油液监测技术在航空发动机故障诊断中的应用.doc

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, 并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 so il m o n ito r in g, w ea r p a r t ic le, sp ec t rum an a ly sis, fe r ro g rap h y an a ly sis航空发动机的结构极其复杂, 且在高温、高速的恶劣环境下工作, 较易发生各种机械故障, 作为飞行 器的“心脏”, 其“健康状况”直接影响正点飞行和安全1 。因此, 航空发动机状态监测与故障诊断一直是 国内外专家研究的热点之一2 。 当前常用的航空发动机故障监测与故障诊断的技术主要有: 基于状态信息和发动机模型的趋势分析技术3 、油液监测技 术、振动分析技术4 、无损检测技术5 。 本文就油液 监测技术做一介绍。油 液 监 测 技 术 将 发 动 机 视 为 一 个 摩 擦 学(T r ibo lo gy) 系 统, 应 用 摩 擦 学 知 识 进 行 监 测 与 诊 断。 它主要用于预防发动机轴承、齿轮、旋转密封件等零部件的早期磨损类故障及监控润滑油理化品质。 同振动、噪声分析技术相比, 油液监测与诊断技 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, 因而受到世界各国的普遍重视, 发展十分迅速。 目 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 机械故障, 这是目前普遍采用的机械设备润滑状态 监测方法, 称之为润滑油介质油液分析法; 另一种则是通过对在用润滑油中所含磨损微粒的分析来判断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。因为润滑油只有在正常粘度时才能保证摩擦副在良好的润滑状态下工作。 若过大, 会增加摩擦阻力; 若 过小, 会降低油膜的支撑能力。 油膜建立不起来, 导致润滑状态恶化, 加剧磨损。水分是润滑油质量的另一个重要的指标。 润滑 油含水会使润滑油乳化和破坏油膜, 从而降低润滑效果而增加磨损。 同时还可能加速机件的腐蚀和润滑油的变质劣化。特别是对加有添加剂的油品, 含水 会使添加剂乳化、沉降或水分解而失去效用。酸度值也是控制润滑油使用性能的重要指标之一。 酸度值大的润滑油容易造成机件的腐蚀。 石油 馏分中的环烷酸虽属弱酸, 但在有水的情况下, 对某些有色金属 (如铝和锌) 也有腐蚀作用而生成金属皂类。皂类会加速润滑油氧化, 并且积聚成沉积物后破 坏机器正常工作。 润滑油使用一段时间后由于氧化而逐渐变质, 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。 机械杂质是指存在于润滑油中所有的沉淀状或悬浮状物质, 多由砂子、粘土、炭渣、金属屑等组成,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,通过对这些指标的测定, 可以监测润滑系统和预测、预防机器设备因润滑不良而可能出现的故障。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 同, 主要有光谱分析法、铁谱分析法、磁塞检查法和 颗粒计数器法等。1. 2. 1磁塞检查法磁塞检查法是在机器的油路系统中插入磁性探 头 (磁塞) , 搜集油液中的铁磁性磨粒, 并定期进行观 察以判断机器的磨损状态。 磁塞法适用于粒径 100m 以上磨损微粒的分析。1. 2. 2颗粒计数器法 颗粒计数器法是评定油液内固体 ( 包括机械磨1油液监测技术的手段1. 1 常规理化分析6润滑油的常规理化分析所需设备简单, 操作方 便, 是油液监测技术中最为普及的 1 种方法。常规理化分析通常是指采用油品化验的物理化学方法对润 滑油的各种理化指标进行测定, 在针对发动机诊断 这一特定目标时, 需要分析测定的项目一般有: 粘度、水分、闪点、酸度值和机械杂质等。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, 并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, 从而得到有关磨损微粒粒度的分布信息, 以判断机器磨损状况。