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中国民行飞行学院毕业论文 飞行技术毕业论文题 目 发动机监控与故障诊断 专 业 飞行技术专业 目 录目 录2摘 要4Abstract51选题背景及意义61.1 先进发动机的可靠性技术61.2 现代发动机状态监视与故障诊断技术62 状态监视与故障诊断系统82.1状态监视与故障诊断系统组成82.1.1 系统组成82.1.2 系统过程92.2 系统功能和效益102.2.1发动机状态监控与故障诊断系统功能102.2.2发动机状态监控与故障诊断系统效益112.3 状态监视和故障诊断方法132.4 先进发动机状态监视和故障诊断系统152.4.1 监控参数152.4.2系统功能和特点152.5 发展前景173 滑油系统监视与分析183.1 概述183.1.1 系统组成183.1.2 监控内容203.2 滑油屑末分析213.2.1 屑末的收集213.2.2 屑末分析223.3 滑油光谱分析223.3.1 滑油光谱分析原理223.3.2 取样及分析233.4 滑油铁谱分析243.4.1 工作原理243.4.2 取样及分析243.5 三种技术的比较254 CFM56-3C发动机滑油碎屑分析264.1 概述264.2 实验分析264.2.1体视显微镜观察264.2.2 扫描电镜观察及能谱分析274.3 结论315 总结31参考文献33 摘 要按照传统时间表的维护系统是耗钱、耗力的，并且只能给出不全面的对发动机故障的检测和诊断。现代飞机发动机的监控和诊断系统具有让维护人员获得关于探测和诊断发动机故障的有价值信息的能力。在本文中，讨论现代航空发动机监控系统和故障诊断系统的组成，功能，以及相关的监控和分析参数。讨论的航空发动机滑油分析系统的原理与构成。最后，通过CFM56-3C滑油碎屑分析作为实例，阐述了发动机滑油分析的具体步骤和结论，为发动机的监控趋势分析提供了理论依据。 关键词：航空发动机；状态监控、故障诊断、滑油分析AbstractTraditional scheduled maintenance systems are costly, labor-intensive,and typically provid noncomprehensive detection and diagnosis of engine faults. The engine monitoring and dignosisi systemon modern aircrafts has the potential toprovid maintenanc person with valuable information for detecting and diagnosing engine faults. In this paper, modern aero-engine monitoring system and fault diagnosis system was dicussed and the oil diagnosis practice in line flight was been investiged. At last, CFM56-3C engine oil fielter and detonation was examed to provide the proofe for engine trend monitoring.Keywords: aero-engine; monitoring; engine trend analysis; fault dignosis1选题背景及意义1.1 先进发动机的可靠性技术高性能飞机用的航空发动机不但结构复杂，且工作在高温、大压力的苛刻条件下。军用战斗机、直升机、垂直起落飞机的发动机还需经常变换发动机的工作状况，承受大的、变化的载荷。从发动机发展现状看，无论设计、材料和工艺水平，抑或使用、维护和管理水平，都不可能完全保证其使用中的可靠性。事实上，发动机故障在飞机飞行故障中占有相当大的比例，且常常因发动机的故障导致飞行中的灾难性事故。随着航空科学技术的发展并总结航空发动机设计、研制和使用中的经验教训，航空发动机的可靠性和结构完整性已愈来愈受到关注。自70年代初期即逐步明确航空发动机的发展应全面满足适用性、可靠性和经济性的要求，也就是在保证达到发动机性能要求的同时，必须满足发动机的可靠性和经济性（维修必和耐久性）的要求。可靠性工作应贯穿在发动机设计-生产-使用-维护全过程的始终。对新研制的发动机，应在设计阶段就同时进行可靠性设计、试验和预估；对在役的发动机，应经常进行可靠性评估、监视和维护。军机和民用飞机的主管部门，设计、生产、使用和维护等各部门，应形成有机的、闭环式的可靠性管理体制，共同促进航空发动机可靠性的完善和提高。