由于滑油在航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)中是循環(huán)使用的，攜帶著發(fā)動機(jī)運(yùn)動零部件狀態(tài)的大量信息，包括磨損和疲勞剝落等情況，利用這些信息可以預(yù)測發(fā)動機(jī)有關(guān)零部件的壽命、決定維修的時機(jī)。利用滑油系統(tǒng)開展監(jiān)控與故障診斷是實(shí)踐證明行之有效的一種發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷方法。

　　需要注意的是這時監(jiān)控的對象已經(jīng)不是滑油系統(tǒng)本身，而是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動部件，例如軸承、齒輪等。

　　1受潤滑零部件的磨損規(guī)律

　　1.1航空發(fā)動機(jī)受潤滑的摩擦零件的使用磨損

　　磨擦是兩個相互接觸的零部件在外力作用下發(fā)生相對運(yùn)動時接觸表面產(chǎn)生阻止這種運(yùn)動的相互作用的現(xiàn)象，摩擦的結(jié)果使其表面分子逐漸脫落，使零部件原有的尺寸、幾何形狀和表面質(zhì)量發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磨損。在兩接觸表面之間施用油、脂或其它流體來分隔接觸表面以達(dá)到降低能量消耗的方法稱為潤滑。可見摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的必然結(jié)果，潤滑是降低摩擦、減少磨損的措施，三者有密切的聯(lián)系。

　　機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的磨損過程一般分為三個階段，即磨合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。磨合階段又稱跑合階段。新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真實(shí)接觸面積較小，局部應(yīng)力較大，所以開始使用階段表面逐漸磨平，磨損速度較大。隨著磨合的進(jìn)行，真實(shí)接觸面積逐漸增大，磨損速度開始減緩。人們利用磨合階段輕微的磨損為正常運(yùn)行時的穩(wěn)定磨損創(chuàng)造條件。選擇合理的跑合規(guī)程，采用適當(dāng)?shù)哪Σ粮辈牧霞凹庸すに�，使用含活性添加劑的滑油等方法都能縮短跑合期，即在短時間內(nèi)以最低的磨損速度達(dá)到良好的跑合要求。穩(wěn)定磨損階段磨損緩慢穩(wěn)定。這一線段的斜率就是磨損率，橫坐標(biāo)時間就是零件的耐磨壽命。之后磨損速度急劇增長，機(jī)械效率下降，精度喪失，產(chǎn)生異常噪聲及振動，摩擦副溫度迅速上升，最終導(dǎo)致零件失效。這三個階段的長短與機(jī)械的設(shè)計和使用均有密切的關(guān)系。

　　在發(fā)動機(jī)使用過程中，潤滑零件的損壞原因，通常是潤滑不良、溫度過高、滑油因含雜質(zhì)使其潤滑性能劣化。

　　發(fā)動機(jī)潤滑用的礦物油或合成油，當(dāng)含水或含燃油過量時，也會使其抗磨損性能急劇劣化。

　　當(dāng)滑油內(nèi)的雜質(zhì)含量超過規(guī)定限度時，不僅會使摩擦零件磨損速度增大造成破壞，而且會造成系統(tǒng)機(jī)件的磨損、振動、發(fā)熱、卡死、堵塞或由此而引起系統(tǒng)性能下降、壽命縮短、機(jī)件損傷、動作失靈和油液變質(zhì)等故障。

　　1.2滑油中磨粒的濃度

　　能夠利用滑油中金屬屑含量這種定量信息監(jiān)控零部件的磨損狀態(tài)的原因，在于正常磨損的機(jī)械其油液中磨粒濃度能夠達(dá)到動態(tài)平衡;而異常磨損能引起磨粒濃度及粒度分布超出預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　有關(guān)研究指出，根據(jù)物質(zhì)平衡原理可以建立磨粒濃度動態(tài)平衡的微分方程：

　　

　(1)

 

　　式中Ci-特定尺寸粒度i的磨粒濃度(mg/L);

　　Pi-特定尺寸粒度i的磨損率(mg/h);

　　K-排除率常數(shù)(L/h);

