航空发动机滑油系统及其磨损检测技术的应用

可以采集磨损元素的种类和含量，对以时间顺序排列的样本数据
建立预测模型，可对磨损趋势进行预测，掌握磨损的总体变化规 律；通过滑油铁谱分析，可以提取磨损微粒的形貌特征参数，依 据摩擦学理论，建立识别模型对磨损模式进行识别分类。 光谱分析是通过测量油样中各种金属元素的原了在跃迁过程
中吸收、发射或散射的电磁辐射的波长及强度来了解油样中含有 的金属元素的种类及含量的一种技术。目前主要的光谱分析方法
５２
ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ
２０１５年第４期 第４２卷总第２９４期
２．１．２回油部分 润滑后含有大量空气的高温滑油，分别流到各收油池内，由
各回油泵抽取，送至油气分离器，清除掉气体的滑油送入燃一滑
油散热器进行冷却，最后返回滑油箱，回油路线如图３所示。
１０ ｕｍ的磨粒，可以准确快速的对微粒元素的种类和浓度含量进 行定量分析；铁谱分析用于检测１～２５０ ｕｍ的磨粒，可以对微粒的 分布情况、成分、大小以及形貌进行分析。通过滑油光谱分析，
Ｔｈｅ ＡｐｐｌｉｃａｔｉＯｎ ｏｆ Ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ
Ｗｅａｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ＡｎａＩＶＳｌＳ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｆａｕｌｔ ＤｉａｇｎＯｓｉｓ
Ｇｕｏ Ｆｅｎｇ，Ｐｅｎｇ Ｘｉｎ９１０ｎｇ，Ｆｅｉ Ｙｉｗｅｉ，Ｙａｏ Ｔｉｎｇ，Ｈｕ Ｓｈａｎｓｈａｎ （Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２ ｌ ０００，Ｃｈｉｎａ）
２．１航空发动机润滑系统的构成 航空发动机滑油系统功用是将足够数量和适当粘度的清洁滑 油连续不断地喷到轴承和齿轮的啮合处进行润滑，以减少磨损， 并带走摩擦所产生的热量和污物。现代航空发动机滑油系统大多 采用循环系统，包括供油、回油和通风三个主要部分‘４１，见图１。
（１是滑油散热器，２为调压活门，３是供油泵，４是滑油油箱，５是滑油过滤 器，６是滑油压力及温度指示，７为单向活门，８是附件传动机匣，９为离心 通风器，ｌＯ和ｌＩ是前、后轴承腔，１２是回油泵，１３是油气分离器）
２００２．
航空发动机滑油系统工作及滑油采样化验检查滑油质量，及时更
换滑油。
［５］候志强，薛立彤，柳文林．基于润滑油光谱数据的发动机磨损部位识别 ｍ．润滑与密封，２０１０，３５（１）：８９—９２． ［６］张培林，任国全，韦有民．发动机磨损分析与油液监测机理研究叨．润 滑与密封，２００１，２６ｆ６１：２７．２８．
Ａｂｓｔ憎ｃｔ：Ａｅｒ０－ｅｎｇｉｎｅ
ａｓ
ｔｈｅ ｈｅａｒｔ ｏｆ ａｉｒｃｒａｆ￡ｓｕｐｐｌｙ ｔｋｕｓｔ ｆｏｒ ｊｔ
Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ａｅｒ０一ｅｎｇｊｎｅ
ａｒｅ
ｗｏｒｋｉｎｇ佃ｈ培ｈ １０ａｄ，ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ａｒｅ ｅａｓｙ ｔｏ ｃａｕｓｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｕｅ ｔｏ ａｂｒａｓｉｏｎ ｏｒ ｆａｔｉｇｕｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｅｎｏｍｏｕｓ ｊｍｐａｃｔ ｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｗｏｒｋ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａＤｒ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｗｅａｒ ｐａｔｔｅｍ ｏｆ ａｅｒ０ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐ叩ｅｒ，ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｏｎ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｔｈａｔｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｅｄｓ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｗｅｒｅ ｄｅｐｉｃｔｅｄ．Ｔｈｅｎ ｍａｎｙ ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ ｗｅａｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔＩｌｒｅ ｃｈｒｏｎｉｃａｌｌ ｙ’ｌｅａｄ
