平衡失调，导致流量和压力波动。柱塞泵作为伺服油源泵，则对油液清洁度极为敏感，滑靴磨损和配流盘失效是其典型故障。

燃油泵故障机理复杂，主要涉及流体动力学、材料力学及摩擦学等多学科交叉问题。研究表明，燃油泵的固有压力脉动与管路、活门的流固耦合振动是引发高频疲劳断裂的主要原因。同时，密封圈腐蚀或老化导致的泄漏，以及油液污染或润滑油失效而产生的磨损加剧，都会造成燃油系统的致命故障。在实际应用中，燃油泵平均无故障工作时间（MTBF）与国外先进水平存在较大差距，国外燃油泵MTBF已达到14,000小时，而国内产品尚有明显不足。

2.2 燃油附件典型故障及机理

燃油附件包括计量活门、压差活门、电液伺服阀等多种精密部件，其故障直接影响燃油计量精度和系统控制性能。计量活门常见故障为卡滞和磨损，导致燃油计量精度下降。电液伺服阀作为精密部件，对油液污染极为敏感，喷嘴挡板磨损和力矩马达失效是其典型故障。此外，油液污染导致的阀芯卡滞、磨损颗粒引起的密封失效、高温老化导致的材料性能退化，都是燃油附件的常见故障来源。

值得一提的是，燃油附件中液动力是限制其智能化程度提升的最主要因素。在极端工况下，液压脉动与机械振动的耦合作用会加速部件疲劳，进一步降低系统可靠性。国内燃油附件MTBF约为6,000小时，远低于国外先进水平，这与材料工艺、设计方法及制造精度等多方面因素有关。

2.3 电子控制单元故障特点

电子控制器、传感器与燃油控制装置共同构成完整控制系统，其中位移传感器（LVDT）故障会导致闭环控制失效。针对这一问题，研究者提出了基于零极点配置原理的容错控制方法，根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算。半物理模拟试验验证表明，该方法能够在全包线范围内保证数字电子控制系统稳定工作，发动机高压转子转速稳态波动量在±0.15%以内，超调量和下降量分别在0.63%和0.61%以下。

三、国内外燃油控制装置可靠性现状

3.1 可靠性设计与分析技术

欧美航空动力强国在燃油控制装置可靠性设计方面已形成完善体系和系统方法。在产品研制从方案论证到设计各个阶段，均进行了详细的可靠性设计，包括：在燃油系统方案论证阶段，详细制定产品可靠性要求，明确返修率、MTBF以及耐久性试验时间、加速寿命试验时间等；在工程研制阶段，进行故障模式、影响和危害性分析（FMECA）和故障树分析（FTA）等可靠性分析工作；制定充分的可靠性试验计划，包括加速循环耐久性试验、振动试验、元件的疲劳试验等。

相比之下，国内在燃油控制装置研制阶段尚未形成正向的可靠性设计体系，仍采用产品故障发生后的被动改进措施，如：试验中"激发故障-改进设计"、使用中"发生故障-改进设计"等，即被动事后改进（Modify for Reliability），缺乏充分的可靠性技术将故障暴露并消灭在设计阶段。这种"事后补救"的模式导致产品迭代周期长，且难以从根本上解决系统性可靠性问题。

近年来，国内研究者开始探索适用于燃油控制系统的先进可靠性分析方法。针对飞机燃油闭环控制系统，提出了基于GO法和马尔可夫过程的可靠性分析方法，依据系统原理图建立GO模型，对闭环回路环节进行状态组合，利用马尔可夫状态转移过程获得状态转移矩阵，推导出闭环回路环节的稳态概率公式。这种方法考虑了闭环回路反馈信号对系统可靠性的影响，能更真实地反映飞机燃油闭环控制系统的可靠性。

3.2 寿命试验技术研究状况

寿命试验是验证和评估燃油控制装置可靠性的关键手段。欧美国家建立了完善的试验体系和规范的试验流程，包括加速循环耐久性试验、振动试验、元件疲劳试验等。这些试验能够模拟实际工况，提前暴露产品潜在缺陷，为改进设计提供依据。其燃油控制装置的首翻期均已突破2,000小时总寿命。

国内也在积极开发先进的试验方法和技术平台。例如，发明了一种航空发动机燃油系统可靠性测试试验平台，该装置包括用于模拟发动机工作状态的仿真系统、位移指示活塞块和用于为仿真系统数模转换供油的燃油系统。该平台通过输入运行载荷谱至燃油系统与发动机仿真系统的联合仿真模型，获取燃油系统试验结果和发动机总体性能仿真结果，最终利用贝叶斯统计概率分析燃油系统各部件的可靠性，得到考虑运行载荷谱影响的燃油系统寿命评估方法。