　　V-油的體積(L);

　　t-時間(h)。

　　對于一個循環(huán)系統(tǒng)來說，可以假設(shè)體積V為常數(shù);絕大部分磨粒的排除是由于油濾所致，因而排除率常數(shù)為k=EQ，其中E-油濾濾出效率，Q-流量(L/h)。磨損率Pi是一個常數(shù)。

　　若設(shè)初始濃度為零，并從初始時間開始將式(1)積分，其結(jié)果為

　　

　(2)

 

　　該式表明磨粒濃度正比于磨損率，反比于排除率常數(shù)，而且以指數(shù)形式達(dá)到平衡濃度;該式還表明達(dá)到動平衡的時間主要與油濾的濾出效率有關(guān)，而與磨損率無關(guān)。

　　2油樣分析

　　在工程實(shí)際中，對油樣的分析和檢驗(yàn)可分為兩大類。一是對油料本身的檢驗(yàn)，測定油料本身是否合格、是否可以使用，即對油料理化性能檢驗(yàn)。這類分析檢驗(yàn)手段不屬于設(shè)備故障診斷討論的內(nèi)容，但是保證滑油系統(tǒng)可靠工作的有效措施。二是通過對油樣的分析，來判斷設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、嚴(yán)重磨損是否發(fā)生等。對于這一類，一般是使用鐵譜分析技術(shù)和光譜分析技術(shù)，對油中所含磨粒進(jìn)行分析與監(jiān)視，來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和磨損情況，屬于設(shè)備故障診斷的內(nèi)容。

　　油樣分析的基本原理是：設(shè)備運(yùn)行過程中，兩個相互接觸并相對運(yùn)動的金屬表面必然發(fā)生摩擦，摩擦產(chǎn)生的金屬碎片和微粒會從金屬表面上脫落而進(jìn)入滑油中，并隨滑油的流動而被帶走。這樣，通過對油中磨損微粒的分析，就可判斷設(shè)備的磨損部位、磨損程度和磨損狀態(tài)。

　　油樣分析通常從油樣成分分析、磨粒濃度分析和磨粒形態(tài)分析三個方面進(jìn)行�；�油中出現(xiàn)的不同化學(xué)元素，來源于含有相應(yīng)元素材料制成的零件。通過對滑油中所含化學(xué)元素的分析，就可以確定設(shè)備的磨損部位。一般來說油液中的磨粒濃度與零件的磨損量存在線性關(guān)系，因而通過測量磨粒濃度，就可判斷零件的磨損程度。磨粒的大小與磨損速度有關(guān)。根據(jù)磨損規(guī)律，當(dāng)零件處于磨合階段時，磨粒相對較大;正常磨損階段，磨損顆粒細(xì)小而均勻，一般小于3μm;而在達(dá)到磨損極限容許值時，可能出現(xiàn)粗大顆粒。磨粒磨損，其磨粒呈不規(guī)則截面的粒狀;粘著磨損會出現(xiàn)條狀磨粒，磨粒表面無光澤;齒輪和軸承的疲勞剝落，其碎屑呈片狀，一面光滑而明亮，另一面呈布紋狀的粗糙組織。腐蝕磨損由于介質(zhì)的性質(zhì)、介質(zhì)作用在摩擦面上的狀態(tài)、摩擦材料的性能及腐蝕磨損出現(xiàn)的狀態(tài)不同，磨損特征各不相同。

　　油樣分析可按采樣、檢測、診斷、預(yù)測和處理五個步驟進(jìn)行。從滑油中取樣，必須采集能反映當(dāng)前發(fā)動機(jī)中各零部件運(yùn)行狀態(tài)的油樣，即油樣應(yīng)具有代表性(由于各種磨損殘粒并不是溶解在滑油之中的，而是懸浮在滑油之中，運(yùn)動停止以后很容易發(fā)生分離，因此必須十分注意采樣時機(jī)、位置);檢測是指對油樣進(jìn)行分析，測定油樣中磨損殘?jiān)�的�?shù)量、粒度分布、化學(xué)成分，初步判斷設(shè)備屬正常磨損或異常磨損;診斷就是確定異常磨損狀態(tài)的零件及磨損類型(如磨粒磨損、疲勞剝落等);預(yù)測就是預(yù)估異常磨損零件的剩余壽命及今后的磨損趨勢;處理就是根據(jù)以上結(jié)果，確定維修方式和維修時間。

