郎 宏，佟文偉，田淑元，修攀瑞，李 勤，孫佳斯

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽110015）

在發(fā)動機的各種故障中，因磨損造成的故障和失效案例占有相當?shù)谋壤?］。發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，傳動潤滑系統(tǒng)中的摩擦副相互作用，會產(chǎn)生許多細小的磨損顆粒，這些顆粒攜帶了大量磨損狀態(tài)的信息，有效地對其進行監(jiān)測，可以獲得發(fā)動機的潤滑情況和磨損狀態(tài)，以評價發(fā)動機傳動潤滑系統(tǒng)的運行狀況和預(yù)測故障［2］。因此，對潤滑油及其攜帶磨損顆粒進行監(jiān)測分析，可以預(yù)報潛在的危險，避免災(zāi)難性損壞或者減少處于正常運轉(zhuǎn)設(shè)備的不合理維修，而增加產(chǎn)值和效益［3］。

潤滑油中磨損顆粒的狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷技術(shù)［4］主要有光譜分析、鐵譜分析、自動磨粒分析、磁塞分析、油濾分析、顆粒計數(shù)、掃描電子顯微鏡-能譜分析等多種分析技術(shù)， 本文主要闡述光譜分析、鐵譜分析、自動磨粒分析、掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)在發(fā)動機潤滑系統(tǒng)磨損狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用。

1 分析技術(shù)

1.1 光譜分析技術(shù)

光譜分析技術(shù)通常分為原子發(fā)射光譜技術(shù)和原子吸收光譜技術(shù)［2，5］。發(fā)動機潤滑油的光譜分析以轉(zhuǎn)盤電極式原子發(fā)射光譜為主要手段，通過光譜儀可以迅速、準確地得到潤滑油中元素的種類和含量，與經(jīng)驗值或磨損極限值相對照［5］，判斷磨損零件的狀況、添加劑和水分的變化，分析油液的污染和變質(zhì)劣化程度［6］，達到診斷發(fā)動機傳動潤滑系統(tǒng)磨損狀態(tài)的目的。

光譜分析的特點是速度快、分析數(shù)據(jù)準確、適合于大量樣品的趨勢分析［7,8］。但是該技術(shù)也有局限性：（1）由于盤式電極旋轉(zhuǎn)時，很難將尺寸大的顆粒帶至電極間，并且電弧能量不足以使大顆粒全部離子化，一般只能準確監(jiān)測油液中小于10 μm的顆粒；（2）只能反映所有摩擦副磨損顆粒積累的含量，而不能反映顆粒的尺寸、形貌等信息。

1.2 自動磨粒分析技術(shù)

自動磨粒分析技術(shù)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識別技術(shù)，兼具顆粒形貌識別和計數(shù)的功能。油液由蠕動泵帶動經(jīng)油管進入樣品池，激光器產(chǎn)生脈沖激光照射樣品池，然后采用高速相機對其進行拍照。圖片經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識別技術(shù)分析后，不僅可以給出油液中磨損顆粒的尺寸分布、產(chǎn)生速度和形狀特征，還可以鑒別發(fā)動機傳動潤滑系統(tǒng)的失效類型、失效發(fā)生速度和嚴重程度，實現(xiàn)了磨損顆粒形貌的自動分析［9］。

自動磨粒分析的特點是樣品無須處理、分析速度快、便于操作，非常適合做異常磨損樣品的篩查。但是該技術(shù)也有局限性：（1）僅能對 4～100 μm左右的顆粒進行計數(shù)；（2）僅能對大于 20 μm的顆粒給出磨損類型的判斷；（3）圖像是顆粒的投影，看不到顆粒表面的顏色和形貌的詳細狀況；（4）不能測定元素的種類和含量。

1.3 鐵譜分析技術(shù)

鐵譜分析技術(shù)［10,11］是20世紀70年代發(fā)明的一種機械磨損測試方法，通過高梯度強磁場作用，將潤滑油中的鐵磁性材料磨損顆粒分離出來，并按一定規(guī)律沉積在譜片上，通過多種檢測儀器觀察和測量磨損顆粒的形貌、大小、數(shù)量等，獲得磨損過程中的各類信息，從而判定摩擦副的磨損程度和磨損類型，確定磨損機理，進行磨損故障監(jiān)測和預(yù)先診斷。

