航空发动机大颗粒金属磨屑监控技术

航空发动机大颗粒金属磨屑监控技术
姓名：孙福林期班：飞发一班学号：301200821028 本文综述了油液监控技术在航空发动机上的应用，分析了原子发射光谱分析存在局限性，论述监控航空发动机滑油系统中的大颗粒金属磨屑的重要意义。

航空发动机在使用中，会发生一些因其润滑系统运转部件磨损引起的故障，诸如前轴间轴承磨损、后轴间轴承磨损、滑油回油泵磨损、离心通风器损坏、滑油消耗量大、振动大等。

这些故障不但影响发动机在正常寿命期的使用，而且限制了发动机寿命的延长使用。

空军的应用实践证明，油液监控技术能够提前预报装备磨损故障，提高可靠性和完好率；能够降低维修成本，提高维修质量，延长装备及油液的使用寿命。

美国先后提出了二维装备油液分析概念，即磨屑形状分析与油液状态分析，以及三维油液分析概念即磨屑分析、污染分析和油液性质分析。

我国空军于1984年率先引进油液监控技术，对航空发动机及飞机液压系统进行油液监控，现已建成了完善的油液监控体系。

其中金属磨屑分析是目前航空发动机油液监控的重要手段之一。

油液金属磨屑监控技术金属磨屑的监控用于航空发动机润滑系统的润滑油。

轴承等摩擦副在生产和使用中产生的切削、金属磨屑以及外界进入油液系统的砂粒等污染物，随着零部件的运转，悬浮于油液系统中不断循环，起着研磨剂的作用。

随着发动机的工作时间与磨损状态的不同，它们的浓度、成分、尺寸、形貌参数均发生不同的变化。

因此，油液中金属磨屑参数变化可以作为航空发动机磨损状态的
信息。

通过在用油液的金属磨屑监控来预报航空发动机磨损状况和失效，便于采取主动的维修措施，能够确保装备的可靠运行与高效地发挥装备应有的功能。

常用的油液金属磨屑检测方法有原子发射光谱分析法、原子吸收光谱分析法、X射线荧光光谱分析法、铁谱分析法、电镜扫描-能谱分析法及自动颗粒计数法等。

最常用的油液金属磨屑检测技术是原子发射光谱分析法，其原理是通过光源激发材料而产生特征光谱，从而定性或定量分析某种元素的含量。

原子发射光谱分析主要由激发室、光偏转装置、接收装置和电子处理装置组成。

被分析的油样在激发室的分析间隙中，在受到激发时，油样发射的光由光导纤维引至入射狭缝，由狭缝出来的光变为狭窄的带状；光线到达光栅后被分为各种不同波长的谱线，在聚焦曲面上的出射狭缝处被分为对应于各元素的谱线；在利用偏转板的定期往返转动来动态扣除光谱背景。

每个狭缝后面设置一个光倍增管，以便将光能变为电能；在每次燃烧中将这一电流按准确的时间间隔积分（求和），就形成了与光电管接受的光量成正比的电压；通过读出电路将此电压转换为数值，再将所测得结果与计算机中存储的校正曲线数据进行对比，便可算出元素的浓度；最后，将整个分析结果在计算机屏幕上显示或用打印机打出。

原子发射光谱分析法包括以下内容。

（1）根据不同时期各种磨粒所含金属元素量，可以判断摩擦副磨损程度，预测可能发生的失效和磨损率。

（2）根据磨粒的成分及浓度的变化，可以判断出异常磨损的部位。

（3）根据添加剂元素浓度的变化，判断油液的衰变程度。

我国
空军运用滑油原子发射光谱分析技术监控航空发动机潜在故障并取得了明显效果，对保证飞行安全起到了十分重要的作用。

统计表明，20多年来，通过滑油原子发射光谱分析技术监控航空发动机，成功预报了160余台航空发动机的磨损类故障，不仅消除了发动机的故障隐患，避免了人员伤亡和财产损失，而且取得了显著的经济效益。

原子发射光谱分析法的优点：（1）灵敏度高，可达ppm级。

（2）分析速度快，一个油样需要不到1分钟时间。

（3）选择性好，每种元素都有自己特征波长，检测干扰小。

（4）油样用量少，一般只需两到三毫升。

（5）分析元素多，目前分析元素可达70多种，涵盖常见的金属元素和非金属元素。

原子发射光谱分析的局限性：（1）原子发射光谱仪是通过小颗粒的积累数量来评定磨损状况。

但是，小颗粒总量即使超标也未必真是出现故障的征兆，而突然出现的少量大颗粒虽然并不会立即使颗粒总量超标，但却很有可能是突发性故障的预兆。

（2）原子发射光谱仪无法检测到大颗粒。

由于其激发能量的限制，盘电极很难将大颗粒携带到激发点处；且电弧能量不足以完全将大颗粒离子化。

因此，原子发射光谱仪只能测定油液中小于10微米的磨损金属磨屑。

（3）原子发射光谱仪无法检测到疲劳磨损和切削磨损产生的磨屑。

原子发射光谱仪主要分析滑油中由擦拭磨损和腐蚀磨损而产生的尺寸较小磨屑；对滚动接触的疲劳磨损和严重的切削磨损产物，其检测有效性很差。

因此，滑油原子发射光谱监控成功的都是轴承渐进型磨损或发动机装配质量引起的早期磨损等失效模式，对于轴承疲劳剥落或断裂的失效模式无效。

大颗粒金属磨屑监控的重要性近年来，
多台出现报警信号的发动机的磨损类故障没能预报出来，虽然这些飞机在飞行过程中发出报警信号，表明发动机滑油系统金属磨屑超过规定值，但在飞行前的原子发射光谱分析数据却没有超标；多台发动机轴间隙超标，而原子发射光谱分析数据很低，即原子发射光谱分析数据与发动机异常磨损故障的相关性差。

例如，某台发动机工作160小时，检查滑油滤时发现油滤上有大量大颗粒金属磨屑，而滑油原子发射光谱分析数据没有超标，经返厂分解检查发现发动机前轴承保持架损坏、内钢套磨损并烧蚀、滚棒剥落。

由于进入滑油中的部分金属磨屑被设在航空发动机油路系统中的磁塞和精密油滤截获，导致被分析的油样失去部分大颗粒金属磨屑，从而失去油样代表性。

而50~200微米范围的大颗粒金属磨屑是由摩擦副表层疲劳剥落、剧烈的滑动磨损和剪切磨损等原因所产生的，最能够直接反映出发动机异常磨损故障信息。

加之原子发射光谱分析的局限性，不能直接反映大颗粒金属磨屑的信息。

因此，目前采用的单一滑油原子发射光谱检测方法无法监控大颗粒金属磨屑，已经不能满足用多参数判断、预测发动机异常磨损故障的要求。

一旦在滑油系统中出现大颗粒金属磨屑，将加速发动机轴承的磨损，进而造成发动机灾难性事故。

因此，如何监控航空发动机大颗粒金属磨屑、及时预报异常磨损故障是亟待解决的难题。

研究航空发动机滑油系统中的金属磨屑的尺寸分布，并确定大颗粒金属磨屑的成分及含量的监控标准，能够弥补发动机磨损类故障油液监控检测手段的不足。