1.2 现代发动机状态监视与故障诊断技术航空发动机状态监视和故障诊断技术对监视、评定发动机的工作状态、变化趋势以及寿命消耗和残余寿命，保证发动机安全、可靠运行有着重要的作用，应该将其视为航空发动机可靠性工作的一个重要组成部分。从发动机设计伊始就应同时考虑这一手段，做到监视系统的发展与新机的发展同步；在购置新机时也应同时明确提出对监视系统的选择。为保证发动机在高性能水平下安全工作并降低直接使用成本，发动机维修技术中的一个重大变革就是从定期维修转变为视情维修。众所周知，发动机的状态监视与故障诊断技术和发动机结构单元体设计技术正是实现这一重要变革的前提和基础。正因如此，航空发动机状态监视和故障诊断技术已愈来愈受到世界各航空公司机制造厂的重视，而将其作为提高发动机运行可靠性、降低直接使用成本的重要手段。自70年代前期，国外一些先进的民用和军用航空公司即着手研究和装备发动机的状态监视和故障诊断系统。电子技术与计算机技术的迅速发展，大大促进了航空发动机的状态监视与故障诊断技术的发展。至今，监视与诊断技术作为一项综合技术，已发展成为一门独立的学科，其应用已日趋广泛和完善。民航适航条例规定了发动机必须有15个以上的监视参数。实际上用于B747、B767、A310等飞机上的发动机，其监视参数已大大超过了15个，而且均已装备了完整的发动机状态监视与故障诊断系统。如美国普惠（PW公司1970年发展了ECM1系统，1977年发展了TEM1系统，1981年发展了TEAMII系统，1982年发展了ECMII系统，到1983年又发展了TEAMIII系统，由有限监视到扩展监视，逐步完善。又如美国通用电气（GE）公司1985年开始发展ADEPT系统，到1994年已从6.1版本发展到10.1版本。从收集到的美国海军和空军、英国空军、加拿大空军以及俄国苏-27飞机发动机等典型系统的资料，经整理和分析，可以看出，国外军用发动机，包括战斗机、运输机、直升机等，大都采用了发动机状态监视与故障诊断系统。如1969年开始研制的涡轴发动机T700-GE-700和T700-GE-701的状态监视系统CMS；1970年开始研制的TF41-A-2发动机的飞行中状态监视系统IECMS，在批生产时改为发动机监视系统EMS；1979年开始为F404-GE-400发动机设计的IECMS是一个实时发动机监视和寿命跟踪系统，已安装在所有批生产和试验飞机上；英国于1975年开始发展了发动机使用情况监视系统EUMS和低循环疲劳计数器LCFC；80年代又综合了两者的经验，发展了机群退用的单元体诊断系统，1982年开始发展F100-PW-200的EMS系统，1985年首套生产型交付，1987年飞机综合和后勤数据库兼容，系统继续扩大和改进；美国空军的ECMS设计成可管理所有类型的军用发动机，其扩展型ECM和EDT增加了发动机参数趋势分析，向世界各地100个空军基地提供发动机诊断和趋势分析功能软件；美空军认为各公司发展不同的系统，会导致监视设备增加和成本增加，于是统一发展了基地用的空军发动机诊断和趋势分析网；为了帮助查找故障，近年还发展了发动机故障诊断的专家系统，如XMAN和JET-X；俄国的苏-27飞机上也发展了发动机状态监视系统。为了指导航空发动机状态监视与故障诊断系统的设计、使用和维修，美国自动车工程协会（SAE）E-32航空燃气涡轮监视委员会研究并颁布了一系列指南，包括航空燃气涡轮发动机监视系统指南、有限监视系统指南、滑油系统监视指南、振动监视系统指南、使用寿命监视及零件管理指南等，这对航空发动机状态监视与故障诊断工作的开展起了很好的指导和促进作用。我国有关民用航空公司和院校分别对B747、B767/JT9D、A310/CF6；B737/CFM56等飞机和发动机开展了发动机状态监视与故障诊断的研究工作并已初见成效。对于新研制的高性能发动机，已将实施状态监视列为重要的技、战术指标，因此，正较全面地开展这方面的研究工作。但总的看来，国内该项工作开展得还很不够，急待有计划、有步骤地借鉴国外的成功经验，发展并推广我们自己的状态监视与故障诊断技术，以适应飞机和发展的需要。2 状态监视与故障诊断系统2.1状态监视与故障诊断系统组成2.1.1 系统组成图2-1所示是典型的发动机状态监视与故障诊断系统示意图。系统通常由机载设备和地面设备包括各自的硬件和软件系统组成。机载设备一般包括测量压力、温度、转速、振动等各种参数的传感器、信号调节器、数据采集系统、数据传输和记录装置、数据处理系统以及告警、简单打印处理装置等。常用的系统有如飞机综合数据系统（AIDS）、发动机指示和机组告警系统（AVMS）等。 地面没备主要由传输设备、译码或数据处理设备，地面维修站、计算中心以及相应的状态监视和故障诊断的软件系统构成。 