此外，针对燃油控制装置的热特性研究也取得了进展。基于能量守恒原理对燃油控制装置主要部件进行产热和传热分析，并通过推导各部件的温升计算方程得到一种燃油控制装置温度计算方法。与实际项目的试验数据对比表明，该方法计算精度满足工程要求，可为航空发动机燃油控制装置设计提供借鉴。

3.3 可靠性评估技术研究状况

可靠性评估技术是衡量燃油控制装置可靠性的重要手段。欧美国家凭借丰富的现场数据和完善的数据库，建立了精准的可靠性评估模型，能够有效预测产品寿命和可靠性水平。这些国家工业基础好，前期积累了大量数据并建立了专业性的数据库，做到了信息的及时反馈。

相比之下，国内长期以来缺乏对可靠性设计的重视，未建立完善有效可指导燃油控制装置设计的可靠性数据库，仅存的数据还存在数据不清楚、不全面、记录错误等多种主观及客观不确定性问题。无法将在研在役丰富的试验数据资源有效应用于设计，未形成产品可靠性设计的有效迭代。

近年来，数字孪生（Digital Twin, DT）技术与预测和健康管理（Prognostics and Health Management, PHM）技术的融合为燃油控制装置可靠性评估提供了新思路。数字孪生技术在解决PHM技术发展和应用关键性问题中展现出独特优势，如设备故障机理研究不透彻、全生命周期数据不完备、健康状态监测方法不足等问题。通过构建基于第一性原理的多维数字孪生模型、建立虚实空间的多维数据映射、实现孪生体技术状态一致性度量与模型的高效迭代修正，以及开发基于多域特征的系统健康评估、预测与维护决策，可以构建完整的DT-PHM研究架构。

四、国内发展现状与关键技术差距

4.1 国内燃油控制装置发展现状

我国航空动力燃油控制装置设计重点已由高性能自主设计转为高可靠、长寿命设计方向。经过多年发展，国内在燃油控制装置研发方面取得了显著进步，如何进一步提高燃油控制装置质量、可靠性和使用效能，加强装备"六性"技术的研发，形成高可靠、长寿命的燃油控制装置综合设计能力，已成为新一代航空发动机燃油控制系统技术革新的重要目标。

在技术研究方面，国内学者和机构积极探索新方法、新技术。例如，针对航空发动机主燃油执行机构，提出了基于零极点配置原理的容错控制方法，根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算，并运用零极点配置原理将控制参数与转速自适应控制相融合。参数在全包线范围内随发动机状态变化进行自适应调整，通过半物理模拟试验验证了该容错控制方法的有效性。

在测试平台建设方面，国内开发了航空发动机燃油系统可靠性测试试验平台，通过输入运行载荷谱至燃油系统与发动机仿真系统的联合仿真模型，获取燃油系统试验结果和发动机总体性能仿真结果，最终利用贝叶斯统计概率分析燃油系统各部件的可靠性。这种考虑运行载荷谱影响的燃油系统寿命评估方法，为提高燃油系统可靠性评估精度提供了新途径。

4.2 与国外先进水平的关键技术差距

尽管国内在燃油控制装置技术研发方面取得了不少进展，但与欧美航空动力强国相比，仍存在多方面明显差距：

可靠性设计体系不完善：国内长期以来缺乏对可靠性设计的重视，未建立完善有效可指导燃油控制装置设计的可靠性数据库，仅存的数据还存在数据不清楚、不全面、记录错误等多种主观及客观不确定性问题。产品设计中的性能、寿命、可靠性参数尚未进行协同设计，各阶段缺乏贯彻规范可行的可靠性设计准则。

试验验证能力不足：国外燃油控制装置的首翻期均已突破2,000小时总寿命，其中，燃油泵平均无故障工作时间（MTBF）达到了14,000小时，燃油附件MTBF达到了6,000小时。国内仅在产品的试验验收对其可靠性指标（主要对寿命）进行初步验证，忽略了可靠性须贯穿在产品整个设计过程中这一核心思想。

基础理论研究薄弱：燃油控制装置具有少测点、变工况、强干扰及强非线性等特点，导致该领域对故障诊断技术存在迫切需求，同时也面临巨大挑战。燃油泵固有压力脉动与管路、活门的流固耦合振动，密封圈腐蚀或老化导致的泄漏，油液污染或润滑油失效而产生的磨损加剧等均会造成燃油控制系统的致命故障。

工业基础与数据积累不足：欧美航空动力强国工业基础好，前期积累了大量数据并建立了专业性的数据库，做到了信息的及时反馈。而国内未将在研在役丰富的试验数据资源有效应用于设计，未形成产品可靠性设计的有效迭代。

