中国民行飞行学院毕业论文 航空发动机状态监控与故障诊断技术
门，使它们在压差升高时能打开，这时通过机械式或电子式旁路指示器在外部指示这种状态。如果发动机是在油滤打开旁路的情况下工作，接触滑油的零组件可能被循环的屑末所损伤。
以上这四个机上滑油系统工作监视参数都是必须的，而在地面可用这四个监视参数做趋势分析，进行长期监视。
3.2 滑油屑末分析
滑油除起润滑和冷却作用外，它还作为屑末的运输媒介。发动机滑油屑末监视的最主要任务就是及时发现由于滚动和滑动表面产生的磨损屑末，判断摩擦件的健康状态并避免造成严重的发动机二次损伤。
屑末分析应定期进行，也可根据油滤堵塞指示、振动值以及光谱分析定期分析结果，随时进行屑末分析。
由磁性堵头和粗、细油滤分别收集屑末，既使滑油过滤，使碎片不进入循环油路中而不致损坏油泵，又便于探测和隔离故障。通常屑末收集器用以探测因零件疲劳损坏或冲击掉块而产生的金属碎片或非金属屑末。利用屑末收集和分析，能为尽早发现故障提供可靠信息，是一种简便、有效的监视和诊断手段。
3.2.1 屑末的收集
①磁性屑末收集器：可使用磁堵，装在主油路或分开的回油路中，也可装在附件或传动齿轮箱中，它的最佳安装位置要满足可达性要求，在怀疑有早期故障时，即可方便地进行检查。发动机磁性屑末收集器的检查周期应与其已知的故障模式相对应，可定为25-50小时。
磁性屑末收集器成本相对较低，为了隔离故障，发动机上可在不同部件安装数个磁堵。
②电屑末探测器：在发动机上也可考虑选用电屑末探测器，它具有连续电子显示能力。其工作原理是包括两个电极和一个用于吸附磁性屑末的磁头，当屑末积累得足够多时，两个电极连通。电屑末探测器的一个严重缺点是它不能做趋势分析，并且需要进行大量研究与细微的调整以避免误告警现
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象。
3.2.2 屑末分析
首先对屑末进行分类。用磁铁将屑末分成非磁性的及磁性的物质，两者又可各分为金属的及非金属的，然后利用这四种屑末的属性判断产生屑末的来源。在发动机维修手册中给出典型屑末颗粒图例，维修人员用收集到的屑末从外观上和含量上与图例进行比较，确定故障情况，做出维修决策。磁性屑末监视方法其最有效的颗粒分析范围是50一100μm。
3.3 滑油光谱分析
3.3.1 滑油光谱分析原理
滑油光谱分析主要对相互摩擦零件逐渐磨损产生的悬浮在滑油中的微小粉末通过光谱分析确定各种元素在滑油中含量的变化来判断零件的健康状况。 光谱分析的基本原理是利用不同金属元素的外部电子转变的能量变化不同，使所吸收或发射的光波波长亦不同。通过光谱分析仪探测和测量不同的波长以测定各种元素的含量。
光谱分析的具体方法有原子发射光谱法、等离子发射光谱法和原子吸收光谱法等。图3-1示出原子发射光谱法的工作原理图。高压(15000伏)直流电弧激发滑油中各种金属微粒汽化发光，通过窄缝后的光波经光栅或棱镜按波长分开，然后通过光电探测器转变为电能，经信号放大处理，由打印机打印分析结果。根据光谱的波长确定金属的种类；根据光谱的强度确定金属的含量。
光谱分析可探测到的颗粒上限大约为10μm。
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图3－1 滑油光谱分析工作原理图
3.3.2 取样及分析
为了成功地将滑油光谱分析应用于发动机滑油监视系统，一个重要的要求是保持仔细的和始终如一的滑油取样方式。油样应在发动机停车后的一个确定的时间和基本相同的位置抽取，取出的滑油样品必须能代表循环着的滑油，以使分析结果有效。
取样的间隔时间根据经济化、工作状态及所监视发动机的故障历史情况确定。正常情况下，取样时间可长一些，如200小时。有时，为了密切跟踪发展趋势，可短到每次飞行取样一次。
