滑油监控技术在航空发动机的运用

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摘要：本文通过对滑油监控技术进行介绍，分析了滑油系统受污染原因及引起的危害性，将其综合应用于某型航空发动机故障诊断分析中，解决了附件机匣传动齿轮轴承保持架断裂脱落引起的滑油系统异常警报问题，消除故障隐患，有效保障飞行安全，具有重大的社会和经济效益。

关键词：航空发动机；滑油诊断；故障监测

滑油系统是航空发动机的重要系统之一，主要给发动机齿轮、轴承等机械旋转件提供充足的滑油进行润滑和冷却。如果滑油系统供油不充分，喷油嘴堵塞等故障导致齿轮、轴承等旋转件得不到充分的润滑，那么就可能产生机械磨损、点蚀、剥落、胶合等故障，金属磨屑随着滑油进行循环，又会进一步对发动机旋转件产生伤害，磨损严重时会导致抱轴，造成发动机停车。为消除故障隐患，对滑油系统进行监控检查，保证发动机旋转件健康运行。滑油系统监控分两种，一种是在线监控，如磁塞探测器的检查；一种是离线检测，即采样工作后的滑油进行光谱分析和铁谱分析，对滑油中金属成分、含量和磨粒尺寸等参数进行监控，根据数据定位故障部位，评估受损程度，随之制定合理的维修方案，有效提高航空发动机可靠性。下面介绍滑油监控技术及在航空发动机上的应用情况。

1滑油监控技术

利用系统中滑油具有循环使用这一特点，通过分析被检测航空发动机滑油中携带零件结构疲劳破裂产生的磨屑数量、成分，可以直观反映发动机内部机件的工作状况、接触表面的损伤情况，为转子轴承、齿轮等重要零部件的故障监控和技术诊断提供有力依据。从而使对发动机部件的使用寿命和可靠性分析评估更加准确，使维修方案更有针对性、更加有效。1.1磁塞检测法。磁塞又称磁性金属屑探测器，安装在回油路的不同部位，其内部永磁铁和滤网可以吸附油路中机件工作磨损脱落下的铁磁性金属屑。一般在发动机停车后维护前取出磁性探针进行检查，观察探针上金属屑颗粒大小、数量、色泽、形态，判断发动机内部机件是否出现过度磨损、疲劳损伤问题，并立即采取相应的维修手段，因此初步预测发动机内部故障发生情况。磁塞探测法所需设备结构简单、操作起来较为方便，是目前使用广泛的机载滑油监测技术。但仅适用于铁磁性金属屑收集，对于非铁磁性机件间磨损产生的颗粒无法有效收集；滑油中仍然存在大量小于50μm的金属屑，由于磁矩小不易被磁性探针吸附，导致探测样本有限，无法全面反映磨损状况；同一型号不同发动机的初始金属碎屑数量无法达到一致，差别巨大，很难划定统一标准界限；当滑油中金属屑数量过多，金属探针达到饱和，无法继续吸附金属磨粒，采集不够全面，因此探针需频繁更换，较为繁琐。1.2光谱分析法。在发动机运转过程中，零件磨损处表面会剥落大量碎屑颗粒，混合进滑油中，参与滑油循环。尽管大尺寸金属颗粒会被油滤和金属屑探测器所截获，但大量细小微粒仍悬浮在滑油中，运用磁塞监测法对发动机磨损状况分析是不全面的，容易产生较大误差。滑油光谱分析技术可以监测到滑油中Fe，Al，Cu，Cr，Sn，Mg，Ti，Ni等构成发动机零部件的主要金属元素含量。该技术原理是，通过对所取滑油样本进行燃烧，不同种金属颗粒会被激发出其特定的元素辐射光谱，光的强度大小表明该金属含量多少。因此根据实验测得能谱、脉冲计数率和放射强度，可以分析出磨损金属元素种类及含量，对发动机内部磨损情况和工作状况进行评估。光谱分析法可以监测1μm级的微粒，适用于早期发动机的磨损监测和故障预防，一般在发动机每工作25h进行一次检测。1.3铁谱分析法。铁谱分析技术是基于发动机摩擦件大多是铁磁性材料这一特点，以磁谱仪为工具，在高梯度强磁场的作用下，可以将滑油中的金属磨屑分离，并按尺寸大小逐次不重叠地沉积在一透明载体基片上，再对微粒进行观察测量分析的一种应用于航空发动机工况监控的技术。一般正常磨损产生微粒的尺寸小于10~15μm，各种失效磨损产生初期微粒的尺寸为15~200μm，铁谱分析技术可以收集1~200μm尺寸范围内的微粒。[4]由此可见，铁谱分析范围将大多数因磨损而产生的微粒尺寸涵盖在内。另外，利用铁谱显微镜对基片上微粒沉积区进行光密度测量，得到磨粒形态特征，以此研究磨损形式机理，预测磨损发展趋势，在不影响发动机正常工作运转的条件下进行有效磨损故障预报。但在分析监测多材质摩擦副磨损情况时，由于部分材料不具有铁磁性，容易导致实验结果误差过大，铁谱分析法在这种情况下并不适用。此外，该技术缺少标准化、规范化流程，对实验操作人员专业素养和经验有较高的要求，分析结果对专业经验的依赖性较强。并且铁谱分析法所需特定监测设备，受场地的局限不易移动，因此不能就地快速有效分析故障原因。