最先是人工用光学显微 镜对磨损微粒进行测量和计数; 以后则采用图像分析仪进行二维自动扫描测量和计数。 但这都需要首 先将磨损微粒从油液中分离出来, 分散沉积在二维平面上。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 将磨损微颗粒分离出来便能自动对样液中的磨损微粒大小进行测量和计数。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 度是非常缓慢和平稳的。 光谱分析技术就是根据润 滑油中各种元素吸收或发射光谱的不同, 来判断磨 损微粒的成分和含量, 并判断相应零件的磨损状态,进而对设备故障进行诊断7 。 其基本原理是油样经火焰激发或电激发, 通过光谱分析得到光电信号, 放 大后进行数据处理。常用的光谱分析技术有发射光谱技术、原子吸收光谱技术、X 射线荧光光谱、红外光谱技术等等。 光谱分析的特点是速度快, 分析数据准确, 适合于大量油样的数据采集。 但是该监测技术也有局限性, 主要是: 它仅适用于粒径 5 m 以下的磨损微在实际运用中往往是多种手段综合诊断。2油液监测技术的应用实例油液监测技术主要是通过检测的数据来诊断航空发动机的状态, 从而保证航空发动机的正常运行,预测航空发动机的故障并指导维修, 减少或消除事 故。 一般可实现以下功能: 捕捉航空发动机异常征兆, 确定航空发动机零件故障性质, 预测航空发动机零部件寿命以及分析航空发动机事故起因等8 。 如利用光谱分析技术, 在 1964 年 4 月 1 日1965 年 3 月, 美国空军 SOA P 共分析 8 万个油样,其中有 87 例诊断出有可能使发动机失效的故障, 并 经后来检查, 证明诊断的正确率高达 90% , 所拯救 的航空发动机总价值达 5 000 万美元。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 分光光度计对其成分含量进行了测试, 对 86 个润滑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 素, 与文献报道一致。对铁、铜、镍 3 种元素进行跟踪监测, 浓度曲线呈浴盆变化趋势, 获得了发动机主要零件的磨损变化趋势。油样编号为N o 1 N o 12 的磨 损微粒的数量和尺寸变化较大; 油样编号为 N o 15N o 65 的磨损微粒含量呈减少趋势, 表明运转情况正 常; 自 N o 65 油样以后磨损微粒数量增多, 说明磨损 加剧; N o 76 油样为突跳点, 可能有较大碎屑出现, 该 部件出现异常; N o 81 油样再次出现较大突跳, 说明碎屑增大, 该部位肯定出现故障。后经与铁谱分析对照, 证实滚动轴承的跑道出现疲劳剥落。粒, 对于粒径大于 5 m的一般无能为力; 另外, 光谱分析仅能监测润滑油中所含元素的浓度, 反映的是所有摩擦副磨损微粒累积的含量, 而不能反映磨 损微粒的具体尺寸和形貌特征。1. 2. 4铁谱分析 铁谱分析是一种借助磁力将油液中的金属颗粒分离出来, 并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, 另一种是分析铁谱仪。直读铁谱仪依据颗粒的沉积位置不同, 将磨损 微粒大致区分为大颗粒和小颗粒, 其读数分别以 D l和 D s 表示, 但这种区分缺乏严格的物理意义, 如果 实验数量多, 其趋势线可以反映零件磨损的变化。在重力场和磁力场作用下, 使铁磁性和非铁磁 性磨损微粒沉积在载片上, 通过铁谱分析仪中的高倍显微镜观察磨损微粒, 获得大量有关油液中磨损 微粒的信息 ( 形态、大小、数量、颜色、表面纹理等) ,从而通过计算机处理, 分析零件的磨损状态。分析中 还可配置不同级别的铁谱分析系统及相应的计算机分析诊断软件。对于常用的机械设备, 这样的状态监 测与故障诊断较为合适。3油液监测技术的发展方向当前油液监测技术的特点是交叉性、综合性、系统性和开发应用。 随着计算机技术的不断深入发展和各种相关软件的出现, 油液监测技术与计算机技 术的融合将更加突出, 如油液监测技术中使用神经 网络诊断法、专家系统诊断法以及模糊2专家系统诊 断法、神经网络2专家系统诊断法等复合智能诊断法, 使油液故障诊断能力得到极大提高。