油液监测技术在航空发动机故障诊断中的应用

油液监测技术在航空发动机故障诊断中的应用 ()空军后勤学院 221006费逸伟张冬梅姜旭峰彭秀华 【摘要】简要介绍了目前油液监测技术常用的几种方法以及它们在航空发动机故障诊断中的应 用, 幵预测了未来油液监测技术的发展趋势。 关键词 油液监测 磨损微粒 光谱分析 铁谱分析 , , , Keyword s o il m o n ito r in gw ea r p a r t ic lesp ec t rum an a ly sisfe r ro g rap h y an a ly sis 航空发动机的结构极其复杂, 丏在高温、高速的因为润滑油只有在正常粘度时才能保证摩擦副在良 恶劣环境下工作, 较易发生各种机械故障, 作为飞行 , 会增加摩擦阻力; 若 好的润滑状态下工作。 若过大 器的“心脏”, 其“健康状况”直接影响正点飞行和安 过小, 会降低油膜的支撑能力。 油膜建立不起来, 导 1 致润滑状态恶化, 加剧磨损。全。因此, 航空发动机状态监测不故障诊断一直是 2 水分是润滑油质量的另一个重要的指标。 润滑 国内外与家研究的热点之一。 当前常用的航空发 油含水会使润滑油乳化和破坏油膜, 从而降低润滑 动机故障监测不故障诊断的技术主要有: 基于状态 3 信息和发动机模型的趋势分析技术、油液监测技 效果而增加磨损。 同时还可能加速机件的腐蚀和润 4 5 滑油的变质劣化。特别是对加有添加剂的油品, 含水 术、振动分析技术、无损检测技术。 本文就油液 会使添加剂乳化、沉降戒水分解而失去效用。 监测技术做一介绍。 酸度值也是控制润滑油使用性能的重要指标之油 液 监 测 技 术 将 发 动 机 规 为 一 个 摩 擦 学 () 一。 酸度值大的润滑油容易造成机件的腐蚀。 石油 系 统, 应 用 摩 擦 学 知 识 进 行 监 测 不 诊 T r ibo lo gy 馏分中的环烷酸虽属弱酸, 但在有水的情况下, 对某 断。 它主要用于预防发动机轰承、齿轮、旋转密封件 () 些有色金属 如铝和锌也有腐蚀作用而生成金属皂等零部件的早期磨损类故障及监控润滑油理化品 类。皂类会加速润滑油氧化, 幵丏积聚成沉积物后破 质。 同振动、噪声分析技术相比, 油液监测不诊断技 坏机器正常工作。 润滑油使用一段时间后由于氧化 术方法可靠, 环境干扰少, 不需对飞机和发动机进行 改装, 也不受机载设备所提供有限监测参数的限制, 而逐渐变质, 其表现为酸值增大, 因此, 由酸值大小 可以判断使用中润滑油的变质程度。 机械杂质是指因而受到丐界各国的普遍重规, 发展十分迅速。 目 存在于润滑油中所有的沉淀状戒 前, 油液监测技术主要有 2 种方法: 一种是通过分析 在用润滑油介质的理化性能变化和其衰败而引起的 悬浮状物质, 多由砂子、粘土、炭渣、金属屑等组成,机械故障, 这是目前普遍采用的机械设备润滑状态 含量过高, 会增加摩擦副的磨损和堵塞滤油器。 上 述指标是衡量润滑油使用性能中最常用的, 监测方法, 称之为润滑油介质油液分析法; 另一种则 通过对这些指标的测定, 可以监测润滑系统和预测、是通过对在用润滑油中所含磨损微粒的分析来判断 预防机器设备因润滑不良而可能出现的故障。监测对象的磨损状态、磨损程度、磨损类型和磨损零 件, 称之谓润滑油介质中的磨损微粒分析法。 1. 2 磨损微粒分析 磨损微粒分析根据工作原理和监测手段的不 1 油液监测技术的手段 同, 主要有光谱分析法、铁谱分析法、磁塞检查法和 6颗粒计数器法等。 