磨損顆粒分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)磨損故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郎 宏，佟文偉，田淑元，修攀瑞，李 勤，孫佳斯

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽110015）

在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種故障中，因磨損造成的故障和失效案例占有相當(dāng)?shù)谋壤?］。發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)中的摩擦副相互作用，會(huì)產(chǎn)生許多細(xì)小的磨損顆粒，這些顆粒攜帶了大量磨損狀態(tài)的信息，有效地對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑情況和磨損狀態(tài)，以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和預(yù)測(cè)故障［2］。因此，對(duì)潤滑油及其攜帶磨損顆粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，可以預(yù)報(bào)潛在的危險(xiǎn)，避免災(zāi)難性損壞或者減少處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的不合理維修，而增加產(chǎn)值和效益［3］。

潤滑油中磨損顆粒的狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷技術(shù)［4］主要有光譜分析、鐵譜分析、自動(dòng)磨粒分析、磁塞分析、油濾分析、顆粒計(jì)數(shù)、掃描電子顯微鏡-能譜分析等多種分析技術(shù)， 本文主要闡述光譜分析、鐵譜分析、自動(dòng)磨粒分析、掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

1 分析技術(shù)

1.1 光譜分析技術(shù)

光譜分析技術(shù)通常分為原子發(fā)射光譜技術(shù)和原子吸收光譜技術(shù)［2，5］。發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的光譜分析以轉(zhuǎn)盤電極式原子發(fā)射光譜為主要手段，通過光譜儀可以迅速、準(zhǔn)確地得到潤滑油中元素的種類和含量，與經(jīng)驗(yàn)值或磨損極限值相對(duì)照［5］，判斷磨損零件的狀況、添加劑和水分的變化，分析油液的污染和變質(zhì)劣化程度［6］，達(dá)到診斷發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)磨損狀態(tài)的目的。

光譜分析的特點(diǎn)是速度快、分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、適合于大量樣品的趨勢(shì)分析［7,8］。但是該技術(shù)也有局限性：（1）由于盤式電極旋轉(zhuǎn)時(shí)，很難將尺寸大的顆粒帶至電極間，并且電弧能量不足以使大顆粒全部離子化，一般只能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)油液中小于10 μm的顆粒；（2）只能反映所有摩擦副磨損顆粒積累的含量，而不能反映顆粒的尺寸、形貌等信息。

1.2 自動(dòng)磨粒分析技術(shù)

自動(dòng)磨粒分析技術(shù)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識(shí)別技術(shù)，兼具顆粒形貌識(shí)別和計(jì)數(shù)的功能。油液由蠕動(dòng)泵帶動(dòng)經(jīng)油管進(jìn)入樣品池，激光器產(chǎn)生脈沖激光照射樣品池，然后采用高速相機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍照。圖片經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識(shí)別技術(shù)分析后，不僅可以給出油液中磨損顆粒的尺寸分布、產(chǎn)生速度和形狀特征，還可以鑒別發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)的失效類型、失效發(fā)生速度和嚴(yán)重程度，實(shí)現(xiàn)了磨損顆粒形貌的自動(dòng)分析［9］。

自動(dòng)磨粒分析的特點(diǎn)是樣品無須處理、分析速度快、便于操作，非常適合做異常磨損樣品的篩查。但是該技術(shù)也有局限性：（1）僅能對(duì) 4～100 μm左右的顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)；（2）僅能對(duì)大于 20 μm的顆粒給出磨損類型的判斷；（3）圖像是顆粒的投影，看不到顆粒表面的顏色和形貌的詳細(xì)狀況；（4）不能測(cè)定元素的種類和含量。

1.3 鐵譜分析技術(shù)

鐵譜分析技術(shù)［10,11］是20世紀(jì)70年代發(fā)明的一種機(jī)械磨損測(cè)試方法，通過高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)作用，將潤滑油中的鐵磁性材料磨損顆粒分離出來，并按一定規(guī)律沉積在譜片上，通過多種檢測(cè)儀器觀察和測(cè)量磨損顆粒的形貌、大小、數(shù)量等，獲得磨損過程中的各類信息，從而判定摩擦副的磨損程度和磨損類型，確定磨損機(jī)理，進(jìn)行磨損故障監(jiān)測(cè)和預(yù)先診斷。

鐵譜分析的特點(diǎn)是適用于1～250 μm范圍內(nèi)的磨損顆粒，定性、定量分析潤滑油中磨損顆粒的形貌、尺寸、及其分布，可靠性較高、成本較低。但是該技術(shù)也有局限性：（1）試驗(yàn)過程繁瑣、制片麻煩、速度慢；（2）在磨損顆粒形貌識(shí)別、磨損類型及磨損程度、故障判斷方面，對(duì)分析人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求很高；（3）不能測(cè)定磨損顆粒的具體成分。

1.4 掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)

掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)是將掃描電子顯微鏡和 X-射線能譜儀結(jié)合的一種分析手段，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能，一方面是觀察磨損顆粒形貌的細(xì)節(jié)，更好判斷磨損顆粒的磨損類型；另一方面是可以定性、半定量分析磨損顆粒的成分，確定其材質(zhì)。

掃描電子顯微鏡-能譜分析的特點(diǎn)是能夠觀察磨損顆粒的微觀形貌，并對(duì)磨損顆粒進(jìn)行成分分析，判斷其材料牌號(hào)，確定故障零部件。但是該技術(shù)也有局限性：（1）制樣繁瑣，分析費(fèi)時(shí)；（2）顯示不出磨損顆粒的光學(xué)特性；（3）樣品不能直接進(jìn)行分析；（4）由于顆粒細(xì)小，進(jìn)行分析時(shí)易污染設(shè)備。