　　3油樣檢測監(jiān)控技術(shù)

　　光譜分析法、鐵譜分析法和磁塞檢測法是目前常用的三種油樣分析技術(shù)。通常，光譜分析法適用于8μm以下磨粒的分析;鐵譜分析法適用于100μm以下磨粒分析;磁塞檢測適用于50μm以上磨損顆粒。光譜技術(shù)能可靠地鑒別磨粒的成分，并對其進(jìn)行定量分析，但不能獲得磨粒形態(tài)的信息;鐵譜技術(shù)能將磨粒按尺寸大小排列，并可獲得顆粒形態(tài)及成分等方面的信息;磁塞檢測法通過對磨粒的大小、數(shù)量和形態(tài)的觀測，可以判斷零件的磨損狀態(tài)。

　　3.1利用油濾、磁塞和金屬屑信號器進(jìn)行監(jiān)控

　　油濾和磁塞是最早應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)長期監(jiān)控的簡單而行之有效的方法。其基本原理是通過不同結(jié)構(gòu)的油濾和安裝在滑油系統(tǒng)內(nèi)帶磁性的塞頭，收集滑油中的殘?jiān)?數(shù)量與其在滑油中的濃度成正比)，用肉眼、低倍放大鏡或顯微鏡直接觀察殘?jiān)�的大小、�?shù)量和形狀等特征，從而判斷摩擦零件的磨損狀態(tài)。

　　一般在發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)內(nèi)裝有批生產(chǎn)的油濾，其濾網(wǎng)孔目尺寸為70-75μm。由于油濾不能阻擋尺寸小于該濾網(wǎng)孔目的零件機(jī)械磨損產(chǎn)物而丟失有價值的診斷信息，故在滑油系統(tǒng)內(nèi)安裝磁塞，這樣可以得到50μm以上尺寸的鐵磁材料的殘?jiān)�微粒�?/p>

　　對于零件磨損產(chǎn)物進(jìn)行分析的周期，一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定。例如R.R.公司的斯貝系列發(fā)動機(jī)上，磁塞和油濾的檢查周期為25和400小時。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時，磁塞的檢查周期要縮短為10小時，以便盡可能更可靠地檢查故障的發(fā)生過程。在使用中要將從磁塞和油濾上清除的沉積物利用10～20倍的雙筒顯微鏡仔細(xì)分析，根據(jù)其顏色和形狀將發(fā)動機(jī)裝配和維修時帶入的金屬屑同其它金屬微粒區(qū)分開。

　　在發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)還廣泛采用金屬屑信號器。例如裝在某型發(fā)動機(jī)上的金屬屑信號器，是間隙式的，由敏感元件、導(dǎo)電片、絕緣墊、封嚴(yán)圈等組成，安裝于滑油箱的前部，用于監(jiān)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件的磨損情況。當(dāng)滑油回油系統(tǒng)中的金屬磨粒較大時，金屬屑檢測器直接發(fā)出信號給機(jī)載記錄系統(tǒng)，熒光顯示器顯示“減小轉(zhuǎn)速”信號，同時語音系統(tǒng)通知飛行員減小轉(zhuǎn)速。

　　在完好的發(fā)動機(jī)使用過程中，滑油中含有零件容許磨損的鐵微粒，可形成粘度不高的膏狀物，這對發(fā)動機(jī)的工作往往不會產(chǎn)生有害影響。這些微粒的尺寸實(shí)際上是固定不變的，為0.025μm。本來要使金屬屑檢測器對較粗大的顆粒報警，但是許多正常小微粒的堆積也會引起金屬屑檢測器報警，這會造成其誤報警。

　　3.2滑油光譜分析法

　　滑油光譜分析法是利用滑油中各種元素的原子發(fā)射光譜或吸收光譜的不同，來分析滑油中磨粒的化學(xué)成分和含量，判斷機(jī)件磨損的部位和磨損嚴(yán)重程度，確定相應(yīng)零件的磨損狀態(tài)，進(jìn)而對設(shè)備故障進(jìn)行診斷。光譜分析法比較適合于分析油液中有色金屬磨損產(chǎn)物。在光譜分析法的應(yīng)用中，根據(jù)光譜分析儀激發(fā)輻射光譜方法的不同，主要有原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜兩種方法。目前較多使用的是原子發(fā)射光譜。