数据采集系统将传感器感受到的信号按规定顺序和时间采集并传送给机载记录装置，其中一部分参数可在飞机上进行简单处理。当出现故障时，可将故障显示给驾驶员或用灯光或音响告警。全部记录的信息将在地面站的中心计算机上进一步细致地处理。在地面站，通过专门的数据传输装置和接口，输入到中心汁算机，可以采用手工方式、计算机辅助方式或自动方式，并调用状态监视与故障诊断软件系统，对数据进行处理，最后输出发动机技术报告、趋势图、快速故障显示并进行数据压缩、存贮，提出维修建议等。2.1.2 系统过程早期的数据采集和处理是靠机组人员记录和计算器计算分析，后来发展为机载记录和地面中心计算机处理：最新的发展由机载计算机对数据做初步处理，在驾驶舱实时地给出故障告警，必要时打印发动机各种有关报告，同时还发展了空图2-1 发动机状态监控与故障诊断系统地无线电通讯系统(Data link)，将飞行实测数据直接传输给地面维修站的计算中心，实时地进行全面深入的数据分析，分析结果直接反馈给机组人员，对必须做的维修工作，及时通知飞机目的港，做好一切准备。从而大大减少飞机在地面停留时间，减少航班延误率。未来的发展，将采用卫星通讯技术，使得飞机在世界任何地方都可以和维修基地交换信息。2.2 系统功能和效益2.2.1发动机状态监控与故障诊断系统功能 发动机监视可分为短期、中期和长期三种类型。短期监视是对一个起落或地面试车数据进行监视，发动机参数超限时应及时向驾驶员告警，并记录事件历程中的有关参数，通过维修面板提示给地勤人员。中期监视是对一段时间内发动机参数状态的变化进行监视，包括事件分析、调整状态、气路性能分析、趋势分析、附件监视，无损检验和试验等。长期监视能给出发动机性能衰退和寿命消耗情况，对监视系统的软件和硬件进行自标定和自检、数据反馈给制造和设计部门，一个完整的、先进的发动机状态监视与故障诊断系统主要应具备以下几方面的功能； 监视发动机的使用，评定发动机工作完好状况； 监视发动机状态的变化趋势，趋势分析和趋势预报； 探测和隔离发动机故障并验证排故情况； 评定发动机性能衰退程度； 确定发动机限制寿命零件的寿命消耗和剩余寿命； 改进发动机的调整和修正过程； 提出维修建议和决策； 支持发动机管理和后勤决策。图2-2带或者不带EMS发动机的寿命跟踪图2-2所示为发动机带或不带发动机状态监视系统情况下发动机的寿命趋势，显然，采用了发动机监视系统(EMS)，既可避免潜在的危险，提高安全性，又可延长发动机的使用窄命。 发动机状态监视与故障诊断软件系统的功能一般分为两个水平等级，第一级为有限监视系统，用以监视发动机健康状况，如普惠公司发展的ECM，和通用电气公司发展的ADEPT系统，我国民航已使用这两种软件系统。第二级为扩展的监视系统，主要是提高了诊断能力，可将故障准确地隔离到发动机部件和子系统，定量分析部件和发动机性能的衰退程度，如普惠公司的TEAM、通用电气公司的GEM和罗罗公司的COMPASS系统。为实现不同水平的功能要求，监视系统的测量参数和输出报告内容有很大差别。对于第二级扩展水平的监视系统，一般要求系统有更多的测量参数，主要是增加发动机气路中的总压和总温以及可调几何位置的测量，其输出内容，不仅能给出测量参数趋势图，而且能指出传感器故障并能反映气路部件效率、流通能力变化的特征参数趋势图，从这种图上可明显看出有故障的部件。国内有关民航公司和院校近年来发展了一种新的发动机状态监视与故障诊断软件系统EMD，利用有限监视系统的测量参数，达到故障诊断，把故障隔离到单元体和子系统的功能。2.2.2发动机状态监控与故障诊断系统效益 发动机状态监视与故障诊断系统从理论分析和使用实践两方面均充分证明具有良好效果，可产生显著的社会效益和经济效益，主要体现在： 提高安全可靠性，避免重大飞行事故，降低空中停车率； 降低直接使用成本： a延长零部件寿命，减少或避免二次损失： b采用2人机组，减少空勤人员； c减少维修工时(包括修理、隔离、调整、试车等)； d有计划进行维修，合理利用人力、设备； e节省试车耗油，降低空中油耗； f节省备件的储备量和运输费用； g减少延误和停飞。提高信誉降低地面污染33第 33 页 图2-3 EMS组成与偿还投资的关系图2-4 典型的EMS成本效益分析 图2-3和图2-4分别示出发动机监视系统(EMS)组成与偿还投资的关系和典型的发动机监视系统(EMS)成本效益分析。由图2-3可以看出，监视、诊断系统组成越复杂，功能越齐全，其投资成本则越高，而所得到的飞机和发动机的寿命循环成本的效益并不是单调增加，其结果，如果仅着眼经济效益，则有可能得不偿失。因此，选用或者发展一个状态监视和故障诊断系统，应该考虑系统的有效性和成本两个方面，进行综合权衡。2.3 状态监视和故障诊断方法 发动机的故障大多是逐渐发展的，发展过程中有很多征兆，因此是可以监视和诊断的。