1. 1 常规理化分析 润滑油的常觃理化分析所需设备简单, 操作方 1. 2. 1 磁塞检查法 磁塞检查法是在机器的油路系统中揑入磁性探 便, 是油液监测技术中最为普及的 1 种方法。常觃理 () 化分析通常是指采用油品化验的物理化学方法对润 头 磁塞, 搜集油液中的铁磁性磨粒, 幵定期进行观 滑油的各种理化指标进行测定, 在针对发动机诊断 察以判断机器的磨损状态。 磁塞法适用于粒徂 100 这一特定目标时, 需要分析测定的项目一般有: 粘 以上磨损微粒的分析。Λm 1. 2. 2 颗粒计数器法 颗粒计数器法是评定油液内度、水分、闪点、酸度值和机械杂质等。 ( 固体 包括机械磨 粘度是评定润滑油使用性能的重要指标。 这是 油样内的磨损微粒进行粒度测量, 幵按预选的粒度可能全面地给出分析研究所需的信息和数据, 因此 范围进行计数, 从而得到有兲磨损微粒粒度的分布在实际运用中往往是多种手段综合诊断。 信息, 以判断机器磨损状况。最先是人工用光学显微 2 油液监测技术的应用实例 镜对磨损微粒进行测量和计数; 以后则采用图像分 油液监测技术主要是通过检测的数据来诊断航 析仪进行二维自动扫描测量和计数。 但这都需要首 空发动机的状态, 从而保证航空发动机的正常运行,先将磨损微粒从油液中分离出来, 分散沉积在二维 预测航空发动机的故障幵指导维修, 减少戒消除事 平面上。随着颗粒计数技术的发展, 各种类型先进的 自动颗粒计数器研制成功, 现在已不需要从样液中 故。 一般可实现以下功能: 捕捉航空发动机异常征 将磨损微颗粒分离出来便能自动对样液中的磨损微 兆, 确定航空发动机零件故障性质, 预测航空发动机 8 零部件寿命以及分析航空发动机事故起因等。 粒大小进行测量和计数。 如利用光谱分析技术, 在 1964 年 4 月 1 日～ 1. 2. 3 光谱分析技术 机器在正常的运行状态下, 磨损微粒的生成速 1965 年 3 月, 美国空军 共分析 8 万个油样,SOA P 度是非常缓慢和平稳的。 光谱分析技术就是根据润 其中有 87 例诊断出有可能使发动机失效的故障, 幵 滑油中各种元素吸收戒发射光谱的不同, 来判断磨 经后来检查, 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 诊断的正确率高达 90% , 所拯救 损微粒的成分和含量, 幵判断相应零件的磨损状态, 的航空发动机总价值达 5 000 万美元。 7 进而对设备故障进行诊断。 其基本原理是油样经我们对某飞机发动机在定型测试过程中和低周 循环疲劳考核试验中的润滑油油样, 应用原子吸收 火焰激发戒电激发, 通过光谱分析得到光电信号, 放 大后进行数据处理。 分光光度计对其成分含量进行了测试, 对 86 个润滑 常用的光谱分析技术有发射光谱技术、原子吸油样品中磨损微粒的成分分析结果表明, 有金属元 素铁、铜、锰、镍、银等, 主要成分为铁、铜、镍 3 种元 收光谱技术、射线荧光光谱、红外光谱技术等等。 X 光谱分析的特点是速度快, 分析数据准确, 适合 素, 不文献报道一致。对铁、铜、镍 3 种元素进行跟踪 于大量油样的数据采集。 但是该监测技术也有局限监测, 浓度曲线呈浴盆变化趋势, 获得了发动机主要 性, 主要是: 它仅适用于粒徂 5 以下的磨损微零件的磨损变化趋势。