图３滑油系统回油路线
Ｆｉｇ．３ Ｂａｃｋ ｒｏｕｔｉｎｅ ｉｎ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
２．１．３通风部分 发动机工作时，滑油由于喷嘴的喷射、飞溅和受热而部分汽 化；同时部分压缩空气还可能经封油装置进入系统内，从而使系 统内积聚大量滑油蒸汽。滑油蒸汽混入滑油内，会使其润滑、冷 却效果变差，严重时会引起系统气塞。另外，积聚的滑油蒸汽越 多，压力越大，使滑油系统各附件结合处的密封性变差。因此， 必须将这些滑油蒸汽引出。常规润滑系统通风路线见图４。
２０１５年第４期 第４２卷总第２９４期
广东化工
ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ ５１
航空发动机滑油系统及其磨损检测技术的应用
郭峰，彭兴隆，费逸伟，姚婷，胡珊珊
（空军勤务学院，江苏徐州２２１０００）
［摘
要］航空发动机作为飞机的心脏，为飞机飞行提供动力。由于发动机的零部件长期工作于高温、高负荷的条件下，容易发生磨损故障，
情况。当磨粒的大小在数微米以上时，其优越性得到了很好的体
现。 大量的研究实例捧１表明，润滑油中的磨粒携带的有关机械磨 损状态的详细信息可以通过磨粒的尺寸、形态、浓度及组成等表 现出来。根据这些特征，可以判断零件所处的磨损状态以及该状 态下发生的磨损原因、磨损类型和磨损部位，可以定量地分析磨
损的严重程度，检测出机械的运行情况，考察润滑油对机械的适
图ｌ航空发动机常规润滑系统图
Ｆｊｇ．１ Ｌｕｂｒｉｃａｉｏｎ
１航空发动机的磨损
航空发动机零件存在腐蚀、断裂与磨损等三种最常见的失效 方式，其中磨损所占比例达到了８０％左右Ｉｌ Ｊ。在发动机上发生相 对运动的部位表面虽然都已经过抛光加工，但其表面不可能“绝 对”平滑，显微镜下观察仍是高低起伏、凹凸不平１２ Ｊ。当摩擦副 之间承受载荷并紧密接触时，凸起部分首先发生接触，承载巨大 负荷压力，起到主要的支撑作用，较硬表面的凸起部分就会嵌入 较软的表面并发生塑性变形和流动，使实际接触面积逐渐增加。 此时，表面上突起与下陷部分犬牙交错地嵌合，支撑点附近的间 距很小，通过分子引力的作用形成“黏附”点甚至形成“焊接” 点，当发生相对运动时，必须克服该处的分子引力，表面上的凸 起部分就会互相碰撞和“犁削”表面， “黏附”点和“焊接”点 不断地被剪断与形成，摩擦副接触面的机械、化学和物理性能随 之变化，进而引起接触部件质量、尺寸以及几何形状等发生改变， 于是产生机件磨损。在航空发动机中，磨损现象随处可见，例如 轴承磨损、轴承套磨损、挡油圈磨损、滑油泵磨损、附件传动装 置传动轴及齿轮损坏、涡轮轴相磨等【ｊＪ。
应性及在使用过程中的质量衰变规律，从而科学合理地提出控制 对策。 图４滑油系统通风路线 Ｆ蟾．４
Ｖｅｎｔｉｌａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ】ｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
４结论
本文详细阐述了磨损的定义并对磨损过程机理进行了分析， 介绍了航空发动机滑油系统的功用及工作原理，滑油对磨损部位 进行润滑的同时，也携带着发动机磨损的重要信息，通过光谱分 析及铁谱分析技术等滑油分析技术，可对滑油中磨损微粒的成分、 种类、含量、形貌等信息进行定量分析，使得传统落后的事后维
２．２航空发动机润滑油金属含量超标的原因 ２．２．１冲击性载荷导致滑油金属含量超标 航空发动机常年在高温高压等恶劣环境下工作，喘振、超转 等冲击性载荷会使航空发动机偏离原有平衡工作位置。若冲击载 荷过大，当冲击消失后，航空发动机不能恢复原有状态，航空发 动机将会在新的平衡工作位置工作。此时，滑油金属含量经过上 升并逐渐稳定在一个新的水平上，若内部部件有损伤，则滑油金 属含量将会逐渐上升。 ２．２＿２航空发动机内部部件磨损导致滑油金属含量超标。 航空发动机内部部件磨损是由发动机组装过程中各部件间的 配合间隙偏差及个别部件的质量缺陷等导致的。同时，若航空发 动机遭受过大冲击载荷，也会使内部部件损伤，产生磨损。 ２．２．３滑油污染导致滑油金属含量超标。 滑油污染会降低滑油的润滑能力，使某些受力较高、润滑较 差的部件产生表面磨损，使滑油金属含量增高。此时，需要结合
２航空发动机润滑系统构成及金属含量超标
原因
