利用滑油系统开展发动机监控与故障诊断

　　磨擦是两个相互接触的零部件在外力作用下发生相对运动时接触表面产生阻止这种运动的相互作用的现象，摩擦的结果使其表面分子逐渐脱落，使零部件原有的尺寸、几何形状和表面质量发生变化，这种现象称为磨损。在两接触表面之间施用油、脂或其它流体来分隔接触表面以达到降低能量消耗的方法称为润滑。可见摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果，润滑是降低摩擦、减少磨损的措施，三者有密切的联系。

　　机械正常运转时的磨损过程一般分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。磨合阶段又称跑合阶段。新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小，局部应力较大，所以开始使用阶段表面逐渐磨平，磨损速度较大。随着磨合的进行，真实接触面积逐渐增大，磨损速度开始减缓。人们利用磨合阶段轻微的磨损为正常运行时的稳定磨损创造条件。选择合理的跑合规程，采用适当的摩擦副材料及加工工艺，使用含活性添加剂的滑油等方法都能缩短跑合期，即在短时间内以最低的磨损速度达到良好的跑合要求。稳定磨损阶段磨损缓慢稳定。这一线段的斜率就是磨损率，横坐标时间就是零件的耐磨寿命。之后磨损速度急剧增长，机械效率下降，精度丧失，产生异常噪声及振动，摩擦副温度迅速上升，最终导致零件失效。这三个阶段的长短与机械的设计和使用均有密切的关系。

　　在发动机使用过程中，润滑零件的损坏原因，通常是润滑不良、温度过高、滑油因含杂质使其润滑性能劣化。

　　发动机润滑用的矿物油或合成油，当含水或含燃油过量时，也会使其抗磨损性能急剧劣化。

　　当滑油内的杂质含量超过规定限度时，不仅会使摩擦零件磨损速度增大造成破坏，而且会造成系统机件的磨损、振动、发热、卡死、堵塞或由此而引起系统性能下降、寿命缩短、机件损伤、动作失灵和油液变质等故障。

　　1.2滑油中磨粒的浓度

　　能够利用滑油中金属屑含量这种定量信息监控零部件的磨损状态的原因，在于正常磨损的机械其油液中磨粒浓度能够达到动态平衡;而异常磨损能引起磨粒浓度及粒度分布超出预先制定的标准。

　　有关研究指出，根据物质平衡原理可以建立磨粒浓度动态平衡的微分方程：

磨粒浓度动态平衡的微分方程一

　(1)

　　式中Ci-特定尺寸粒度i的磨粒浓度(mg/L);

　　Pi-特定尺寸粒度i的磨损率(mg/h);

　　K-排除率常数(L/h);

　　V-油的体积(L);

　　t-时间(h)。

　　对于一个循环系统来说，可以假设体积V为常数;绝大部分磨粒的排除是由于油滤所致，因而排除率常数为k=EQ，其中E-油滤滤出效率，Q-流量(L/h)。磨损率Pi是一个常数。

　　若设初始浓度为零，并从初始时间开始将式(1)积分，其结果为

磨粒浓度动态平衡的微分方程二

　(2)

　　该式表明磨粒浓度正比于磨损率，反比于排除率常数，而且以指数形式达到平衡浓度;该式还表明达到动平衡的时间主要与油滤的滤出效率有关，而与磨损率无关。

　　2油样分析

　　在工程实际中，对油样的分析和检验可分为两大类。一是对油料本身的检验，测定油料本身是否合格、是否可以使用，即对油料理化性能检验。这类分析检验手段不属于设备故障诊断讨论的内容，但是保证滑油系统可靠工作的有效措施。二是通过对油样的分析，来判断设备运转是否正常、严重磨损是否发生等。对于这一类，一般是使用铁谱分析技术和光谱分析技术，对油中所含磨粒进行分析与监视，来判断设备的运行状态和磨损情况，属于设备故障诊断的内容。

　　油样分析的基本原理是：设备运行过程中，两个相互接触并相对运动的金属表面必然发生摩擦，摩擦产生的金属碎片和微粒会从金属表面上脱落而进入滑油中，并随滑油的流动而被带走。这样，通过对油中磨损微粒的分析，就可判断设备的磨损部位、磨损程度和磨损状态。