鐵譜分析的特點是適用于1～250 μm范圍內(nèi)的磨損顆粒，定性、定量分析潤滑油中磨損顆粒的形貌、尺寸、及其分布，可靠性較高、成本較低。但是該技術(shù)也有局限性：（1）試驗過程繁瑣、制片麻煩、速度慢；（2）在磨損顆粒形貌識別、磨損類型及磨損程度、故障判斷方面，對分析人員的知識和經(jīng)驗要求很高；（3）不能測定磨損顆粒的具體成分。

1.4 掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)

掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)是將掃描電子顯微鏡和 X-射線能譜儀結(jié)合的一種分析手段，可以實現(xiàn)兩個方面的功能，一方面是觀察磨損顆粒形貌的細節(jié)，更好判斷磨損顆粒的磨損類型；另一方面是可以定性、半定量分析磨損顆粒的成分，確定其材質(zhì)。

掃描電子顯微鏡-能譜分析的特點是能夠觀察磨損顆粒的微觀形貌，并對磨損顆粒進行成分分析，判斷其材料牌號，確定故障零部件。但是該技術(shù)也有局限性：（1）制樣繁瑣，分析費時；（2）顯示不出磨損顆粒的光學(xué)特性；（3）樣品不能直接進行分析；（4）由于顆粒細小，進行分析時易污染設(shè)備。

2 應(yīng)用案例

在某型發(fā)動機試車中，采用光譜分析、鐵譜分析、自動磨粒分析、掃描電子顯微鏡-能譜分析技術(shù)對傳動潤滑系統(tǒng)的磨損狀況進行綜合監(jiān)測，為該發(fā)動機安全、可靠運行提供保障。

2.1 光譜分析

在某型發(fā)動機試車過程中，開展了潤滑油中磨損顆粒分析工作，首先采用光譜分析監(jiān)測每個階段的潤滑油，對其中所含元素的情況進行分析，以隨時監(jiān)測發(fā)動機的磨損狀況。某個階段主要元素的光譜分析結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，光譜分析結(jié)果在經(jīng)驗值（Fe≤8.5 ppm，Cu≤6 ppm，Ag≤4 ppm）內(nèi)波動，發(fā)動機運行正常。第二階段的光譜分析結(jié)果見圖2。

圖1 某階段滑油光譜分析結(jié)果Fig.1 The spectrum analysis results of some phase

圖2 第二階段滑油光譜分析結(jié)果Fig.2 The spectrum analysis results of 2nd phase

由圖2可以看出，2-30號油液光譜結(jié)果顯示該發(fā)動機的鐵、銀元素含量都超過了經(jīng)驗值， 從2-29到 2-30樣品的光譜值劇增，傳動潤滑系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常磨損。

2.2 自動磨粒分析

由于 2-30號樣品的光譜值超出經(jīng)驗值，需進行自動磨粒分析，從磨損顆粒的數(shù)量和磨損類型給出分析意見。將 2-28、2-29、2-30樣品進行自動磨粒對比分析，結(jié)果見表1、圖3。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出：同一個樣品中按照磨損類型，將磨損顆粒的數(shù)量從多到少排列，依次為疲勞磨損、滑動磨損、切削磨損；不同樣品、同一磨粒類型、同一尺寸范圍磨損顆粒數(shù)量相比， 2-30號樣品的增長均較為迅速，屬異常增長，表明傳動潤滑系統(tǒng)發(fā)生了異常磨損。

圖3 2-3樣品自動磨粒分析磨粒的形貌Fig.3 The LNF morphology of sample 2-3

2.3 鐵譜分析

為了準確判斷異常磨損類型和機理，采用鐵譜分析作進一步診斷。將第二階段的樣品制成鐵譜譜片，在顯微鏡下觀察，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，2-28、2-29樣品中各類型磨損顆粒很少，2-30號樣品中各類型磨損顆粒突然增多、尺寸變大。同時在2-30號樣品（見圖4）中發(fā)現(xiàn)了較多5μm以下的球形顆粒。球形顆粒主要由滾動軸承疲勞磨損、氣蝕、焊接、磨削等因素產(chǎn)生，可以通過產(chǎn)生機理、尺寸大小、數(shù)量等對球形顆粒的來源進行判斷。其中由氣蝕、焊接和磨削等原因產(chǎn)生的球形顆粒尺寸都大于10 μm，而滾動軸承疲勞磨損產(chǎn)生的球形顆粒一般為1～5 μm，它的出現(xiàn)是極為明顯的故障臨近的報警信號。2-30樣品中1～5 μm球形顆粒數(shù)量迅速增加，同時伴有其他磨損粒數(shù)量的增多，說明發(fā)動機傳動潤滑系統(tǒng)發(fā)生了異常磨損。

