航空發動機滑油綜合監控方法及應用

摘 要：傳統光譜分析手段在航空發動機磨損類故障定位方面局限性突顯。綜合應用光譜監控分析、鐵譜監控分析、自動磨粒監控三種技術在航空發動機的磨損類故障檢測中具有互補準確的優點。針對國產新型發動機的綜合監控方法和數據庫軟件的應用能大大提高航空發動機滑油監控的安

全性。

關鍵詞：航空發動機 滑油綜合監控方法 優點

中圖分類號：V233 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-00-04

滑油監控可以在航空發動機出現重大磨損故障之前有效診斷出部件非正常磨損及可能因磨損失效而導致的潛在故障；對于降低故障損失及事故的發生率具有重要的意義。我國空軍于20世紀80年代開展了發動機滑油光譜監控技術的應用，在對發動機的預防維修上起到了重要作用。但光譜分析手段只能判斷各種金屬元素在油樣中的濃度，無法判斷磨粒的外觀形貌和磨損特征，存在無法對發動機磨損類故障進行準確定位的問題。所以如何將先進的油液監控技術綜合應用，并借助計算機信息管理來提高監控和診斷水平是此類技術現階段發展的重點。

1 傳統檢測方法的局限性

傳統原子發射光譜分析技術在我國空軍近20年對航空發動機潛在故障的安全監控過程中起到了重要作用。據統計，自引進光譜分析以來空軍成功預報了160余臺航空發動機的磨損類故障，避免了因發動機故障隱患而引起的人員傷亡和財產損失。

但近些年來，曾多次出現飛機飛行中報滑油金屬屑超標警告，飛行后進行光譜檢測得出數據卻在正常范圍。進而檢查滑油濾發現，其上有大量大顆粒金屬磨屑。

最后分解檢查發動機發現軸間間隙超標或軸承保持架損壞、棍棒剝落等現象。這是由于原子光譜儀是通過小顆粒的累積數量來評定磨損狀況，突然出現的少量大顆粒并不會立即使顆?？偭砍瑯?，但可能是突發性故障的預兆。

另外，原子發射光譜儀主要分析滑油中由擦拭磨損和腐蝕磨損產生的尺寸較小磨屑；對滾動接觸的疲勞磨損和嚴重的切削磨損產物，其檢測有效性很差。表1列出不同磨屑尺寸下Fe、Cu兩種元素光譜檢測的精確度。

2 航空發動機滑油綜合監控方法

本論文提出的綜合監控是首次將滑油光譜監控分析、鐵譜監控分析、自動磨粒監控3種技術綜合應用于某新型國產發動機的維修保障工作。其中，光譜分析作為一種較為成熟的技術適用于10 μm以下的金屬檢測，而鐵譜與自動磨粒檢測則是與之互補的較大磨粒監測方法。綜合運用以上3種方法對發動機磨損類故障進行預判并準確定位具有重要作用。下面分別介紹3種方法的具體內容，并針對鐵譜和自動磨粒監控具體方法作詳細說明。

2.1 光譜監控分析

滑油光譜分析法是利用滑油中各種元素的原子發射光譜或吸收光譜的不同，來分析滑油中磨粒的化學成分和含量，判斷機件磨損的部位和磨損嚴重程度，確定相應零件的磨損狀態，進而進行發動機使用狀況監控和診斷。由于新研發動機滑油潤滑機件相比以往使用更多的合金，所以以Fe、Cu為主要磨損元素的光譜分析已不能滿足新式發動機更全面細致分析的需要。本論文中的光譜監控首先研究發動機潤滑部件及零件的元素組成。初步得出以Fe、Al、Cu、Cr、Ag、Ti、Mg為重要元素，Zn、Cd、Si、Pb、Sn、Mo為參考元素。這些元素主要是易磨損的主軸承、滑油回油泵銅襯套、回油泵殼體、離心通風器及外置機匣軸承襯套的組成元素。其次，分別從發附機匣、飛附機匣、滑油箱放油點各取樣60～80 ml作為檢測油樣，使用光譜分析儀（如MOA-Ⅰ型或MOA-Ⅱ型）進行濃度檢測。測得值以ppm（μg/g）

作為量值單位，精度可達0.01 ppm。最后，將13種元素的量值數據記錄后與對應元素標準界限值對比，找出超限元素錄入光譜監控數據庫，觀察參量累積變化趨勢。從而分析得出類似主軸承磨損、回油泵殼體嚴重磨損等故障結論，進而有針對性的檢查排故。

2.2 滑油鐵譜與自動磨粒監控方法

鐵譜技術是利用高梯度強磁場的作用，從滑油系統內采取的油樣中分離出磨損顆粒，并借助不同的儀器檢驗分析這些磨損顆粒的形貌、大小、數量、成分，從而對機械零部件的運轉工況和磨損狀態分析判斷的一項技術。而自動磨粒檢測技術是一種智能化油液監控技術，自動識別較大磨粒類型、濃度、尺寸分布，以及顆粒污染度。同鐵譜分析一樣，如果檢測結果異常，必需配合發動機滑油濾、磁塞及相關發動機參數的檢查，查找故障部件和原因。

