《机械工程师》，机械工程师怎么读

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小型机器人从内部检查和修理喷气发动机

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小型机器人从内部检修喷气发动机

如果您在飞机上阅读本文并且感到紧张，请不要担心。但让你保持在空中的喷气发动机内部的温度可能高于构成发动机的材料的熔点。为了避免由此产生的熔融混乱，坚韧的合金与3D 打印等先进制造技术相结合，可以制造出允许冷却空气循环的零件。在最极端的温度下（可达1,300C 以上），特殊的耐热陶瓷涂层可提供额外的保护。

如果您正在阅读本文并且是一名容易紧张的传单人员，当您听到以下这些话时不要惊慌：在高海拔地区飞行的喷气发动机内部的温度可能高于发动机制造商的温度。材料的熔点。但发动机并没有融化成一堆腐铁。这确实是现代工程技术的重大成就。这包括先进的制造工艺，例如高强度合金和3D 打印。 3D 打印可以制造带有小通道的部件，以便冷却空气流通。暴露在可能超过1300C 的最极端温度下的部件还包裹有一层特殊的耐热陶瓷作为额外的保护措施。

新型喷气发动机被设计为在更高的温度下运行，以提供更完全的燃烧，降低油耗，并减少排放，但现在通用电气（GE）、罗尔斯三大飞机发动机制造商都被设计为在高温下运行。罗伊斯·惠特尼(Royce Whitney) 和普拉特·惠特尼(Pratt Whitney) 通常将维护服务作为其销售的一部分，并且许多喷气发动机都是按“每小时电力”合同租赁的。这意味着定期检查和维护符合航空公司和生产商的利益。困难在于在不拆卸发动机的情况下检查发动机，但为此需要将安装发动机的飞机停止使用，如果飞机消失在车间中，则需要马苏。因此，遭受损失的不仅是航空公司，还有发动机制造商，他们需要更快、更有效的方法来保持发动机处于最佳状态。

新型喷气发动机设计为在更高的温度下运行，以实现更完全的燃烧并减少燃料消耗和排放。然而，在高温下运行的发动机需要维护。目前，全球三大飞机发动机制造商通用电气、劳斯莱斯和普惠公司通常将维修作为其销售的一部分，并且许多喷气发动机都是以“每小时维修”合同的形式租赁的。这表明定期检查和维护对航空公司和制造商都有好处。困难的部分是如何在不拆卸发动机的情况下检查发动机。这将需要带有发动机的飞机停止服务。此外，按照小时维修合同，当飞机进入维修店时，赔钱的不仅仅是航空公司，还有发动机制造商。因此，人们正在寻找让发动机更快、更高效地保持最佳状态的方法。

纽约尼斯卡尤纳通用电气全球研究中心首席科学家唐·利普金(Don Lipkin) 及其同事托德·丹科(Todd Danko) 和科里·麦克唐纳(Cori McDonald) 相信，他们正在开发一种小型机器人，可以检查和运输发动机内部。一旦完成必要的维修，这些机器人最终可以在飞机在航班之间的登机口等待时工作。

纽约尼斯卡尤纳通用电气全球研究中心首席科学家唐·利普金(Don Lipkin) 及其同事托德·丹科(Todd Danko) 和科里·麦克唐纳(Cori MacDonald) 认为他们已经找到了一种方法。他们正在开发一种小型机器人，可以进入发动机内部检查设备并进行必要的维修。最终，机器人可以在飞机停在两次航班之间的登机口时工作。

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利普金博士的机器人正在实验室中进行测试，他希望在今年年底前使其投入运行，首先进行测试，然后在技术完善后开始维修。这些机器人还将用于检查和维修通用电气的燃气轮机，这些燃气轮机也是发电厂使用的喷气发动机，而不是推进装置。

利普金的机器人仍在实验室中进行测试，但他希望在今年年底前能够在飞机上运行。最初，机器人将执行检查，一旦技术完善，维修就会开始。通用电气还使用它们来维护其燃气轮机。这些燃气轮机是喷气发动机，用于在发电厂发电，而不是作为推进装置，但它们还具有减少维护停机时间的优点。

检查将空气吸入发动机前部的风扇叶片相对容易，因为它们很大且可见，但风扇后面是一系列紧密排列的压缩空气的叶片。当压缩空气到达燃烧室时，与燃料混合并点燃，产生的热气体从后部喷出，其中一些气体通过附近的一组厚涡轮叶片提供推进力。它们通过轴旋转风扇和压缩机，保持整个设备运行。

将空气吸入发动机前部的风扇叶片很大且可见，因此易于检查。然而，越深入发动机内部，情况就会变得越复杂。许多压缩机叶片紧密排列在风扇后面，负责在空气进入燃烧室之前对其进行压缩。当压缩空气进入燃烧室，与燃料混合并点燃时，产生的热气体从后部注入并提供部分推进力。一些气体通过发动机后部附近短而厚的涡轮叶片转移，涡轮叶片通过驱动轴旋转风扇和压缩机，以保持整个装置运行。