2 應(yīng)用案例

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車中，采用光譜分析、鐵譜分析、自動(dòng)磨粒分析、掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)對(duì)傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)的磨損狀況進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，為該發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行提供保障。

2.1 光譜分析

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中，開展了潤滑油中磨損顆粒分析工作，首先采用光譜分析監(jiān)測(cè)每個(gè)階段的潤滑油，對(duì)其中所含元素的情況進(jìn)行分析，以隨時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損狀況。某個(gè)階段主要元素的光譜分析結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，光譜分析結(jié)果在經(jīng)驗(yàn)值（Fe≤8.5 ppm，Cu≤6 ppm，Ag≤4 ppm）內(nèi)波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。第二階段的光譜分析結(jié)果見圖2。

圖1 某階段滑油光譜分析結(jié)果Fig.1 The spectrum analysis results of some phase

圖2 第二階段滑油光譜分析結(jié)果Fig.2 The spectrum analysis results of 2nd phase

由圖2可以看出，2-30號(hào)油液光譜結(jié)果顯示該發(fā)動(dòng)機(jī)的鐵、銀元素含量都超過了經(jīng)驗(yàn)值， 從2-29到 2-30樣品的光譜值劇增，傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常磨損。

2.2 自動(dòng)磨粒分析

由于 2-30號(hào)樣品的光譜值超出經(jīng)驗(yàn)值，需進(jìn)行自動(dòng)磨粒分析，從磨損顆粒的數(shù)量和磨損類型給出分析意見。將 2-28、2-29、2-30樣品進(jìn)行自動(dòng)磨粒對(duì)比分析，結(jié)果見表1、圖3。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出：同一個(gè)樣品中按照磨損類型，將磨損顆粒的數(shù)量從多到少排列，依次為疲勞磨損、滑動(dòng)磨損、切削磨損；不同樣品、同一磨粒類型、同一尺寸范圍磨損顆粒數(shù)量相比， 2-30號(hào)樣品的增長均較為迅速，屬異常增長，表明傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)發(fā)生了異常磨損。

圖3 2-3樣品自動(dòng)磨粒分析磨粒的形貌Fig.3 The LNF morphology of sample 2-3

2.3 鐵譜分析

為了準(zhǔn)確判斷異常磨損類型和機(jī)理，采用鐵譜分析作進(jìn)一步診斷。將第二階段的樣品制成鐵譜譜片，在顯微鏡下觀察，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，2-28、2-29樣品中各類型磨損顆粒很少，2-30號(hào)樣品中各類型磨損顆粒突然增多、尺寸變大。同時(shí)在2-30號(hào)樣品（見圖4）中發(fā)現(xiàn)了較多5μm以下的球形顆粒。球形顆粒主要由滾動(dòng)軸承疲勞磨損、氣蝕、焊接、磨削等因素產(chǎn)生，可以通過產(chǎn)生機(jī)理、尺寸大小、數(shù)量等對(duì)球形顆粒的來源進(jìn)行判斷。其中由氣蝕、焊接和磨削等原因產(chǎn)生的球形顆粒尺寸都大于10 μm，而滾動(dòng)軸承疲勞磨損產(chǎn)生的球形顆粒一般為1～5 μm，它的出現(xiàn)是極為明顯的故障臨近的報(bào)警信號(hào)。2-30樣品中1～5 μm球形顆粒數(shù)量迅速增加，同時(shí)伴有其他磨損粒數(shù)量的增多，說明發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)發(fā)生了異常磨損。

圖4 各類磨損顆粒形貌Fig.4 The ferrography morphology of variable wear particles

表1 自動(dòng)磨粒分析結(jié)果Table 1 The LNF analysis results 個(gè)/mL

表2 鐵譜分析結(jié)果Table 2 The ferrography analysis results 個(gè)/mL

2.4 掃描電子顯微鏡-能譜分析

為了準(zhǔn)確確定發(fā)生磨損故障的部位，在掃描電鏡中對(duì)磨損顆粒進(jìn)行了微觀觀察，典型異常磨損顆粒形貌見圖5。對(duì)圖5中典型的磨損顆粒進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：大部分球形顆粒、疲勞磨損顆粒和切削磨損顆粒成分與軸承滾珠材料基本一致，少量疲勞磨損顆粒成分與保持架涂層材料一致，大部分嚴(yán)重滑動(dòng)磨損顆粒與軸承內(nèi)外環(huán)材料一致。說明發(fā)動(dòng)機(jī)軸承發(fā)生了異常磨損。

圖5 各類磨損顆粒掃描電子顯微鏡-能譜分析結(jié)果Fig.5 The SEM results of variable wear particles

4 結(jié)束語

（1）通過上述綜合分析結(jié)果判斷：發(fā)動(dòng)機(jī)軸承存在異常的磨損，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)分解后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸承的滾珠表面失去金屬光澤，有明顯的麻坑；內(nèi)外環(huán)跑道存在過熱灼燒的痕跡和磨損；保持架表面有輕微磨損。驗(yàn)證了磨損顆粒綜合分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）光譜分析、自動(dòng)磨粒分析、鐵譜分析、電子顯微鏡-能譜分析等四種技術(shù)各具特點(diǎn)、互為補(bǔ)充。綜合利用上述分析技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損故障隱患，準(zhǔn)確判斷異常磨損部位，有效、快捷的進(jìn)行磨損故障的預(yù)先診斷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

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