五、燃油控制装置可靠性的工作思路

针对我国航空发动机燃油控制装置存在的不足与差距，基于国内外可靠性技术研究现状，提出以下提升可靠性的工作思路：

5.1 建立基于数据的可靠性设计体系

构建燃油控制装置可靠性数据库，整合在研在役产品试验数据与故障信息，形成数据驱动的设计迭代机制。利用大数据分析和人工智能技术，挖掘数据价值，指导可靠性设计。具体而言，应建立统一的数据标准和规范，确保数据质量；构建多源异构数据集成平台，实现数据共享与协同；开发专业的数据分析工具，支持可靠性设计与决策。

在实际操作中，可借鉴贝叶斯统计概率分析方法，利用运行载荷谱影响的燃油系统寿命评估方法，提高可靠性评估的准确性。同时，采用数字孪生技术，构建燃油控制装置的虚拟模型，通过虚实空间的数据映射与交互，实现产品全生命周期的可靠性追踪与优化。

5.2 完善性能与可靠性协同设计流程

将可靠性设计融入产品研发全流程，建立性能-寿命-可靠性参数协同设计规范，开展前期可靠性仿真与验证。具体包括：在方案设计阶段，明确可靠性指标与验证方法；在技术设计阶段，开展FMECA、FTA等可靠性分析；在详细设计阶段，进行可靠性仿真与优化。

值得注意的是，燃油控制装置的热特性对可靠性有重要影响。基于能量守恒原理对燃油控制装置主要部件进行产热和传热分析，建立温升计算方程，可在设计阶段预测产品的温度分布，优化热管理策略。同时，应考虑液动力对系统性能的影响，通过流道优化和结构改进，降低液动力对可靠性的不利影响。

5.3 强化试验验证与故障机理研究

建立加速试验平台与综合验证环境，开展故障物理分析与机理研究，夯实可靠性技术基础。具体而言，应开发类似于航空发动机燃油系统可靠性测试试验平台的专用设备，模拟实际工况，加速故障暴露；同时，加强故障机理研究，弄清故障产生的根本原因，为可靠性设计提供理论支撑。

在故障诊断方面，应结合数字孪生技术与预测和健康管理（PHM）技术，构建基于多域特征的系统健康评估、预测与维护决策方法，实现故障预测与健康管理。对于主燃油执行机构，可采用基于零极点配置原理的容错控制方法，提高系统在传感器故障等情况下的可靠性。

5.4 推进智能诊断与容错控制技术

研究燃油控制系统智能诊断与容错控制技术，提升系统故障应对能力与任务可靠性。具体包括：开发基于机器学习、深度学习的智能诊断算法，实现故障的早期发现与精准定位；研究容错控制策略，提高系统在部件故障情况下的生存能力。

在实际应用中，可借鉴航空发动机主燃油执行机构容错控制方法，根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算，并运用零极点配置原理将控制参数与转速自适应控制相融合，实现全包线范围内的容错控制。

5.5 加强跨学科协同与产业链整合

促进机械、液压、电子、控制等多学科交叉融合，构建产学研用协同创新体系，提升产业链整体能力。具体而言，应加强主机厂、供应商、高校与研究机构的合作，形成协同创新机制；同时，推动标准化与模块化设计，提高产品的通用性与可靠性。

六、结论与展望

当前，航空发动机外厂使用中燃油控制装置的故障率占比高，产品的寿命及可靠性具有较为明显的不足，高可靠长寿命燃油控制装置作为现代先进航空动力的技术发展趋势，燃油控制装置性能及可靠性的综合设计技术是我国航空动力领域必须突破的关键技术之一。当前国外先进动力强国对高可靠、长寿命、低成本的燃油控制装置的综合设计技术研究，采取了预先研究和型号应用相结合的措施，不断总结经验，推出新技术，在产品设计中不断推广应用。紧紧地围绕结构寿命长、可靠性高、成本低、质量轻、适用性强等方面进行了相关技术的深入探索。

对于我国航空发动机领域而言，技术水平与西方发达国家仍有差距：燃油控制装置产品产生故障的机理尚未完全探明，开展产品可靠性研究的基础数据库尚不充分，对产品可靠性工程技术基础性、通用性和战略性的地位与作用重视不够，造成我国相关技术的发展与国外相比还有显著差距。为缩短与国外差距，加快实现独立自主、技术先进、质量可靠的航空发动机燃油控制装置，应在高可靠长寿命燃油控制装置的性能及可靠性协同设计上，基于正向设计思维开展研究工作，在真正探明产品各类故障的失效机理的基础上，形成产品性能及可靠性设计准则、优化方法、试验数据库，切实为燃油控制装置的正向设计和工程研制奠定技术基础。

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