2滑油监测技术在航空发动机上的应用

滑油检测技术在航空发动机上得到了广泛应用，如在油气分离器上安装了磁塞探测器，当探测器上积累了一定的金属屑，发动机就会发生警报信号，通知维修人员进行修理，发动机每使用25±5小时后，维修人员就要按规定对滑油采样，进行光谱分析或铁谱分析，检查滑油中的金属含量是否超过警告值，从而判断滑油系统的工作情况。下面举例说明。某型航空发动机首次装机使用5h后，发出滑油系统发出警报信号，维修人员进行地面检查，发现油路中滤网和磁塞探测器上吸附有少量金属屑。经分析认为：发动机处于初始磨合期，滤网和磁塞探测器上的金属屑是初始磨合的产物。初始磨合过后就不会产生金属屑了。因此制定的维修方案是放出滑油系统内的滑油，更换清洁滑油，发动机冷运转，冲洗滑油系统，再次放出滑油系统内的滑油，更换清洁滑油，发动机监控使用。发动机再次工作5h后，警报仍未解除，油路中再次悬浮大量金属屑颗粒。遂对油液取样，进行光谱分析，发现铁、铜元素浓度超标，发动机内部存在较严重的机械磨损故障。经分析：铁元素可能主要来自于齿轮、轴承、调整垫圈、封严涨圈等机件；铜元素可能主要来自于轴承保持架，滑油泵上的青铜衬套等机件。再用铁谱显微镜观察铁谱片上微粒沉积区，发现片状磨粒数量异常，初步判断发动机附件传动轴承发生故障，然后分别从各附件系统滑油取样，进行光谱分析，发动机附件机匣滑油中的铜元素含量明显高于其他部位。制定维修方案如下：将发动机从飞机上分下来，分解相关机件及附件机匣，打开附件机匣盖，发现附件机匣传动齿轮轴承保持架断裂脱落，轴承滚珠磨损异常，表面有严重的金属剥落及坑痕。更换附件机匣齿轮传动轴承，按工艺规程进行装配、试验，合格后装机检查，滑油系统工作正常，故障排除，发动机继续使用。从上面例子可以看出，采用滑油监控技术消除了一起严重的故障隐患，保证了飞行安全。

3结论

本文介绍了滑油监测技术中的磁塞检测法、铁谱分析法、光谱分析法，并将之应用航空发动机故障诊断中，大大减少人为因素、方法受限等原因造成的误差，提高了航空发动机可靠性，保障飞行安全，主要结论如下：①发现滑油滤和磁塞探测器上有大量颗粒堆积时，应立即停车检查；②对油液取样进行光谱分析和铁谱分析，综合分析比对检测结果，初步推测故障点；③细分部位再光谱分析，精确定位到故障部件，开展预防性维修工作，避免过剩维修。

参考文献：

[1]费逸伟，姜旭峰，朱焕勤，胡役芹.基于油液分析的航空发动机状态监控与故障诊断系统研究[J].润滑与密封.2004（5）：73-77.

[2]陈立波，宋兰琪，陈果.航空发动机滑油综合监控中的磨损故障融合诊断研究[J].航空动力学报，2009（24）：169-174.

[3]陈礼顺，张莹松，赵翌，杨武奎.航空发动机轴承失效分析[J].航空制造技术，2015（23）：120-123.

[4]吴振锋，左洪福，孙有朝.航空发动机磨损故障的常用监控手段及其对比[J].航空工程与维修，2000（4）：25-26.

[5]祁磊，郭朝翔.航空发动机滑油综合监控方法及应用[J].科技创新导报，2013（10）：23-27.

作者:郝嘉玉 陈礼顺 单位:1.南昌航空大学科技学院 2.南昌航空大学