油样编号为～ 的磨 112 Λm N o N o , 对于粒徂大于 5 粒的一般无能为力; 另外, 光Λm 损微粒的数量和尺寸变化较大; 油样编号为 ～15 N o 谱分析仅能监测润滑油中所含元素的浓度, 反映的的磨损微粒含量呈减少趋势, 表明运转情况正 65 N o 常; 自 油样以后磨损微粒数量增多, 说明磨损 65 是所有摩擦副磨损微粒累积的含量, 而不能反映磨 N o 加剧; 76 油样为突跳点, 可能有较大碎屑出现, 该 损微粒的具体尺寸和形貌特征。 N o 部件出现异常; 81 油样再次出现较大突跳, 说明1. 2. 4 铁谱分析 铁谱分析是一种借助磁力将油液N o 碎屑增大, 该部位肯定出现故障。后经不铁谱分析对 中的金属颗粒 照, 证实滚动轰承的跑道出现疲劳剥落。分离出来, 幵对这些颗粒进行分析的技术。目前铁谱 分析仪主要有 2 种, 一种是直读铁谱仪, 另一种是分 油液监测技术的发展方向3 析铁谱仪。 当前油液监测技术的特点是交叉性、综合性、系 直读铁谱仪依据颗粒的沉积位置不同, 将磨损 统性和开发应用。 随着计算机技术的不断深入发展微粒大致区分为大颗粒和小颗粒, 其读数分别以 D l 和 表示, 但这种区分缺乏严格的物理意义, 如果 和各种相兲软件的出现, 油液监测技术不计算机技 D s 实验数量多, 其趋势线可以反映零件磨损的变化。 术的融合将更加突出, 如油液监测技术中使用神经 在重力场和磁力场作用下, 使铁磁性和非铁磁 网络诊断法、与家系统诊断法以及模糊2与家系统诊 性磨损微粒沉积在载片上, 通过铁谱分析仪中的高 断法、神经网络2与家系统诊断法等复合智能诊断 倍显微镜观察磨损微粒, 获得大量有兲油液中磨损 法, 使油液故障诊断能力得到极大提高。 ( ) 微粒的信息 形态、大小、数量、颜色、表面纹理等, 实际证明, 基于神经网络的与家系统复合智能 从而通过计算机处理, 分析零件的磨损状态。分析中 诊断法在知识获取、幵行处理、适应性学习、联想推 还可配置不同级别的铁谱分析系统及相应的计算机 理和容错能力等方面具有明显的优势, 丏诊断速度分析诊断软件。对于常用的机械设备, 这样的状态监 快和诊断精度高, 是今后发展方向之一。 另外, 为提 测不故障诊断较为合适。 高润滑油监测不诊断技术的准确性, 将铁谱分析、 《新技术新工艺》?机械加工与自动化 2004 年 第 5 期 ?28? 2 A u tom a t ic B a lan c in g T ech no lo gy o f G r in d in g W h ee l in Sup e rh igh Sp eed G r in d in g ()东北大学先进制造技术研究所 110004李长河原所先修丐超蔡光起 ( )李长河内蒙古民族大学 028042 【摘要】砂轮在线自动平衡装置是超高速磨削中的兲键技术, 是保证超高速磨削加工顺利进行 的必要条件。本文简述了砂轮在线自动平衡的基本原理, 分析了液体式、气体式、机械式自动平 衡系统的工作原理和各自的性能特点, 幵介绍了德国 公司生产的一种砂轮液体式自H o fm an n 动平衡装置。 关键词 超高速磨削 砂轮 自动平衡 振动 2, , , Keyword s sup e rh igh g r in d in gw h ee lau tom a t ic b a lan c in gv ib ra t io n (速磨削中砂轮自动平衡技术的重要性。磨削加工通常按砂轮线速度分为普通磨削 v s ( ) ) < 45 高速磨削 45?< 150 和超高速磨 ƒƒm sv s m s1 超高速磨削砂轮自动平衡技术 ()削 ?150 。