航空发动机高的推重比、高的涡轮进口温度、高的主轴转速 及严格的空间限制，轴承和齿轮等转动零件互相摩擦，会产生磨 损和过热烧伤。
［收稿日期］２０１４—１２—２１ ［作者简介］郭峰（１９９０一），男，淄博人，硕士研究生，主要研究方向为航空油料应用技术。
万方数据
广东化工
ｓｙｓｔｅｍ ｊｎ ａｅｒｏ—ｅｎｇｊ】】ｅ
２．１．１供油部分 发动机工作时，供油泵将滑油箱内的滑油抽出，并提高其压 力，然后送到滑油滤，过滤后的滑油分若干油路分别去各轴承及 传动部件进行润滑和散热。常规润滑系统供油路线见图２。
匝匦Ｈ朔
图２滑油系统供油路线
Ｆｉｇ．２ Ｓｕｐｐｌｙ ｒｏｕｔｉｎｅ ｉｎ ｌｕｂｒｉｃａｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
严重影响发动机的安全工作，因此对航空发动机的磨损进行检测十分必要。文章分析了航空发动机的磨损及其机理，阐述了航空发动机的润滑 系统的构成与工作原理，简要总结了滑油中金属含量超标的原因，介绍了几种基于滑油分析的磨损监测方法。 ［关键词】航空发动机：滑油系统；磨损机理；检测技术 ｆ中图分类号］ＴＱ ｆ文献标识码］Ａ 【文章编号］１００７．１８６５（２０１５）０４．００５１．０２
ｔｏ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ；
１ｕｂｒｉｃａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；
ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；
ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ
随着科学技术以及航空工业的不断发展，航空发动机性能不 断提高，结构更加复杂、可靠性要求更加严格、生产加工工艺更 加苛刻，导致发动机工作条件越来越恶劣，其零部件长期工作于 高温、高负荷的条件下，容易发生磨损故障，发动机振动变大、 转速不正常、滑油消耗率突增，甚至出现发动机自动停车、抱轴、 传动轴扭断等征候，严重影响发动机的安全可靠工作。 为了有效减轻航空发动机的工作磨损，航空发动机中设置有 滑油系统，把具备一定压力的清洁滑油源源不断的供给到发动机 支撑点及传动系统的齿轮啮合处，发挥润滑作用。由于该系统中 的滑油是循环使用的，润滑油流经磨损部位时，磨损微粒都会溶 入滑油中并被带走，这包含着发动机零部件磨损情况的重要信息， 主要包括磨损微粒的含量、成分种类、形貌、尺寸以及滑油品质 变化等。通过滑油铁谱以及光谱等现代油液监测分析技术提取发 动机磨损信息，不仅可以直接反映发动机轴承及传动系统的技术 状态，而且能够进一步预测发动机部件磨损的变化趋势，进而有 效地监视发动机轴承及传动部件的磨损状况，帮助飞机维修人员 采取积极主动的维修策略，改定期维修为视情维修，尽早发现维 修航空发动机故障，提高发动机的可靠性及利用率。因此，基于 滑油分析的航空发动机磨损监测技术在国内外倍受关注，对国防 现代化及其国民经济发展都具有重要意义。
铁谱分析有序的分离出来，通过对磨粒形态、大小、成分、
浓度和粒度分布等方面进行定性定量观测，得到有关摩擦磨损状 态的重要信息。铁谱分析的创新之处在于它能鉴别机械摩擦副在 不同磨损状态下所产生的各种特征磨损微粒，着重于对磨粒的形 貌、大小及成分的微观分析，直观的获得机械摩擦副表面的磨损
有原子发射光谱分析法（ＡＥＳ）、原了吸收光谱分析法（ＡＡＳ）、Ｘ射 线荧光光谱分析法（ＸＲＦ）、红外光谱分析法等多种方法９ｊ。 有研究表明【６Ｊ，利用光谱分析仪可以同时测定２０种元素，包 括铁、铜、铅、铬、锡、硅、钼、锂、钠、锰、银、锑、钒、钛、 硼、钙、锌、磷、镍和铝，元素的测量精度达０．０１ ｕｇ・ｇ～，分析时 问为３０ ｓ，根据油样中磨粒元素的含量变化就可以判断零件的磨 损状态和工作状况。如果某一种元素在以后的测量中发现其不满 足该元素的一般变化规律或发展趋势，则可判断包含该元素的零 件处于不正常的磨损状态，再经过元素之问的相关性分析，可进 一步判断出异常磨损所对应的零件ｐＪ。
修及定期维修制度转变为视情维修，减少财力、物力及人力资源
的浪费，合理延长修理周期，保证发动机的最佳工作状态，尽可 能以最低损耗使装备发挥最大的效用。
参考文献
［１］金永昕．工程摩擦学［Ｍ】．杭州：浙江大学出版社，１９９４． ［２］郑林庆．摩擦学原理［Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９９４：２５—１９６． ［３］吕伯平，陈名华．航空油液检测技术［Ｍ］．北京：航空工业出版社，２００６． ［４】林基恕．航空发动机设计手册（第１２册）［Ｍ］．北京：航空工业出版社，