例如，压气机叶片的机械浸蚀，虽不易直接从几何尺寸上进行监测，但它却影响压气机的效率。开始效率下降，等浸蚀严重时才可能引起压机喘振或叶片断裂。只有对发动机易出现的故障，故障发生时的特征及其发展有深刻的了解，才可能设计出有效的状态监视和故障诊断系统，进而实现监视和诊断。 大涵道比涡扇发动机上的热部件就其重量说约占发动机总重的20，但由于热部件故障多，其维修费却占总维修费的60%。这一类型发动机通常涡轮、燃烧室、风扇及压气机，扩压机匣等部件的故障占到整个发动机故障的90左右，而这些部件的故障对发动机的可靠性影响也最大，因此对这些部件应重点进行监视。对于直升机的发动机，其动力传输系统十分重要，而传输系统中的齿轮，轴承及轴的故障发生率较高，在监视中也应重点考虑。 发动机的完好程度可用工作时间、低循环疲劳次数、高温或超温下工作时间、振动幅值、部件效率和发动机性能、滑油中杂质含量和气流中金属颗粒的含量、大小及分布等指标来评定。 概括起来，目前采用的发动机状态监视与故障诊断的手段有三类： 第一类属性能状态监视或称为气路参数分析(GPA)技术，包括对气流通道的压力、温度，燃油流量和转速监测；对发动机性能参数如推力或功率等参数的监测。 第二类属机械状态监视。常用的手段有：振动监视；滑油监视(包括滑油压力、滑油温度，滑油消耗量、滑油屑末收集、滑油光谱分析，滑油铁谱分析等)；低循环疲劳和热疲劳监视(低循环疲劳计数、涡轮叶片温度场监测)。此外，还有叶片动应力监测、声谱监测等。 第三类属无损探测类，一般只作地面检测用。常用的手段有：孔探仪检测；涡流检测；同位素照相检查；超声波检查；磁力探伤；声发射探测；X射线照相检查；荧光检查；着色检查，液体渗透检查等。其中，孔探仪检测在发动机地面检查时用得最多。 作为发动机状态监视与故障诊断系统，机载与地面结合、硬件与软件配套使用的常用手段主要是气路分析技术、振动监视技术和滑油监视技术。军用飞机和直升机则将发动机使用寿命监视作为主要监视手段之一。经验证明，往往同一个监视参数可以反映多种故障；同-种故障也可以用多个监视参数监测。如何利用有限的监测参数达到满意的监视和诊断效果乃是该学科所面临的任务和方向。这就要求：一方面，应该综合地使用上述手段，充分发挥各自的适用范围和优势，以达到对发动机健康状态的全面监视并准确地进行故障隔离；另-方面，应该大力研究和发展各种有效的故障诊断方法。目前常用的诊断方法有直接对比法、趋势分析以及参数分析方法等。 需要指出，气路参数分析技术在发动机故障诊断技术中占有重要的地位。发动机气路上的气动热力参数可以用能量守恒、流量连续、动量守恒等关系严格地以数学表达式连系起来，也就是可以建立待诊断的发动机的数学模型(认为是线性模型)，确定测量参数随单元体几何参数，工作状态以及性能参数的变化关系。这样，已知测量参数，利用数学模型即可求解单元体性能参数变化，再通过与无故障单元体的性能对比，即可诊断单元体的损伤或故障。时间序列分析法是另一种参数模型分析法，它是对有序的动态测量数据进行处理和分析的一种有效方法。基于动态测量数据(包括气动热力参数、性能参数、振动参数、滑油参数等)的有序性和时间相关性，建立时间序列模型(自回归滑动平均模型或自回归模型)，进而形成模式向量，计算统计特性，提取特征向量，构造判别函数(与无故障或一些典型故障特征对比)即可进行故障诊断。同时，利用时序模型还可进行线性最小方差意义下的趋势预报。该种方法的应用还有待进一步研究和发展。2.4 先进发动机状态监视和故障诊断系统2.4.1 监控参数现在发展了一种新的发动机状态监视和故障诊断系统EMD(Engine Monitoring and Diagnosis),利用有限监视系统的测量参数,达到了故障诊断,把故障隔离到单元体和子系统的功能。EMD在北京飞机维修工程公司(AMECO)和东方航空公司(EAL)试用成功,对B767、B747、A310共13架大型客机的40台发动机进行状态监视和故障诊断，取得良好的经济效益。2.4.2系统功能和特点整个系统由人员、设备和软件组成。所发展的EMD软件系统在地面站的微机上运行,输出指示发动机健康状况和故障诊断结果的各种报告(见表2-2),提供给维修工程师,作为发动机检查和采取维修措施的重要依据。为适应AMECO和EAL的机群和开发环境的不同要求,以相同的监视和故障诊断技术为基础,分别建立了不同的系统,如图1。它们都利用了飞机上现有的测量参数,即有限监视系统ECM或ADEPT的测量参数(见表2-1),经过ECM或ADEPT系统的运行将其输出数据作为EMD系统的输入。EMD系统发展了ECM或ADEPT系统所不具备的下述新功能(图1虚线框所示):(1)发动机健康检查。