实际证明, 基于神经网络的专家系统复合智能 诊断法在知识获取、并行处理、适应性学习、联想推理和容错能力等方面具有明显的优势, 且诊断速度快和诊断精度高, 是今后发展方向之一。 另外, 为提 高润滑油监测与诊断技术的准确性, 将铁谱分析、新技术新工艺机械加工与自动化2004 年第 5 期28A 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 r2h igh Sp eed G r in d in g东北大学先进制造技术研究所 (110004)李长河原所先修世超蔡光起内蒙古民族大学 ( 028042)李长河【摘要】砂轮在线自动平衡装置是超高速磨削中的关键技术, 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, 并介绍了德国 H o fm an n 公司生产的一种砂轮液体式自动平衡装置。关键词超高速磨削砂轮自动平衡振动Keyword ssup e r2h igh g r in d in g, w h ee l, au tom a t ic b a lan c in g, v ib ra t io n磨削加工通常按砂轮线速度分为普通磨削 (v s 45 m s) 高速磨削 ( 45v s 150 m s) 和超高速磨 削 (v s 150 m s)。超高速磨削可大幅度提高磨削效率, 延长砂轮使用寿命和减小表面粗糙度值, 并可对脆硬材料实现延性域磨削, 对高塑性和难磨材料也 有良好的磨削效果1 。随着砂轮线速度的提高, 比磨削去除率已猛增到 3 000 mm 3 mm s 以上, 可与 车、铣、刨等切削效率相媲美, 实现了磨削加工高精度与高效率的有机结合。因此, 超高速磨削技术被称作磨削技术的革命性跃变。 德国著名磨削专家 T.T aw ako li 博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。 国际生产工程学会 (C IR P ) 将超高速磨削技术确定为面向 21 世纪的中心研究方向之一2 。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速度在 150 m s 以上, 因而砂轮若有极小的不平衡 量, 也会产生非常大的不平衡离心力, 从而使机床振动, 轴承磨损, 被磨削工件产生表面波纹和增大表面 粗糙度值。因此, 砂轮的不平衡量严重影响着超高速磨削的加工精度和机床的使用寿命, 由此可见, 超高速磨削中砂轮自动平衡技术的重要性。超高速磨削砂轮自动平衡技术11. 1砂轮平衡技术的分类砂轮平衡技术按自动化程度可将其分为 3 大 类, 即人工平衡、半自动平衡和自动在线平衡3 。 人 工平衡是将砂轮从磨床上卸下, 支承在平衡架上, 通过调整砂轮法兰盘上不平衡块, 使砂轮在平衡架上 的任何位置都能停转为止。人工平衡的平衡精度低,平衡时间长 (5 20 m in ) , 常用作砂轮的静平衡及精 细平衡的预平衡。半自动平衡是利用传感器在磨床工作转速下,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, 反复多次操作, 使平衡精度不断提高。半自动平衡的平衡时间长, 不适宜在超高速磨床上使用。 自动在线平衡则是在砂轮工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位, 并自动完成平衡工作。与传统的平衡方法相比, 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; 又由于其对交通出版社, 1993.5 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. 航空工程及维修, 2000 (5) : 25227.光谱分析和理化分析等手段有机地综合起来, 达到信息融合9 , 也是当前和今后的发展趋势。李方毅. 基于油液监测的故障诊断专家系统的研究 硕 参考文献 吴振锋, 左洪福, 张天宏. 基于W EB 的民航发动机远程6士论文 . 武汉交通科技大学, 2000. 3.7 王坚, 张英堂. 油液分析技术及其在状态监测中的应用.润滑与密封, 2002 (4).8 左洪福