利用滑油系統(tǒng)開展發(fā)動機監(jiān)控與故障診斷
由于滑油在航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)中是循環(huán)使用的，攜帶著發(fā)動機運動零部件狀態(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測發(fā)動機有關零部件的壽命、決定維修的時機。利用滑油系統(tǒng)開展監(jiān)控與故障診斷是實踐證明行之有效的一種發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷方法。
需要注意的是這時監(jiān)控的對象已經不是滑油系統(tǒng)本身，而是發(fā)動機的轉動部件，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)生相對運動時接觸表面產生阻止這種運動的相互作用的現(xiàn)象，摩擦的結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到降低能量消耗的方法稱為潤滑�？梢娔Σ潦悄p的原因，磨損是摩擦的必然結果，潤滑是降低摩擦、減少磨損的措施，三者有密切的聯(lián)系。
機械正常運轉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，真實接觸面積較小，局部應力較大，所以開始使用階段表面逐漸磨平，磨損速度較大。隨著磨合的進行，真實接觸面積逐漸增大，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?shù)哪Σ粮辈牧霞凹庸すに嚕褂煤钚蕴砑觿┑幕偷确椒ǘ寄芸s短跑合期，即在短時間內以最低的磨損速度達到良好的跑合要求。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，橫坐標時間就是零件的耐磨壽命。之后磨損速度急劇增長，機械效率下降，精度喪失，產生異常噪聲及振動，摩擦副溫度迅速上升，最終導致零件失效。這三個階段的長短與機械的設計和使用均有密切的關系。
在發(fā)動機使用過程中，潤滑零件的損壞原因，通常是潤滑不良、溫度過高、滑油因含雜質使其潤滑性能劣化。
發(fā)動機潤滑用的礦物油或合成油，當含水或含燃油過量時，也會使其抗磨損性能急劇劣化。
當滑油內的雜質含量超過規(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、機件損傷、動作失靈和油液變質等故障。
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，在于正常磨損的機械其油液中磨粒濃度能夠達到動態(tài)平衡;而異常磨損能引起磨粒濃度及粒度分布超出預先制定的標準。
有關研究指出，根據物質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)。
若設初始濃度為零，并從初始時間開始將式(1)積分，其結果為
(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)形式達到平衡濃度;該式還表明達到動平衡的時間主要與油濾的濾出效率有關，而與磨損率無關。
2油樣分析
在工程實際中，對油樣的分析和檢驗可分為兩大類。一是對油料本身的檢驗，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。這類分析檢驗手段不屬于設備故障診斷討論的內容，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，來判斷設備運轉是否正常、嚴重磨損是否發(fā)生等。對于這一類，一般是使用鐵譜分析技術和光譜分析技術，對油中所含磨粒進行分析與監(jiān)視，來判斷設備的運行狀態(tài)和磨損情況，屬于設備故障診斷的內容。
油樣分析的基本原理是：設備運行過程中，兩個相互接觸并相對運動的金屬表面必然發(fā)生摩擦，摩擦產生的金屬碎片和微粒會從金屬表面上脫落而進入滑油中，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)分析三個方面進行。滑油中出現(xiàn)的不同化學元素，來源于含有相應元素材料制成的零件。通過對滑油中所含化學元素的分析，就可以確定設備的磨損部位。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。根據磨損規(guī)律，當零件處于磨合階段時，磨粒相對較大;正常磨損階段，磨損顆粒細小而均勻，一般小于3μm;而在達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。腐蝕磨損由于介質的性質、介質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、預測和處理五個步驟進行。從滑油中取樣，必須采集能反映當前發(fā)動機中各零部件運行狀態(tài)的油樣，即油樣應具有代表性(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、位置);檢測是指對油樣進行分析，測定油樣中磨損殘渣的數(shù)量、粒度分布、化學成分，初步判斷設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);預測就是預估異常磨損零件的剩余壽命及今后的磨損趨勢;處理就是根據以上結果，確定維修方式和維修時間。
3油樣檢測監(jiān)控技術
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。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。光譜技術能可靠地鑒別磨粒的成分，并對其進行定量分析，但不能獲得磨粒形態(tài)的信息;鐵譜技術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行監(jiān)控
油濾和磁塞是最早應用于航空發(fā)動機滑油系統(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構的油濾和安裝在滑油系統(tǒng)內帶磁性的塞頭，收集滑油中的殘渣(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渣的大小、數(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)動機滑油系統(tǒng)內裝有批生產的油濾，其濾網孔目尺寸為70-75μm。由于油濾不能阻擋尺寸小于該濾網孔目的零件機械磨損產物而丟失有價值的診斷信息，故在滑油系統(tǒng)內安裝磁塞，這樣可以得到50μm以上尺寸的鐵磁材料的殘渣微粒。
對于零件磨損產物進行分析的周期，一般根據實驗來確定。例如R.R.公司的斯貝系列發(fā)動機上，磁塞和油濾的檢查周期為25和400小時。當發(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分析，根據其顏色和形狀將發(fā)動機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)動機上的金屬屑信號器，是間隙式的，由敏感元件、導電片、絕緣墊、封嚴圈等組成，安裝于滑油箱的前部，用于監(jiān)測發(fā)動機轉動部件的磨損情況。當滑油回油系統(tǒng)中的金屬磨粒較大時，金屬屑檢測器直接發(fā)出信號給機載記錄系統(tǒng)，熒光顯示器顯示“減小轉速”信號，同時語音系統(tǒng)通知飛行員減小轉速。
在完好的發(fā)動機使用過程中，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)動機的工作往往不會產生有害影響。這些微粒的尺寸實際上是固定不變的，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成分和含量，判斷機件磨損的部位和磨損嚴重程度，確定相應零件的磨損狀態(tài)，進而對設備故障進行診斷。光譜分析法比較適合于分析油液中有色金屬磨損產物。在光譜分析法的應用中，根據光譜分析儀激發(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
物質的原子是由原子核和在一定軌道上繞核旋轉的核外電子組成的。當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)源使被分析物質的原子處于激發(fā)態(tài)(一般是以15000V高壓產生的電火花直接激發(fā)油液中的金屬元素)，使之發(fā)射出供進行光譜分析的表征輻射，此輻射經光柵或棱鏡分光系統(tǒng)進行分光后，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行接收和放大，最后送入數(shù)據處理系統(tǒng)進行處理并輸出分析結果。也可將感光膠片置于聚焦處使其感光，然后根據感光膠片上的各對應部位的感光強度(黑白程度)判斷各元素的含量�？偠灾�，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，根據不同波長上的譜線就能知道都有些什么元素，根據譜線的強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于各元素的譜線;再利用偏轉板的定期往返轉動來動態(tài)扣除光譜背景。每個狹縫后面設置一個光電倍增管，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換為數(shù)值，再將所測的結果與計算機中存儲的校正曲線數(shù)據進行對比，便可算出元素的濃度;最后，將整個分析結果在計算機屏幕上顯示或用打印機打出。
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一個通道，并用一個數(shù)字表示。當多元素油料分析儀(MOA)運行時，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滑油金屬含量標準
利用MOA可以分析發(fā)動機的滑油金屬含量的標準。需要注意的是，不同的設備具有不同的標準而且差異較大。例如俄羅斯大修工藝規(guī)定的不同分析設備的標準是不同的，不能簡單地將別人的標準套用自己使用的設備，必須綜合考慮故障的機理、不同設備對同一金屬的不同顆粒狀態(tài)的靈敏度，重新研究制定標準。
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