(2)发动机气路故表2-1 典型系统的发动机测量参数监视参数 ECM2 ADEPT TEAM3 GEM ACMS低，高压转子转速N1，N2 * *燃油流量FF，油门角度PLA*发动机压比EPR*进气总温TAT，排气总温EGT*进气总压，低压涡轮出口总压*风扇出口静压，高压涡轮出口总压*低压压气机出口总压，总温*高压压气机出口静压，总温*高压涡轮出口总温*风扇振动，高压压气机振动*高，低压涡轮振动，点火信息*滑油压力，滑油温度* *反推装置，高，低压涡轮机匣冷却活门位置* *可调放气活门位置*可调静子叶片角度* *表2-2 典型系统的输出报告比较（按内容）报告内容 ADEPT ECM2 TEAM3 EMD飞机/发动机安装，维修处理，飞行数据报告*测量参数，压缩的测量参数趋势图*快速对比报告*起飞OATL计算，OATL报警报告*起飞EGTM计算和报警，飞行数据有效性检查报告*特征参数趋势图*超限报告，传感器故障报告*参数预测，发动机状态监控和故障诊断综合报告*障诊断,EMD系统可诊断28种气路故障,包括测量参数N1、N2、EGT、FF、EPR、TAT等指示系统故障,风扇、压气机、涡轮、喷管故障,以及引气、可调静子叶片系统故障等。(3)根据健康检查和故障诊断结果、振动和滑油参数的变化趋势,分3级(正常,监视使用,故障)综合评定发动机技术状态,对于监视使用和故障的发动机给出故障代码。(4)预测未来5个航班的气路和振动测量参数偏差值。(5)利用起飞数据监视起飞排气裕度EGTM(EAL用)。图2-5 状态监视和故障诊断系统功能(东方航空公司)(EAL用)系统特点为:(1)充分利用我国已使用的国外监视系统的信息资源。(2)在较少测量参数条件下,发展了故障诊断,发动机技术状态综合评价和参数预测技术,可将故障隔离到指示系统,发动机气路部件和子系统。(3)利用主因子模型进行故障诊断,可有效地利用3至4个气路测量参数对众多气路故障进行诊断,是故障诊断方法的新进展。(4)建成了由机载数据采集、译码、数据处理和传输的数据流程,为在微机上进行发动机状态监视和故障诊断计算提供了可靠、准确的飞行数据。(5)EMD采用模块结构、各功能块均可单独运行,使系统易于修改和扩充；EMD有友好的用户接口,操作方便。2.5 发展前景 实践证明，航空发动机状态监视和故障诊断技术是有生命力的。当前和未来的发展可归结为以下几方面： 功能不断提高，提高诊断精度，减少误诊率。为此，应该增加测量参数，故障隔离到单元体，改进测试仪器，发展数据处理方法以及各种诊断算法；发展某些常见故障的特殊诊断方法。 软件系统标准化，降低成本，方便使用。可分成标准通用模块和专用模块，互相嵌套。通用模块采用标准输入、输出格式和标准数据处理方法；专用模块则是因发动机而异的分析模块。 监测和诊断系统与发动机全自动数字电子控制系统进行一体化综合设计，发展综合程度更高的测量仪器以供两个系统共同使用，并使发动机控制系统能对发动机故障作出及时响应。 发展综合诊断技术，即将目前各种有效的诊断方法，如气路分析、振动监视、滑油监视等方法综合在一起，给出综合的判据，更加完善诊断功能，提高诊断精度。进一步，可结合设计人员、生产和维修人员的经验，发展发动机故障诊断和维修的专家系统。 发展发动机使用寿命监视技术。准确预估发动机初始安全寿命和监测发动机的寿命消耗，建立发动机零件数据库管理系统。 进一步提高诊断的实时性。总的应该采用更先进的硬件系统，如采用无线电通讯系统，通过空中和地面数据的实时传输来提高监视和诊断的实时性。又如，采用机械高速微处理机和高密度存贮器，以扩大机上数据处理能力，提高诊断的实时性。3 滑油系统监视与分析滑油系统监视与分析是预报与监控航空发动机健康状态的有效手段，是保证飞行安全的重要措施之一，是开展视情维修的重要保证。由于该技术的应用具有较大的安全和经济意义，已受到航空行业的高度重视。3.1 概述3.1.1 系统组成滑油系统主要由供油子系统、回油子系统和通气子系统三个部分组成。滑油系统的功用是向轴承、齿轮的工作表面输送滑油，带走由于高速转动所产生的摩擦热以及周围高温零件传来的热量，以维持轴承、齿轮的正常温度状态，并在轴承的滚道与滚子间、相啮合的齿面间形成连续的油膜起到润滑的作用；另外，还可利用滑油系统具有一定压力的滑油，作为某些液压装置（如挤压油膜轴承等）和操纵机构(如作动筒)的工质。在采用滑油一燃油散热器时，滑油的热量还能对燃油加温，能改善燃油系统的高空性能。根据其功能不难看出，滑油系统工作的可靠性严重地影响着整个发动机工作的可靠性。一方面，滑油系统影响面较大，出故障后，如处理不当，会引起大的事故；另一方面，滑油系统出故障的机率也较大。如RB211发动机1981年连续发生3起风扇部件甩出的严重事故，其原因是由于风扇前轴承供滑油不足所致；JT8D发动机4、5号轴承腔的通气管路曾发生过堵塞故障，结果引起油腔通气压力过高，造成滑油温度增高，油腔燃烧，而最终导致发动机失火。