在运行的发动机中，所有这些部件都非常靠近，以至于观察内部的唯一方法是将内窥镜（软管上的摄像头）插入发动机外壳上的孔中。然而，视野是有限的。但研究人员的机器人足够大，可以在各种叶片周围移动，它可以拍摄它看到的所有东西的照片，并将照片以无线方式传送给技术人员，然后由技术人员进行分析。在许多情况下，机器人本身可以进行修复。

在运行的发动机内部，这些部件排列得非常紧密，只有通过发动机罩上的孔插入内窥镜（连接到柔性管的摄像头）才能看到它们。视野有限。研究人员的机器人足够小，可以在各种风扇叶片之间行走，拍摄它看到的所有东西的照片并将其无线发送给技术人员。分析图像后，机器人通常可以自行修复零件。

该团队的机器人有多种类型，其中一种大约有一个小信封大小，沿着插入发动机后部的齿条齿轮轨道运行。一条塑料条，可以通过扭转动作在刀片之间翻转。该机器人安装在轨道上，并采用齿状驱动机构，该机构连接到塑料条上的一系列孔，设备可以沿着这些孔前进。一旦到达目的地，它就会膨胀以安装在一对叶片之间，并由技术人员手动旋转，从而使机器人能够骑在叶片上。完成后，您可以用绳子将其拉出。

研究团队拥有多种类型的机器人。其中一个是一个灵活的机器人，大约有一个小信封那么大，它沿着插入发动机后部的齿轮齿条轨道移动。轨道由长塑料条制成，可在风扇叶片之间扭曲并快速移动。该机器人安装在轨道上，可以使用连接到塑料条上一系列孔的齿形传动装置向前推进。一旦到达目的地，它就会膨胀，直到卡在两个风扇叶片之间。然后将轨道撤回，技术人员手动旋转风扇叶片，让机器人“搭便车”在风扇叶片上，并“在途中”拍摄相邻风扇叶片的内表面。机器人完成任务后，您可以使用绳子将其拉出。

另一种类型的机器人只有几厘米见方，在发动机内的履带上爬行，并抓住地面燃气轮机冷端部分的特殊钢制成的表面。如有必要，所有机器人都由人类操作员操作，并配备一个小臂，可以从材料盒中注入陶瓷涂层来修复受损区域。它还具有一个小型研磨工具，可以平滑不平坦的表面。

另一种类型的机器人只有几厘米见方，在轨道上的发动机内爬行。还有一种机器人采用磁力轮，可以附着在地面燃气轮机尖端低温部分的特殊钢表面上，必要时可以倒置工作。所有这些机器人均由操作员使用平板电脑控制。它配备了一个可以在修复过程中伸出的小臂，并从材料盒中将陶瓷涂层注入到受损区域。该机器人还可以携带小型打磨工具来平滑粗糙的表面。

此类维修可能不像完全重建那样持久，但足以延长发动机在大修之间的运行时间。此外，机器人收集的数据将被通用电气用来更新发动机的“数字双胞胎”。这些双胞胎是保存在计算机上的虚拟副本，包含从安装在发动机内的传感器通过卫星传输的最新运行数据，有助于在问题变得严重之前发现问题。并且避免了计划外的工厂参观。

虽然这种类型的维修可能不会像完整的维修那样持续那么久，但它可能足以延长您的发动机在进行大修之前的维修时间。此外，通用电气还可以使用机器人收集的数据来升级发动机的“数字双胞胎”。这些“双胞胎”是在计算机上运行的发动机的虚拟复制品，包含发动机内传感器收集并通过卫星传输的最新运行数据。 “数字孪生”充当测试平台，在问题变得严重之前发现问题，从而实现预防性维护并避免计划外维修。

机器人可以更详细地监控发动机磨损。这取决于您如何使用飞机。此外，一些飞行员会比其他飞行员更用力地推动飞机发动机。它还取决于飞机最常运营的地点。特别是在中东等污染地区，风吹起的沙粒会增加喷气发动机的磨损，可能会堵塞防止发动机熔化的微小冷却通道，而对此的需求已经很明显。目前，飞行中停机大约每运行20,000 小时就会发生一次。也就是说，飞行员在他或她的整个职业生涯中可能永远不会经历失败。随着小型机器人的出现，这将变得更加普遍。

有了机器人，发动机磨损监测将变得更加复杂。磨损的差异不仅取决于飞机的使用方式（每个飞行员的情况也有所不同；有些飞行员比其他飞行员更努力地使用发动机），而且飞机最常飞行的地区也不同。空气中的颗粒，尤其是在污染区域，可能会堵塞微小的冷却通道，从而防止发动机崩溃。在中东等地区，风吹沙会增加刀片磨损。喷气发动机已经非常安全可靠，现在它们大约每20,000 小时才停止飞行一次。这意味着飞行员在整个职业生涯中可能不会遇到失败，特别是对于微型机器人。