飛機(jī)發(fā)動機(jī)油液故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1

楊士亮，郝敬團(tuán)，楊宏偉，李召良

（1. 空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州221006； 2. 中國人民解放軍空軍油料研究所，北京 100076）

飛機(jī)發(fā)動機(jī)油液故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1

楊士亮1，郝敬團(tuán)1，楊宏偉1，李召良2

（1. 空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州221006； 2. 中國人民解放軍空軍油料研究所，北京 100076）

油液分析技術(shù)是飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障診斷中一種非常重要的手段。綜述了常規(guī)理化分析、光譜分析、鐵譜分析、顆粒計(jì)數(shù)器和磁塞監(jiān)測等幾種常用的油液分析技術(shù)，并進(jìn)行了對比分析。最后指出，綜合應(yīng)用多種油液分析技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)的全面、準(zhǔn)確、快速的故障診斷。

油液分析；飛機(jī)發(fā)動機(jī)；故障診斷；對比分析

飛機(jī)發(fā)動機(jī)是一種典型的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備，長期處于高速、高溫、過載荷、大機(jī)動、起落頻繁等苛刻條件下，摩擦磨損嚴(yán)重，致使故障率較高，發(fā)動機(jī)的壽命縮短，這些都已成為制約飛機(jī)性能和可靠性的主要因素，因而發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷顯得非常重要[1-3]。發(fā)動機(jī)的運(yùn)動部件幾乎都是通過潤滑油來減少摩擦，磨損產(chǎn)生的磨粒除了少部分沉積外，大部分懸浮于循環(huán)的潤滑油之中，因此應(yīng)用于發(fā)動機(jī)故障診斷中的油液分析技術(shù)，具有其他方法不可替代的優(yōu)勢[4]。

飛機(jī)發(fā)動機(jī)油液故障診斷技術(shù)通常包括常規(guī)理化性能分析、光譜分析、鐵譜分析、磁塞監(jiān)測和顆粒計(jì)數(shù)器等方法[5]。

1 常用的油液故障診斷技術(shù)

1.1 常規(guī)理化性能分析

常規(guī)理化性能分析是指采用油料化驗(yàn)相關(guān)的物理化學(xué)方法，按照國家、地方、行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對潤滑油的各項(xiàng)產(chǎn)品理化指標(biāo)進(jìn)行檢測。常規(guī)理化性能分析方法具有設(shè)備成熟、操作便利、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，是油液分析技術(shù)中一種最為普及和認(rèn)可的方法。

表1 928航空潤滑油技術(shù)要求 GJB 5097-2004Table 1 Specification of 928 aero oil (GJB 5097-2004)

飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障診斷中，一般選取滑油的運(yùn)動粘度、閃點(diǎn)（多為開口） 、酸值、水溶性酸或堿、水分、機(jī)械雜質(zhì)、氧化、硝化、顏色及添加劑含量等指標(biāo)作為分析的項(xiàng)目。各類潤滑油在這些分析項(xiàng)目上都有各自的正常值控制標(biāo)準(zhǔn)，例如表1列出的928航空潤滑油的基本技術(shù)指標(biāo)[6]。

1.2 光譜分析

光譜分析技術(shù)可用于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)化學(xué)組成的研究。近年來光譜分析技術(shù)大量應(yīng)用于潤滑油中各種微量元素濃度的測定研究之中。通常以10-6(ppm)為單位，表示這個(gè)相對濃度的測量結(jié)果。高經(jīng)緯等人[7]針對軍用裝備油液分析的特點(diǎn)，提出了一種基于混合深淺知識的光譜油液分析專家系統(tǒng)知識庫的建立和實(shí)現(xiàn)方法，在工程實(shí)際使用中具有一定的價(jià)值。任國全等人[8]詳細(xì)研究了基于油液光譜分析診斷系統(tǒng) SADS（Spectrometric Analysis Diagnosis System）的自行火炮發(fā)動機(jī)磨損故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)例證明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的診斷能力。

通過研究潤滑油中磨損磨粒的化學(xué)組成及含量，從而監(jiān)控診斷飛機(jī)發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的磨損故障，一般適用于尺寸范圍在5μm以下的磨粒。由于光譜分析技術(shù)分析速度快、分析精度高、樣品用量少，因而在飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)光譜元素分析，可以確定合理的換油期，查明發(fā)動機(jī)磨損的部位和磨損程度。

1.3 鐵譜分析

鐵譜分析技術(shù)是一種借助高梯度的強(qiáng)磁場作用，將機(jī)械磨損磨粒按尺寸大小依次沉積到透明載體上，然后進(jìn)行光學(xué)測量、觀測和解析的監(jiān)測技術(shù)。鐵譜分析技術(shù)覆蓋了大多數(shù)磨粒的尺寸范圍，可以觀測磨粒的表面形貌，測量磨粒沉積區(qū)的光密度，因而在不拆卸、不停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下就可了解設(shè)備磨損狀態(tài)、分析磨損發(fā)展趨勢、預(yù)報(bào)磨損故障。

