滑油監(jiān)控技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用

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摘要：本文通過(guò)對(duì)滑油監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行介紹，分析了滑油系統(tǒng)受污染原因及引起的危害性，將其綜合應(yīng)用于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷分析中，解決了附件機(jī)匣傳動(dòng)齒輪軸承保持架斷裂脫落引起的滑油系統(tǒng)異常警報(bào)問(wèn)題，消除故障隱患，有效保障飛行安全，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；滑油診斷；故障監(jiān)測(cè)

滑油系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要系統(tǒng)之一，主要給發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、軸承等機(jī)械旋轉(zhuǎn)件提供充足的滑油進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。如果滑油系統(tǒng)供油不充分，噴油嘴堵塞等故障導(dǎo)致齒輪、軸承等旋轉(zhuǎn)件得不到充分的潤(rùn)滑，那么就可能產(chǎn)生機(jī)械磨損、點(diǎn)蝕、剝落、膠合等故障，金屬磨屑隨著滑油進(jìn)行循環(huán)，又會(huì)進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生傷害，磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致抱軸，造成發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)。為消除故障隱患，對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控檢查，保證發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件健康運(yùn)行。滑油系統(tǒng)監(jiān)控分兩種，一種是在線(xiàn)監(jiān)控，如磁塞探測(cè)器的檢查；一種是離線(xiàn)檢測(cè)，即采樣工作后的滑油進(jìn)行光譜分析和鐵譜分析，對(duì)滑油中金屬成分、含量和磨粒尺寸等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)數(shù)據(jù)定位故障部位，評(píng)估受損程度，隨之制定合理的維修方案，有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。下面介紹滑油監(jiān)控技術(shù)及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況。

1滑油監(jiān)控技術(shù)

利用系統(tǒng)中滑油具有循環(huán)使用這一特點(diǎn)，通過(guò)分析被檢測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油中攜帶零件結(jié)構(gòu)疲勞破裂產(chǎn)生的磨屑數(shù)量、成分，可以直觀反映發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)件的工作狀況、接觸表面的損傷情況，為轉(zhuǎn)子軸承、齒輪等重要零部件的故障監(jiān)控和技術(shù)診斷提供有力依據(jù)。從而使對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的使用壽命和可靠性分析評(píng)估更加準(zhǔn)確，使維修方案更有針對(duì)性、更加有效。1.1磁塞檢測(cè)法。磁塞又稱(chēng)磁性金屬屑探測(cè)器，安裝在回油路的不同部位，其內(nèi)部永磁鐵和濾網(wǎng)可以吸附油路中機(jī)件工作磨損脫落下的鐵磁性金屬屑。一般在發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)后維護(hù)前取出磁性探針進(jìn)行檢查，觀察探針上金屬屑顆粒大小、數(shù)量、色澤、形態(tài)，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)件是否出現(xiàn)過(guò)度磨損、疲勞損傷問(wèn)題，并立即采取相應(yīng)的維修手段，因此初步預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障發(fā)生情況。磁塞探測(cè)法所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作起來(lái)較為方便，是目前使用廣泛的機(jī)載滑油監(jiān)測(cè)技術(shù)。但僅適用于鐵磁性金屬屑收集，對(duì)于非鐵磁性機(jī)件間磨損產(chǎn)生的顆粒無(wú)法有效收集；滑油中仍然存在大量小于50μm的金屬屑，由于磁矩小不易被磁性探針吸附，導(dǎo)致探測(cè)樣本有限，無(wú)法全面反映磨損狀況；同一型號(hào)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的初始金屬碎屑數(shù)量無(wú)法達(dá)到一致，差別巨大，很難劃定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)界限；當(dāng)滑油中金屬屑數(shù)量過(guò)多，金屬探針達(dá)到飽和，無(wú)法繼續(xù)吸附金屬磨粒，采集不夠全面，因此探針需頻繁更換，較為繁瑣。1.2光譜分析法。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，零件磨損處表面會(huì)剝落大量碎屑顆粒，混合進(jìn)滑油中，參與滑油循環(huán)。盡管大尺寸金屬顆粒會(huì)被油濾和金屬屑探測(cè)器所截獲，但大量細(xì)小微粒仍懸浮在滑油中，運(yùn)用磁塞監(jiān)測(cè)法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損狀況分析是不全面的，容易產(chǎn)生較大誤差?；凸庾V分析技術(shù)可以監(jiān)測(cè)到滑油中Fe，Al，Cu，Cr，Sn，Mg，Ti，Ni等構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的主要金屬元素含量。該技術(shù)原理是，通過(guò)對(duì)所取滑油樣本進(jìn)行燃燒，不同種金屬顆粒會(huì)被激發(fā)出其特定的元素輻射光譜，光的強(qiáng)度大小表明該金屬含量多少。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得能譜、脈沖計(jì)數(shù)率和放射強(qiáng)度，可以分析出磨損金屬元素種類(lèi)及含量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部磨損情況和工作狀況進(jìn)行評(píng)估。光譜分析法可以監(jiān)測(cè)1μm級(jí)的微粒，適用于早期發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損監(jiān)測(cè)和故障預(yù)防，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)每工作25h進(jìn)行一次檢測(cè)。1.3鐵譜分析法。鐵譜分析技術(shù)是基于發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦件大多是鐵磁性材料這一特點(diǎn)，以磁譜儀為工具，在高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，可以將滑油中的金屬磨屑分離，并按尺寸大小逐次不重疊地沉積在一透明載體基片上，再對(duì)微粒進(jìn)行觀察測(cè)量分析的一種應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況監(jiān)控的技術(shù)。一般正常磨損產(chǎn)生微粒的尺寸小于10~15μm，各種失效磨損產(chǎn)生初期微粒的尺寸為15~200μm，鐵譜分析技術(shù)可以收集1~200μm尺寸范圍內(nèi)的微粒。[4]由此可見(jiàn)，鐵譜分析范圍將大多數(shù)因磨損而產(chǎn)生的微粒尺寸涵蓋在內(nèi)。另外，利用鐵譜顯微鏡對(duì)基片上微粒沉積區(qū)進(jìn)行光密度測(cè)量，得到磨粒形態(tài)特征，以此研究磨損形式機(jī)理，預(yù)測(cè)磨損發(fā)展趨勢(shì)，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行有效磨損故障預(yù)報(bào)。但在分析監(jiān)測(cè)多材質(zhì)摩擦副磨損情況時(shí)，由于部分材料不具有鐵磁性，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差過(guò)大，鐵譜分析法在這種情況下并不適用。此外，該技術(shù)缺少標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化流程，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和經(jīng)驗(yàn)有較高的要求，分析結(jié)果對(duì)專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)性較強(qiáng)。并且鐵譜分析法所需特定監(jiān)測(cè)設(shè)備，受場(chǎng)地的局限不易移動(dòng)，因此不能就地快速有效分析故障原因。