2.2.1 采樣

鐵譜和自磨分析主要是以滑油箱滑油作為油樣，采樣量不少于80 mL。新裝機使用的發動機，前10+5個飛行架次，在每架次飛行結束后從滑油箱采樣分析，若前10+5個飛行架次監控未見異常，則定為每個飛行日結束后從滑油箱采樣分析。發動機試車后和因軸承疑點列入監控使用的發動機都需要從滑油箱采樣并進行鐵譜分析?；凸庾V中鐵含量大于3 ppm，銅含量大于2 ppm和重要磨損元素超過規定濃度警告值或濃度增長率偏高時；另外，發動機振動值或軸承噪音值超過監控要求時，先檢查滑油濾、磁塞，再采樣進行磨粒檢測。采樣流程見圖1。

2.2.2測試分析

鐵譜分析采用如T2FM薊管式分析儀，制作和分析鐵譜片都嚴格按該儀器的操作手冊進行。自動磨粒檢測分析采用如LaserNet Fines-C自動磨粒檢測儀（簡稱LNF-C），并配合光譜分析和鐵譜分析進行綜合診斷，對發動機磨損情況及變化趨勢作出判斷。

2.2.3監控項目

鐵譜監控項目主要是磨粒鏈和特征磨粒數量。磨粒鏈按在100倍下鐵譜片上入口區的多少判別，分為無-0、少量-1、中量-2、大量-3、濃密-4共五個級別。特征磨粒（疲勞剝落、球形、層狀）濃度判別分級與磨粒鏈類似，其中疲勞剝落磨粒和層狀磨粒以長軸尺寸大小20 μm開始計數。（見表2）正常的發動機滑油鐵譜片上的磨粒鏈和特征磨粒數量應低于2級。

圖1 發動機滑油鐵譜及自動磨粒監控流程

自動磨粒的監控項主要是長軸尺寸>20 μm的切削磨粒、嚴重滑動磨粒、疲勞磨粒的濃度，長軸尺寸>20 μm的總磨粒濃度（3種磨粒濃度總和），以及油液污染度（GJB420），見表3所示。

2.2.4 軟件趨勢分析

基于ACCESS軟件和DELPHI軟件技術開發的發動機滑油監控分析軟件，是將數據信息管理技術應用到滑油綜合監控中的初步嘗試。技術人員將每一次飛行或地面開車前后滑油化驗數據、發動機工作參數錄入數據庫，在龐大數據基礎上以時間歷程的方式生成直觀分析曲線，滑油光譜、鐵譜、自磨數據一目了然。是否超過限制條件，趨勢走向是否平緩，有無數據突升等，結合當時發動機工作狀態，為發動機綜合監控和準確判斷提供了快速保證。圖2為軟件使用界面。

2.2.5 處理措施

對正常使用和監控使用的發動機進行鐵譜分析，鐵譜片上磨粒鏈或特征磨粒數量達到2級的發動機，須復驗，并在每架次飛行后在進行鐵譜分析；如果數量達到3級以上，若不能準確判斷發動機可能磨損部位或外場無法排除故障的發動機應立即停止使用。當鐵譜片上磨粒突發性增多，應進行地面試車并重新采樣分析；當鐵譜片上銅或白色金屬磨粒呈增多趨勢時，應分析可能的磨損部位、故障原因，對照檢查金屬屑傳感器、滑油濾、振動值等信息，以確定發動機能否繼續使用。

對首次裝機使用，5 h以內的發動機進行自動磨粒檢測，若數據異常，可更換滑油后繼續監控使用以排除磨合期的影響因素；對5 h以后的發動機，當滑油自動磨粒任何一項檢測數據異常時，應重新采樣分析。

在連續3次檢測出滑油中任何一種磨粒濃度超過規定值而總磨粒濃度正常和滑油中總磨粒度異常時，都應檢查滑油濾、磁塞及相關發動機參數，檢查未果，則發動機停止使用。對污染度超標，其他磨粒數據正常，光譜分析無異常的情況下應更換滑油后正常使用。

3 應用實例

某新型航空發動機連續3個飛行日滑油光譜分析中Ti、Fe元素有增長趨勢，針對此現象技術人員對滑油進行鐵譜和自動磨粒跟蹤監控分析，發現鐵譜和自動磨粒也相應的有明顯增長趨勢。經專家研究討論，建議飛機停飛，發動機返廠排故。

廠家在分解、檢查飛機附件機匣的過程中，發現機匣內主動錐齒輪支座嚴重磨損，經設計論證研究后對機匣內4個同類型齒輪支座進行鍍鎳處理，提高支座的抗磨損能力。此隱患如不及時發現并果斷處理，極有可能在空中導致等級事故發生，危及飛行安全，甚至造成上億元的重大經濟損失。經設計優化和工藝改進后的發動機，在后續科研試飛過程中再未發生類似磨損故障，證明綜合監控得出的結論確實可行，并保證了科研試飛的安全、持續進行。發動機滑油檢測結果如下表4。

4 結語

（1）該文提出了將滑油光譜分析、鐵譜監控分析、自動磨粒監控3種技術綜合應用與國產新型航空發動機的維修保障中，向先進的以磨屑分析、污染分析、和油液性質分析為內容的三維油液分析靠近。并且，研究制定出相應滑油監控的技術要求和監控方法。

（2）研發數據庫管理與分析軟件，可使技術人員對檢測數據形成直觀全面的認識，提高了判斷準確性和效率，為滑油綜合監控判斷磨損類故障的自動化和網絡化提供良好技術保障，為未來建立更加先進的油液監控與診斷系統打好基礎。

參考文獻

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