　　油样分析通常从油样成分分析、磨粒浓度分析和磨粒形态分析三个方面进行。滑油中出现的不同化学元素，来源于含有相应元素材料制成的零件。通过对滑油中所含化学元素的分析，就可以确定设备的磨损部位。一般来说油液中的磨粒浓度与零件的磨损量存在线性关系，因而通过测量磨粒浓度，就可判断零件的磨损程度。磨粒的大小与磨损速度有关。根据磨损规律，当零件处于磨合阶段时，磨粒相对较大;正常磨损阶段，磨损颗粒细小而均匀，一般小于3μm;而在达到磨损极限容许值时，可能出现粗大颗粒。磨粒磨损，其磨粒呈不规则截面的粒状;粘着磨损会出现条状磨粒，磨粒表面无光泽;齿轮和轴承的疲劳剥落，其碎屑呈片状，一面光滑而明亮，另一面呈布纹状的粗糙组织。腐蚀磨损由于介质的性质、介质作用在摩擦面上的状态、摩擦材料的性能及腐蚀磨损出现的状态不同，磨损特征各不相同。

　　油样分析可按采样、检测、诊断、预测和处理五个步骤进行。从滑油中取样，必须采集能反映当前发动机中各零部件运行状态的油样，即油样应具有代表性(由于各种磨损残粒并不是溶解在滑油之中的，而是悬浮在滑油之中，运动停止以后很容易发生分离，因此必须十分注意采样时机、位置);检测是指对油样进行分析，测定油样中磨损残渣的数量、粒度分布、化学成分，初步判断设备属正常磨损或异常磨损;诊断就是确定异常磨损状态的零件及磨损类型(如磨粒磨损、疲劳剥落等);预测就是预估异常磨损零件的剩余寿命及今后的磨损趋势;处理就是根据以上结果，确定维修方式和维修时间。

　　3油样检测监控技术

　　光谱分析法、铁谱分析法和磁塞检测法是目前常用的三种油样分析技术。通常，光谱分析法适用于8μm以下磨粒的分析;铁谱分析法适用于100μm以下磨粒分析;磁塞检测适用于50μm以上磨损颗粒。光谱技术能可靠地鉴别磨粒的成分，并对其进行定量分析，但不能获得磨粒形态的信息;铁谱技术能将磨粒按尺寸大小排列，并可获得颗粒形态及成分等方面的信息;磁塞检测法通过对磨粒的大小、数量和形态的观测，可以判断零件的磨损状态。

　　3.1利用油滤、磁塞和金属屑信号器进行监控

　　油滤和磁塞是最早应用于航空发动机滑油系统长期监控的简单而行之有效的方法。其基本原理是通过不同结构的油滤和安装在滑油系统内带磁性的塞头，收集滑油中的残渣(数量与其在滑油中的浓度成正比)，用肉眼、低倍放大镜或显微镜直接观察残渣的大小、数量和形状等特征，从而判断摩擦零件的磨损状态。

　　一般在发动机滑油系统内装有批生产的油滤，其滤网孔目尺寸为70-75μm。由于油滤不能阻挡尺寸小于该滤网孔目的零件机械磨损产物而丢失有价值的诊断信息，故在滑油系统内安装磁塞，这样可以得到50μm以上尺寸的铁磁材料的残渣微粒。

　　对于零件磨损产物进行分析的周期，一般根据实验来确定。例如R.R.公司的斯贝系列发动机上，磁塞和油滤的检查周期为25和400小时。当发现故障时，磁塞的检查周期要缩短为10小时，以便尽可能更可靠地检查故障的发生过程。在使用中要将从磁塞和油滤上清除的沉积物利用10～20倍的双筒显微镜仔细分析，根据其颜色和形状将发动机装配和维修时带入的金属屑同其它金属微粒区分开。

　　在发动机滑油系统还广泛采用金属屑信号器。例如装在某型发动机上的金属屑信号器，是间隙式的，由敏感元件、导电片、绝缘垫、封严圈等组成，安装于滑油箱的前部，用于监测发动机转动部件的磨损情况。当滑油回油系统中的金属磨粒较大时，金属屑检测器直接发出信号给机载记录系统，荧光显示器显示“减小转速”信号，同时语音系统通知飞行员减小转速。