据统计，我国空军1985年发动机空中停车事故中，由于发动机滑油系统引起的占43；美国空军的TF34发动机，1983年发生的90次事故中，滑油系统故障有26次，占28；JT9D发动机70年代提前换发的原因中，有16属滑油系统和轴承故障。 正因为滑油系统对发动机可靠性的影响至关重要，故有必要采取某些专门的手段进行滑油系统的监视与故障诊断，并与气路分析技术、振动监视技术等配合，共同实现和完善发动机的状态监视与故障诊断，以保证发动机安全可靠工作。 滑油系统监视与故障诊断的作用在于：一方面应能监视滑油系统本身，保证其工作正常、可靠；另一方面需要通过对滑油系统的监视实现对发动机工作进行监视与故障诊断。滑油系统本身常见的故障有：滑油消耗过大、漏油供油量不足、管路堵塞、通气系统堵塞、滑油泵不工作等。通常通过滑油温度、滑油压力、滑油量等监视参数来监视滑油系统的工作。应用屑末分析、滑油光谱和滑油铁谱分析等手段，根据屑末的大小、含量、成分等可以监视和判断轴承、齿轮、封严装置等发动机重要零、组件的工作及潜在的故障。有时通过某些滑油系统监视参数也能监视上述零、组件的工作。经验表明滑油温度是很敏感的参数，滑油温度过高，往往预示着轴承(或齿轮)潜在的故障。又如滑油消耗量过大，有时可能是转子不平衡引起封严装置失效的征兆。 3.1.2 监控内容滑油监视系统包括四个方面的内容：滑油系统工作监视；滑油屑末监视；滑油光谱分析与铁谱分析；滑油状态监视。 (一)滑油系统工作监视 利用滑油系统工作参数来监视滑油系统本身，以保证其正常工作，同时它也反映出发动机的健康状况。监视参数应包括：滑油压力、温度、消耗量和油滤旁路指示或滑油滤压差。 1滑油压力 造成滑油压力增高的原因可能有滑油喷嘴堵塞、油滤堵塞或调压器工作不正常，滑油泄漏、油管破裂、油泵故障、油面太低、调压活门工作不正常则可能造成滑油压力降低。 滑油压力由装在润滑系统高压油路中的压力传感器进行连续监视，这些传感器与飞机座舱的仪表相连，进行座舱显示，另一方面可进行记录并在超限时告警，实现机载监视。 2滑油温度滑油温度同其他滑油系统监视参数一起，可指出发动机子系统的故障。探测油温的传感器有两种安装位置，若安装在回油端，则能检测轴承的严重损坏或热端封严泄漏；若安装在滑油散热器的下游，当散热器堵塞时会导致超温指示。机载系统需监视油温超限。3滑油量监视监视滑油量和滑油加油量可以得到有关滑油消耗量过高及滑油泄漏的信息，或者得到由于燃油滑油散热器损坏而在滑油中出现燃油污染的信息。为了在飞行前和飞行后检查滑油量，应在滑油箱装有观测标尺或简单的深度尺。最好安装油量传感器，从而可在驾驶舱或在维修指示板上读出。其计算式为:4油滤旁路指示器如果滑油滤堵塞会引起滑油供油不足，所以发动机的油滤应设有旁路活门，使它们在压差升高时能打开，这时通过机械式或电子式旁路指示器在外部指示这种状态。如果发动机是在油滤打开旁路的情况下工作，接触滑油的零组件可能被循环的屑末所损伤。以上这四个机上滑油系统工作监视参数都是必须的，而在地面可用这四个监视参数做趋势分析，进行长期监视。3.2 滑油屑末分析 滑油除起润滑和冷却作用外，它还作为屑末的运输媒介。发动机滑油屑末监视的最主要任务就是及时发现由于滚动和滑动表面产生的磨损屑末，判断摩擦件的健康状态并避免造成严重的发动机二次损伤。屑末分析应定期进行，也可根据油滤堵塞指示、振动值以及光谱分析定期分析结果，随时进行屑末分析。由磁性堵头和粗、细油滤分别收集屑末，既使滑油过滤，使碎片不进入循环油路中而不致损坏油泵，又便于探测和隔离故障。通常屑末收集器用以探测因零件疲劳损坏或冲击掉块而产生的金属碎片或非金属屑末。利用屑末收集和分析，能为尽早发现故障提供可靠信息，是一种简便、有效的监视和诊断手段。3.2.1 屑末的收集磁性屑末收集器：可使用磁堵，装在主油路或分开的回油路中，也可装在附件或传动齿轮箱中，它的最佳安装位置要满足可达性要求，在怀疑有早期故障时，即可方便地进行检查。发动机磁性屑末收集器的检查周期应与其已知的故障模式相对应，可定为25-50小时。磁性屑末收集器成本相对较低，为了隔离故障，发动机上可在不同部件安装数个磁堵。电屑末探测器：在发动机上也可考虑选用电屑末探测器，它具有连续电子显示能力。其工作原理是包括两个电极和一个用于吸附磁性屑末的磁头，当屑末积累得足够多时，两个电极连通。电屑末探测器的一个严重缺点是它不能做趋势分析，并且需要进行大量研究与细微的调整以避免误告警现象。3.2.2 屑末分析 首先对屑末进行分类。用磁铁将屑末分成非磁性的及磁性的物质，两者又可各分为金属的及非金属的，然后利用这四种屑末的属性判断产生屑末的来源。在发动机维修手册中给出典型屑末颗粒图例，维修人员用收集到的屑末从外观上和含量上与图例进行比较，确定故障情况，做出维修决策。