通常使用的鐵譜分析儀有兩種類型，一種是分析鐵譜儀，另一種是直讀鐵譜儀。分析式鐵譜儀是鐵譜儀的基本類型，也是最先發(fā)明的，由制譜儀、譜片光密度計(jì)及鐵譜顯微鏡三個(gè)部分組成。其中制譜儀由磁鐵、蠕動泵、輸液導(dǎo)管、回油管和玻璃基片等組成。直讀式鐵譜儀特點(diǎn)是分析快速，主要用于對大量油樣的篩選工作。直讀式鐵譜儀一般由永久磁鐵、虹吸泵、光電傳感器、玻璃沉淀管和信號裝置組成。尹新[9]介紹了鐵譜分析技術(shù)的原理和特點(diǎn)，指出利用鐵譜技術(shù)監(jiān)控運(yùn)轉(zhuǎn)化工機(jī)械設(shè)備的研究及計(jì)算機(jī)輔助鐵譜診斷設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)具有廣闊的前景。呂克洪[10]把鐵譜分析技術(shù)和圖像識別技術(shù)相結(jié)合，利用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和零部件失效情況的進(jìn)行監(jiān)測、診斷與推理。

1.4 磁塞監(jiān)控

磁塞監(jiān)控法就是將懸浮于油液中的磨粒用磁塞吸出，然后進(jìn)行磨粒顏色、形狀、尺寸和數(shù)量上的研究，以此判斷磨粒產(chǎn)生的部位、磨損程度和磨損原因等的一項(xiàng)油液監(jiān)控技術(shù)。磁塞監(jiān)控法具有操作簡便、經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是分析精度較差，主要粗略分析粒度范圍在10～1000μm之間的大磨粒。同時(shí)磁塞無法吸出非磁性磨粒，對磨粒粒度的區(qū)度比較小，并且長時(shí)間人工觀測，眼睛疲勞導(dǎo)致的誤差也不容忽視。

1.5 顆粒計(jì)數(shù)器

重質(zhì)油品，如飛機(jī)發(fā)動機(jī)潤滑油等，可以利用顆粒計(jì)數(shù)器法測定其機(jī)械雜質(zhì)的大小和含量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，相繼研制成功各種形式的自動顆粒計(jì)數(shù)器，如標(biāo)準(zhǔn)GJB 380.4中的自動顆粒計(jì)數(shù)器就是利用遮光原理，測度報(bào)告試樣中固體污染顆粒的尺寸和數(shù)量，從而確定飛機(jī)液壓系統(tǒng)、附件及有關(guān)地面液壓設(shè)備工作液的固體顆粒污染度。

飛機(jī)發(fā)動機(jī)油液固體污染程度一般采用分級標(biāo)準(zhǔn)來判斷試樣中顆粒數(shù)量的多少和大小，其判斷分級按照ISO 4406，NAS 1638和ISQ 11218等標(biāo)準(zhǔn)。其中兩個(gè)最常用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)ISO 4406標(biāo)準(zhǔn)（國際標(biāo)準(zhǔn)委員會）和NAS 1638標(biāo)準(zhǔn)（美國航空航天研究協(xié)會。國內(nèi)對顆粒計(jì)數(shù)器的研究也非常多，楊明[11]重點(diǎn)對國內(nèi)市場上幾種主流便攜式自動顆粒計(jì)數(shù)器的性能進(jìn)行了比較分析，對油品污染度測試時(shí)儀器的選用具有借鑒作用。楊淑連[12]提出了一種確定激光顆粒計(jì)數(shù)器光敏區(qū)強(qiáng)度分布的普遍方法，這對確定激光顆粒計(jì)數(shù)器的光學(xué)采樣速率非常重要。

2 常用油液故障診斷技術(shù)分析比較

以上介紹的幾種可用于發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的潤滑油分析技術(shù)各具特點(diǎn)。但任何一種單一的方法都不可能全面地給出分析研究所需的信息和數(shù)據(jù)。在對發(fā)動機(jī)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，各種分析手段所測出數(shù)據(jù)是各從一個(gè)方面來監(jiān)測潤滑油中磨粒的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，所用的各種油液分析技術(shù)的比較情況如表2和表3所示。

Developing Status and Trend of the Oil Analysis Technique for Fault Diagnosis of Aircraft Engines

YANG Shi-liang1，HAO Jing-tuan1，YANG Hong-wei1，LI Zhao-liang2
（1. Air Force Logistics College，Jiangsu Xuzhou 221006，China；2. Aviation Oil Research Institute of Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100076, China）

Oil analysis technique plays a very important role in the aircraft engine fault diagnosis. In this paper, several common oil analysis technologies were introduced, such as conventional physical and chemical analysis, spectrometric analysis, ferrographic analysis, particle counter and magnetic plug detection, and advantages and disadvantages of these technologies were analyzed and compared. Finally, it’s pointed out that comprehensive technology of various oil analyses methods should be used to achieve overall, accurate and fast fault diagnosis on aircraft engines.

Oil analysis; Aircraft engine; Fault diagnosis; Comparative analysis

表2 幾種主要故障診斷技術(shù)的比較Table 2 Comparison of several major fault diagnosis techniques

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2421-03

2014-05-13

楊士亮（1968 -），男，四川榮縣人，碩研，空軍勤務(wù)學(xué)院副教授，主要從事應(yīng)用物理和材料科學(xué)的教學(xué)與研究。