　　在完好的发动机使用过程中，滑油中含有零件容许磨损的铁微粒，可形成粘度不高的膏状物，这对发动机的工作往往不会产生有害影响。这些微粒的尺寸实际上是固定不变的，为0.025μm。本来要使金属屑检测器对较粗大的颗粒报警，但是许多正常小微粒的堆积也会引起金属屑检测器报警，这会造成其误报警。

　　3.2滑油光谱分析法

　　滑油光谱分析法是利用滑油中各种元素的原子发射光谱或吸收光谱的不同，来分析滑油中磨粒的化学成分和含量，判断机件磨损的部位和磨损严重程度，确定相应零件的磨损状态，进而对设备故障进行诊断。光谱分析法比较适合于分析油液中有色金属磨损产物。在光谱分析法的应用中，根据光谱分析仪激发辐射光谱方法的不同，主要有原子发射光谱和原子吸收光谱两种方法。目前较多使用的是原子发射光谱。

　　3.2.1发射光谱分析法

　　物质的原子是由原子核和在一定轨道上绕核旋转的核外电子组成的。当外来能量加到原子核上时，核外电子将吸收能量并发生能级跃迁(从低能级跃迁到高能级的轨道上)。此时，原子的能量状态是不稳定的，电子总会自动地从高能级跃迁回原始能级，同时发射光子把它们所吸收的能量辐射出去，所辐射的能量与光子的频率成正比关系

　　E=hv

　　式中h-布朗克常数;

　　v-光电子频率。

　　由于不同元素原子核外电子轨道所具有的能级不同，因此受激发后放出的光辐射都具有与该元素相对应的特征波长。发射光谱仪就是利用这个原理，采用各种激发源使被分析物质的原子处于激发态(一般是以15000V高压产生的电火花直接激发油液中的金属元素)，使之发射出供进行光谱分析的表征辐射，此辐射经光栅或棱镜分光系统进行分光后，便形成了所含元素各自的特征光谱(即受激发后的辐射线是按频率分开的)，并按波长顺序在聚焦处排列，通过各自的光电探测器在聚焦处对其特征光谱能量进行接收和放大，最后送入数据处理系统进行处理并输出分析结果。也可将感光胶片置于聚焦处使其感光，然后根据感光胶片上的各对应部位的感光强度(黑白程度)判断各元素的含量。总而言之，发射光谱分析法接收的是磨粒元素原子激发态的发射光谱，根据不同波长上的谱线就能知道都有些什么元素，根据谱线的强弱判断出每种元素的含量。

　　被分析的油样在激发室的分析间隙中(石墨棒及石墨圆盘电极之间)激发时，油样发射的光由光导纤维引至入射狭缝，由狭缝出来的光变为狭窄的带状;光线到达光栅后被分为各种不同波长的谱线，在聚焦曲面上的出射狭缝处被分为对应于各元素的谱线;再利用偏转板的定期往返转动来动态扣除光谱背景。每个狭缝后面设置一个光电倍增管，以便将光能变为电能;在每次燃烧中将这一电流按准确的时间间隔积分(求和)，就形成了与光电管接受的光量成正比的电压;通过读出电路将此电压转换为数值，再将所测的结果与计算机中存储的校正曲线数据进行对比，便可算出元素的浓度;最后，将整个分析结果在计算机屏幕上显示或用打印机打出。

　　每个通道由各自的狭缝、光电倍增管及积分电路组成，一般来说每个元素相对应一个通道，并用一个数字表示。当多元素油料分析仪(MOA)运行时，用的是代表通道的数字而不是元素的名字或符号。

　　3.2.2滑油金属含量标准

　　利用MOA可以分析发动机的滑油金属含量的标准。需要注意的是，不同的设备具有不同的标准而且差异较大。例如俄罗斯大修工艺规定的不同分析设备的标准是不同的，不能简单地将别人的标准套用自己使用的设备，必须综合考虑故障的机理、不同设备对同一金属的不同颗粒状态的灵敏度，重新研究制定标准。

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