磁性屑末监视方法其最有效的颗粒分析范围是50一100m。3.3 滑油光谱分析3.3.1 滑油光谱分析原理滑油光谱分析主要对相互摩擦零件逐渐磨损产生的悬浮在滑油中的微小粉末通过光谱分析确定各种元素在滑油中含量的变化来判断零件的健康状况。 光谱分析的基本原理是利用不同金属元素的外部电子转变的能量变化不同，使所吸收或发射的光波波长亦不同。通过光谱分析仪探测和测量不同的波长以测定各种元素的含量。光谱分析的具体方法有原子发射光谱法、等离子发射光谱法和原子吸收光谱法等。图3-1示出原子发射光谱法的工作原理图。高压(15000伏)直流电弧激发滑油中各种金属微粒汽化发光，通过窄缝后的光波经光栅或棱镜按波长分开，然后通过光电探测器转变为电能，经信号放大处理，由打印机打印分析结果。根据光谱的波长确定金属的种类；根据光谱的强度确定金属的含量。 光谱分析可探测到的颗粒上限大约为10m。 图31 滑油光谱分析工作原理图3.3.2 取样及分析 为了成功地将滑油光谱分析应用于发动机滑油监视系统，一个重要的要求是保持仔细的和始终如一的滑油取样方式。油样应在发动机停车后的一个确定的时间和基本相同的位置抽取，取出的滑油样品必须能代表循环着的滑油，以使分析结果有效。取样的间隔时间根据经济化、工作状态及所监视发动机的故障历史情况确定。正常情况下，取样时间可长一些，如200小时。有时，为了密切跟踪发展趋势，可短到每次飞行取样一次。现代的光谱分析可提供至少20种不同元素的分析能力，但大多数的光谱分析程序限定分析6-9种常见元素。其中，Fe、Ti是监视的主要元素；Cu、Al、Ni、Zn、Cr、Ag是次重要元素。建议采取两种监视方法，一种是磨损金属含量的限制值；另一是金属含量的趋势分析。发现金属含量明显变化时，应缩短取样周期，观察金属含量变化趋势，通过趋势监视起到预报故障的作用。 为便于分析SOAP的结果，应该了解发动机的结构，特别是与滑油接触的各零、组件的结构，了解这些零、组件包含的主要零件材料所含的金属元素和非金属元素。这样就可利用已知的零件、材料、元素等资料，综合考查、研究，从而大致诊断出某些元素的出现或含量增多可能是哪类零件发生故障所致。3.4 滑油铁谱分析3.4.1 工作原理滑油铁谱分析由专门的铁谱仪进行，其基本原理是将滑油样品中的磨损粒子磁性沉积到特制的玻璃基片上。油样在一定时间内加热到一定温度(如70C)，然后用力摇动，将一定容积(如3毫升)的油样和一定容积(如l毫升)溶剂(如四氯乙烯)配成混合液，把这种混合液缓慢地注到玻璃基片上，如图ll-18所示。接着进行溶剂洗涤和固着，以除去残存的润滑油并将粒子牢固地附着在基片上。所得到的滑板以及上面所附着的粒子统称为铁谱。通过计量沿基片入口各个(如7个)位置处沉淀物的光密度(复盖面积的百分比)可确定铁谱上磨粒的总量；以各个(如7个)读数的平均值来确定每块基片的综合铁谱密度。 3.4.2 取样及分析 按照规定标准收集油样，为保证油样质量，所有的取样工具和器皿必须保持清洁。铁谱分析一般针对几m到上百m的大磨粒，这些磨粒生成后即很快沉淀，而过滤器优先滤掉的也是大磨粒。此外，滑油流速、管壁等对大磨粒的影响也较大。因此，确定合适的取样位置与时间等十分重要。在制谱前，有的要求对油样进行浓度稀释，如用未使用过的新油所采集的油样按一定比例稀释；一般均要求对油样进行粘度稀释，如规定用3毫升油样加入l毫升溶剂(四氯乙烯)稀释。铁谱分析使用的二种基本分析技术是密度读数和观察分析。这二种分析技术均使用显微镜技术评定铁谱片，磁铁质微粒分布在铁谱片上，微粒尺寸和磁场强度决定了沉淀在谱片上的每个微粒的位置。 微粒的密度读数是基于被微粒沉淀物遮盖的光占的百分比。单位面积谱片上的微粒越多，光遮盖的百分比数值越高，密度读数也越高。密度读数和位置间的关系给出了一个代表滑油系统中磨损发生程度的数据。通常，产生大微粒的系统比产生小微粒的系统的磨损状态要严重。观察分析通常用双色显微镜进行。可确定微粒的形状、大小、颜色以及定性地确定其分布。可提供有关微粒的起源以及磨粒磨损形式的信息。观察分析很大程度取决于技术人员的培训水平和经验。除双色显微镜外，也有的用能量扩散式x射线分析技术，通过扫描电子显微镜测定不同类型磨损微粒或碎片的元素成分。 为了研究铁谱分析结果与零件疲劳损伤、破坏的关系，一般提出用综合铁谱密度(铁谱基片各个位置密度读数的平均值)、磨损严重指数(铁谱基片上两个特定位置的密度读数的平方差)以及微球形粒子(微粒或碎片有正常摩擦磨损粒子、球形粒子、非铁性粒子、严重磨损粒子等不同类型)的数量等三个参数来描述和评定。3.5 三种技术的比较 研究认为，磨损件其运行期内一般均经过磨合、正常磨损和最终失效三个基本磨损阶段。该过程磨损率(或磨粒尺寸分布)与运行时间的关系曲线为熟知的所谓“浴缸”状曲线，如图3-2所示。