2滑油監(jiān)測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

滑油檢測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，如在油氣分離器上安裝了磁塞探測(cè)器，當(dāng)探測(cè)器上積累了一定的金屬屑，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)發(fā)生警報(bào)信號(hào)，通知維修人員進(jìn)行修理，發(fā)動(dòng)機(jī)每使用25±5小時(shí)后，維修人員就要按規(guī)定對(duì)滑油采樣，進(jìn)行光譜分析或鐵譜分析，檢查滑油中的金屬含量是否超過(guò)警告值，從而判斷滑油系統(tǒng)的工作情況。下面舉例說(shuō)明。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)首次裝機(jī)使用5h后，發(fā)出滑油系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，維修人員進(jìn)行地面檢查，發(fā)現(xiàn)油路中濾網(wǎng)和磁塞探測(cè)器上吸附有少量金屬屑。經(jīng)分析認(rèn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)處于初始磨合期，濾網(wǎng)和磁塞探測(cè)器上的金屬屑是初始磨合的產(chǎn)物。初始磨合過(guò)后就不會(huì)產(chǎn)生金屬屑了。因此制定的維修方案是放出滑油系統(tǒng)內(nèi)的滑油，更換清潔滑油，發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)，沖洗滑油系統(tǒng)，再次放出滑油系統(tǒng)內(nèi)的滑油，更換清潔滑油，發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控使用。發(fā)動(dòng)機(jī)再次工作5h后，警報(bào)仍未解除，油路中再次懸浮大量金屬屑顆粒。遂對(duì)油液取樣，進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)鐵、銅元素濃度超標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在較嚴(yán)重的機(jī)械磨損故障。經(jīng)分析：鐵元素可能主要來(lái)自于齒輪、軸承、調(diào)整墊圈、封嚴(yán)漲圈等機(jī)件；銅元素可能主要來(lái)自于軸承保持架，滑油泵上的青銅襯套等機(jī)件。再用鐵譜顯微鏡觀察鐵譜片上微粒沉積區(qū)，發(fā)現(xiàn)片狀磨粒數(shù)量異常，初步判斷發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)軸承發(fā)生故障，然后分別從各附件系統(tǒng)滑油取樣，進(jìn)行光譜分析，發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣滑油中的銅元素含量明顯高于其他部位。制定維修方案如下：將發(fā)動(dòng)機(jī)從飛機(jī)上分下來(lái)，分解相關(guān)機(jī)件及附件機(jī)匣，打開(kāi)附件機(jī)匣蓋，發(fā)現(xiàn)附件機(jī)匣傳動(dòng)齒輪軸承保持架斷裂脫落，軸承滾珠磨損異常，表面有嚴(yán)重的金屬剝落及坑痕。更換附件機(jī)匣齒輪傳動(dòng)軸承，按工藝規(guī)程進(jìn)行裝配、試驗(yàn)，合格后裝機(jī)檢查，滑油系統(tǒng)工作正常，故障排除，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)使用。從上面例子可以看出，采用滑油監(jiān)控技術(shù)消除了一起嚴(yán)重的故障隱患，保證了飛行安全。

3結(jié)論

本文介紹了滑油監(jiān)測(cè)技術(shù)中的磁塞檢測(cè)法、鐵譜分析法、光譜分析法，并將之應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中，大大減少人為因素、方法受限等原因造成的誤差，提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，保障飛行安全，主要結(jié)論如下：①發(fā)現(xiàn)滑油濾和磁塞探測(cè)器上有大量顆粒堆積時(shí)，應(yīng)立即停車(chē)檢查；②對(duì)油液取樣進(jìn)行光譜分析和鐵譜分析，綜合分析比對(duì)檢測(cè)結(jié)果，初步推測(cè)故障點(diǎn)；③細(xì)分部位再光譜分析，精確定位到故障部件，開(kāi)展預(yù)防性維修工作，避免過(guò)剩維修。

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作者:郝嘉玉 陳禮順 單位:1.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2.南昌航空大學(xué)