圖4 各類磨損顆粒形貌Fig.4 The ferrography morphology of variable wear particles

表1 自動磨粒分析結(jié)果Table 1 The LNF analysis results 個/mL

表2 鐵譜分析結(jié)果Table 2 The ferrography analysis results 個/mL

2.4 掃描電子顯微鏡-能譜分析

為了準確確定發(fā)生磨損故障的部位，在掃描電鏡中對磨損顆粒進行了微觀觀察，典型異常磨損顆粒形貌見圖5。對圖5中典型的磨損顆粒進行能譜分析，結(jié)果表明：大部分球形顆粒、疲勞磨損顆粒和切削磨損顆粒成分與軸承滾珠材料基本一致，少量疲勞磨損顆粒成分與保持架涂層材料一致，大部分嚴重滑動磨損顆粒與軸承內(nèi)外環(huán)材料一致。說明發(fā)動機軸承發(fā)生了異常磨損。

圖5 各類磨損顆粒掃描電子顯微鏡-能譜分析結(jié)果Fig.5 The SEM results of variable wear particles

4 結(jié)束語

（1）通過上述綜合分析結(jié)果判斷：發(fā)動機軸承存在異常的磨損，應(yīng)立即停止試驗。發(fā)動機分解后進行檢查，發(fā)現(xiàn)軸承的滾珠表面失去金屬光澤，有明顯的麻坑；內(nèi)外環(huán)跑道存在過熱灼燒的痕跡和磨損；保持架表面有輕微磨損。驗證了磨損顆粒綜合分析結(jié)果的準確性。

（2）光譜分析、自動磨粒分析、鐵譜分析、電子顯微鏡-能譜分析等四種技術(shù)各具特點、互為補充。綜合利用上述分析技術(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)磨損故障隱患，準確判斷異常磨損部位，有效、快捷的進行磨損故障的預(yù)先診斷，提高發(fā)動機運行的可靠性和安全性。

［1］Fitch,E.C.Fluid Contamination Control[R]. FES Inc., 1988.

［2］呂伯平，陳明華. 航空油液監(jiān)測技術(shù)[M]. 北京:航空工業(yè)出版社，2006.

［3］嚴新平，謝友柏，蕭漢梁. 油液監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].中國機械工程，1997，8（1）：102-105.

［4］卿華，王新軍. 飛機油液監(jiān)控技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社，2011.

［5］王立東,石成江.光譜與鐵譜的原理及其在設(shè)備診斷中的應(yīng)用[J].哈爾濱軸承,2008,29(3): 52-55.

［6］楊宏偉，謝鳳，鐘新輝，吳超，楊士亮.基于潤滑油狀態(tài)監(jiān)控的發(fā)動機故障診斷[J].合成潤滑材料，2009，36（4）40-42.

［7］董宏軍，趙海波，李峰秋.我國油液分析技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2004，32（6）：10-11.

［8］費逸偉，張冬梅，姜旭峰.油液監(jiān)測技術(shù)及其在航空發(fā)動機故障診斷中的應(yīng)[J].航空發(fā)動機，2004,30(3): 45-48.

［9］徐金龍，易如娟.基于自動磨粒分析技術(shù)的直升機在用發(fā)動機油界限值的研究[J].潤滑與密封，2012，37（2）: 110-116.

［10］許斌，余學(xué)軍.油液分析技術(shù)在設(shè)備維修中的應(yīng)用與研究[J].潤滑油，2006，21（2）：61-64.

［11］王景霖，李艷軍，陸亦彬，毛國強.航空發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)研究[J].飛機設(shè)計，2009，29（3）：56-70.