在磨合阶段，滑油中出现许多大磨粒，这些可能是制造过程中残留下来的，或是啮合表面接触的产物。由于过滤和磨粒破损的联合作用，使得磨粒的平均尺寸减少，这一直延续到正常磨损阶段开始为止；在正常磨损阶段磨粒尺寸相对较稳定，磨粒尺寸约在0至l0m范围；在严重磨损阶段乃至最终失效时，通常有较大磨粒(25m或上百m)出现。显然，有效地检测几m到上百m的磨损微粒或碎片的数量变化是特别有意义的。图3-3给出了光谱分析、铁谱分析和屑末分析等三种方法有效的微粒尺寸检测范围。 图3-2 磨损率一时间关系曲线 图3-3 三种方法检测效率和范围比较 经验表明，滑油光谱分析技术已有较长的应用历史并且在发动机状态监视中得到广泛、有效的应用。但是，它具有不能有效地检测大于10m金属微粒和不能观察和分析单个微粒的缺陷，因而损失了一些重要信息；屑末分析方法相当简便，但其定量性能和故障早期预报性能却不能令人满意。铁谱分析技术具有较宽的微粒尺寸检测范围和较高的检测效率，能同时进行磨损微粒的定性分析与定量监测，可弥补屑末分析和光谱分析技术的不足。4 CFM56-3C发动机滑油碎屑分析4.1 概述 1架B737-400型执行航班任务，飞机在准备下降时，机组闻到异味，并发现左发EGT和振动指示升高，N1、N2转速下降，滑油压力、滑油量下降。机组将左发油门收至慢车，上述现象仍继续。机组关闭该发后按单发程序安全着陆。 飞机落地后，检查发现左发滑油量为零，尾喷口和反推包皮后缘有明显的滑油痕迹，尾喷管底部有大量金属的和非金属的碎屑。 对从该发前收油池、磁堵和滤网处收集到的碎屑进行了分析。该发动机型号为CFM56-3C，总时间循环为5917h3722。4.2 实验分析4.2.1体视显微镜观察 将提供的碎屑清洗干净后在体视显微镜下观察，按外观可将碎屑大致分为如下几类：(1)纤维束，如图4-1。将此类纤维束与取自另1台CFM56-3C发动机3号轴承后静止气油封严壳体中的纤维束相比较(图4-2)，二者很相似。按CFM56的NDT手册，该材料为玻璃纤维复合材料。(2)非金属颗粒，图4-1中颗粒。将此类非金属颗粒与取自另1台CFM56-3C发动机3号轴承后静止气油封严上的封严涂层碎片进行对比(见图4-3)，可见二者很相像。(3)银白色薄片，如图4-4中箭头A所指。此类薄片有的很平整，有的卷曲；有的呈光亮的银白色，有的在银白色上还有铜黄色或高温氧化色。(4)黑色薄片，如图4-4中箭头B所指。(5)长条，如图4-4中箭头C及图4-5所示。此类长条表面呈黄、蓝、黑等高温氧化色。(6)大块，如图4-4中箭头D及图4-6所示。此类碎屑表面氧化发黑，呈颗粒聚集状。4.2.2 扫描电镜观察及能谱分析 将上述碎屑的第1类和第3-6类分别选取几个，加上随机夹取的1撮碎屑放入扫描电子显微镜中观察并进行能谱分析。所选碎屑的形态见图4-7(a)、(b)。(1)大块，图4-7(a)中最下部的1块碎屑属前述的大块类，其放大图像见图4-8，呈熔融金属颗粒的粘合状。其能谱分析结果见图4-10，主要是钢铁材料，并因受到严重的高温氧化而含有-定量的氧。(2)黑色薄片，图4-7(a)中左上方和正上方的2个碎屑属前述的黑色薄片类，其能谱分析结果与图4-10类似，为钢铁材料，被严重高温氧化。(3)长条，图4-7(a)中右侧的2条碎屑属前述的长条类。能谱分析结果与图4-9类似，仍为钢铁材料，被严重高温氧化。(4)银白色薄片，图4-7(a)中部的2块碎屑及图4-7(b)中除中部的l撮碎屑以外的其他几个碎屑都属于前述的银白色薄片类。图4-9为其中l片的放大图像，该图中可看到摩擦痕。图4-11为该类碎屑的能谱谱图，该类碎屑中的其他几片碎屑的能谱谱图与此图很类似，不一一列出。由图可见其上要成分为银。(5)一撮碎屑，图4-7(b)中部的一撮碎屑的放大图像见图4-12，多数属黑色薄片类，能谱分析其主要成分为钢铁材料。(6)纤维束，纤维束的能谱分析结果见图4-13，图4-14是取自另1台CFM56-3C发动机3号轴承后静止气油封严壳体中的纤维束的能谱分析结果，二者的谱线很相似。硅、铝、氧3种元素是玻璃纤维的主要成分，碳、铜元素分别与纤维表面的环氧树脂和铜载物台有关。 图4-1 纤维束与非金属颗粒的形貌（12） 图4-2 本机纤维束（左）与另一台CFM56-3C 发动机3号轴承后静止气/油封严壳体中的 纤维束（右）的比较（10 ） 图4-3 本机非金属颗粒（左）与另一台CFM56-3C 图4-4 碎屑形貌（4） 发动机3号轴承后静止气/油封严上的封严涂层 碎片（右）的比较（18） 图4-5 长条形碎屑的形貌（25） 图4-6 大块碎屑的形貌（10） 图4-7供扫描电镜观察及能谱分析用的碎屑的形貌（4） 图4-8大块碎屑的放大图像（160） 图4-9 银白色薄片碎屑的放大图像（60）图4-10