　　3.2.1發(fā)射光譜分析法

　　物質(zhì)的原子是由原子核和在一定軌道上繞核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成的。當(dāng)外來能量加到原子核上時，核外電子將吸收能量并發(fā)生能級躍遷(從低能級躍遷到高能級的軌道上)。此時，原子的能量狀態(tài)是不穩(wěn)定的，電子總會自動地從高能級躍遷回原始能級，同時發(fā)射光子把它們所吸收的能量輻射出去，所輻射的能量與光子的頻率成正比關(guān)系

　　E=hv

　　式中h-布朗克常數(shù);

　　v-光電子頻率。

　　由于不同元素原子核外電子軌道所具有的能級不同，因此受激發(fā)后放出的光輻射都具有與該元素相對應(yīng)的特征波長。發(fā)射光譜儀就是利用這個原理，采用各種激發(fā)源使被分析物質(zhì)的原子處于激發(fā)態(tài)(一般是以15000V高壓產(chǎn)生的電火花直接激發(fā)油液中的金屬元素)，使之發(fā)射出供進(jìn)行光譜分析的表征輻射，此輻射經(jīng)光柵或棱鏡分光系統(tǒng)進(jìn)行分光后，便形成了所含元素各自的特征光譜(即受激發(fā)后的輻射線是按頻率分開的)，并按波長順序在聚焦處排列，通過各自的光電探測器在聚焦處對其特征光譜能量進(jìn)行接收和放大，最后送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理并輸出分析結(jié)果。也可將感光膠片置于聚焦處使其感光，然后根據(jù)感光膠片上的各對應(yīng)部位的感光強(qiáng)度(黑白程度)判斷各元素的含量。總而言之，發(fā)射光譜分析法接收的是磨粒元素原子激發(fā)態(tài)的發(fā)射光譜，根據(jù)不同波長上的譜線就能知道都有些什么元素，根據(jù)譜線的強(qiáng)弱判斷出每種元素的含量。

　　被分析的油樣在激發(fā)室的分析間隙中(石墨棒及石墨圓盤電極之間)激發(fā)時，油樣發(fā)射的光由光導(dǎo)纖維引至入射狹縫，由狹縫出來的光變?yōu)楠M窄的帶狀;光線到達(dá)光柵后被分為各種不同波長的譜線，在聚焦曲面上的出射狹縫處被分為對應(yīng)于各元素的譜線;再利用偏轉(zhuǎn)板的定期往返轉(zhuǎn)動來動態(tài)扣除光譜背景。每個狹縫后面設(shè)置一個光電倍增管，以便將光能變?yōu)殡娔?在每次燃燒中將這一電流按準(zhǔn)確的時間間隔積分(求和)，就形成了與光電管接受的光量成正比的電壓;通過讀出電路將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值，再將所測的結(jié)果與計算機(jī)中存儲的校正曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，便可算出元素的濃度;最后，將整個分析結(jié)果在計算機(jī)屏幕上顯示或用打印機(jī)打出。

　　每個通道由各自的狹縫、光電倍增管及積分電路組成，一般來說每個元素相對應(yīng)一個通道，并用一個數(shù)字表示。當(dāng)多元素油料分析儀(MOA)運(yùn)行時，用的是代表通道的數(shù)字而不是元素的名字或符號。

　　3.2.2滑油金屬含量標(biāo)準(zhǔn)

　　利用MOA可以分析發(fā)動機(jī)的滑油金屬含量的標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，不同的設(shè)備具有不同的標(biāo)準(zhǔn)而且差異較大。例如俄羅斯大修工藝規(guī)定的不同分析設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)是不同的，不能簡單地將別人的標(biāo)準(zhǔn)套用自己使用的設(shè)備，必須綜合考慮故障的機(jī)理、不同設(shè)備對同一金屬的不同顆粒狀態(tài)的靈敏度，重新研究制定標(biāo)準(zhǔn)。

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