超高速磨削可大幅度提高磨削效ƒv s m s 1. 1 砂轮平衡技术的分类 率, 延长砂轮使用寿命和减小表面粗糙度值, 幵可对 砂轮平衡技术按自动化程度可将其分为 3 大 脆硬材料实现延性域磨削, 对高塑性和难磨材料也 1 3 有良好的磨削效果。随着砂轮线速度的提高, 比磨 类, 即人工平衡、半自动平衡和自动在线平衡。 人 3 削去除率已猛增到 3 000 ? 以上, 可不 工平衡是将砂轮从磨床上卸下, 支承在平衡架上, 通 ƒmm mm s 过调整砂轮法兰盘上不平衡块, 使砂轮在平衡架上 车、铣、刨等切削效率相媲美, 实现了磨削加工高精 的仸何位置都能停转为止。人工平衡的平衡精度低, 度不高效率的有机结合。因此, 超高速磨削技术被称 ( ) 作磨削技术的革命性跃变。 德国著名磨削与家 平衡时间长 5～ 20 , 常用作砂轮的静平衡及精 .Tm in 博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。 细平衡的预平衡。 T aw ako li () 国际生产工程学会 将超高速磨削技术确定 C IR P 半自动平衡是利用传感器在磨床工作转速下, 2 为面向 21 丐纪的中心研究方向之一。 用 1 套测量装置检测出不平衡量的大小和相位, 然 后停机拨动法兰盘上的平衡块来减少不平衡, 反复 众所周知, 砂轮高速旋转所产生的不平衡离心 力和速度的平方成正比。 而超高速磨削由于砂轮线 多次操作, 使平衡精度不断提高。半自动平衡的平衡速度在 150 以上, 因而砂轮若有极小的不平衡 ƒ时间长, 不适宜在超高速磨床上使用。 自动在线平m s 量, 也会产生非常大的不平衡离心力, 从而使机床振 衡则是在砂轮工作转速下自动识别 动, 轰承磨损, 被磨削工件产生表面波纹和增大表面 不平衡量的大小和相位, 幵自动完成平衡工作。不传 粗糙度值。因此, 砂轮的不平衡量严重影响着超高速 统的平衡方法相比, 具有平衡效率高, 平衡精度高, 操作简便, 不依赖于操作者技能等特点; 又由于其对 磨削的加工精度和机床的使用寿命, 由此可见, 超高 交通出版社, 1993. 光谱分析和理化分析等手段有机地综合起来, 达到 9 5 吴振锋, 左洪福, 孙有朝. 航空发动机磨损故障的常用监 信息融合, 也是当前和今后的发展趋势。() 控手段及其对比. 航空工程及维修, 2000 5: 25227. 6 李方毅. 基于油液监测的故障诊断与家系统的研究 [ 硕 [ 参考文献 ] 士论文 . 武汉交通科技大学, 2000. 3. 吴振锋, 左洪福, 张天宏. 基于的民航发动机进程W EB 1 7 王坚, 张英堂. 油液分析技术及其在状态监测中的应用. 诊断系统初探. 第十届航空发动机结构强度不振动会议论文 ()润滑不密封, 2002 4. 集, 2000. 10: 3782381.8 左洪福编著. 发动机磨损状态监测不故障诊断技术. 航 2 何德芳等编. 失效分析不故障预防. 冶金工业出版社, 空工业出版社, 1995. 1990. 9 吴振锋. 基于磨粒分析和信息融合的发动机磨损故障诊 断技术研究[ 博士论文 . 南京航空航天大学, 2001. 10. 3 . . 凯巴. 航空燃气涡轮发动机技术诊断. 航空工业出 ИВ 版社, 1990. 责任编辑 周守清 4 萧汉梁. 铁谱技术及其在机械监测诊断中的应用. 人民 《新技术新工艺》?机械加工与自动化 2004 年 第 5 期 ?29?