现代的光谱分析可提供至少20种不同元素的分析能力，但大多数的光谱分析程序限定分析6-9种常见元素。其中，Fe、Ti是监视的主要元素；Cu、Al、Ni、Zn、Cr、Ag是次重要元素。
建议采取两种监视方法，一种是磨损金属含量的限制值；另一是金属含量的趋势分析。发现金属含量明显变化时，应缩短取样周期，观察金属含量变化趋势，通过趋势监视起到预报故障的作用。
为便于分析SOAP的结果，应该了解发动机的结构，特别是与滑油接触的各零、组件的结构，了解这些零、组件包含的主要零件材料所含的金属元素和非金属元素。这样就可利用已知的零件、材料、元素等资料，综合考查、研究，从而大致诊断出某些元素的出现或含量增多可能是哪类零件发生故障所致。
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3.4 滑油铁谱分析
3.4.1 工作原理
滑油铁谱分析由专门的铁谱仪进行，其基本原理是将滑油样品中的磨损粒子磁性沉积到特制的玻璃基片上。油样在一定时间内加热到一定温度(如70°C)，然后用力摇动，将一定容积(如3毫升)的油样和一定容积(如l毫升)溶剂(如四氯乙烯)配成混合液，把这种混合液缓慢地注到玻璃基片上，如图ll-18所示。接着进行溶剂洗涤和固着，以除去残存的润滑油并将粒子牢固地附着在基片上。所得到的滑板以及上面所附着的粒子统称为铁谱。通过计量沿基片入口各个(如7个)位置处沉淀物的光密度(复盖面积的百分比)可确定铁谱上磨粒的总量；以各个(如7个)读数的平均值来确定每块基片的综合铁谱密度。
3.4.2 取样及分析
按照规定标准收集油样，为保证油样质量，所有的取样工具和器皿必须保持清洁。铁谱分析一般针对几μm到上百μm的大磨粒，这些磨粒生成后即很快沉淀，而过滤器优先滤掉的也是大磨粒。此外，滑油流速、管壁等对大磨粒的影响也较大。因此，确定合适的取样位置与时间等十分重要。在制谱前，有的要求对油样进行浓度稀释，如用未使用过的新油所采集的油样按一定比例稀释；一般均要求对油样进行粘度稀释，如规定用3毫升油样加入l毫升溶剂(四氯乙烯)稀释。
铁谱分析使用的二种基本分析技术是密度读数和观察分析。这二种分析技术均使用显微镜技术评定铁谱片，磁铁质微粒分布在铁谱片上，微粒尺寸和磁场强度决定了沉淀在谱片上的每个微粒的位置。
微粒的密度读数是基于被微粒沉淀物遮盖的光占的百分比。单位面积谱片上的微粒越多，光遮盖的百分比数值越高，密度读数也越高。密度读数和位置间的关系给出了一个代表滑油系统中磨损发生程度的数据。通常，产生大微粒的系统比产生小微粒的系统的磨损状态要严重。观察分析通常用双色显微镜进行。可确定微粒的形状、大小、颜色以及定性地确定其分布。可提供有关微粒的起源以及
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磨粒磨损形式的信息。观察分析很大程度取决于技术人员的培训水平和经验。除双色显微镜外，也有的用能量扩散式x射线分析技术，通过扫描电子显微镜测定不同类型磨损微粒或碎片的元素成分。
为了研究铁谱分析结果与零件疲劳损伤、破坏的关系，一般提出用综合铁谱密度(铁谱基片各个位置密度读数的平均值)、磨损严重指数(铁谱基片上两个特定位置的密度读数的平方差)以及微球形粒子(微粒或碎片有正常摩擦磨损粒子、球形粒子、非铁性粒子、严重磨损粒子等不同类型)的数量等三个参数来描述和评定。
3.5 三种技术的比较
研究认为，磨损件其运行期内一般均经过磨合、正常磨损和最终失效三个基本磨损阶段。该过程磨损率(或磨粒尺寸分布)与运行时间的关系曲线为熟知的所谓“浴缸”状曲线，如图3-2所示。在磨合阶段，滑油中出现许多大磨粒，这些可能是制造过程中残留下来的，或是啮合表面接触的产物。由于过滤和磨粒破损的联合作用，使得磨粒的平均尺寸减少，这一直延续到正常磨损阶段开始为止；在正常磨损阶段磨粒尺寸相对较稳定，磨粒尺寸约在0至l0μm范围；在严重磨损阶段乃至最终失效时，通常有较大磨粒(25μm或上百μm)出现。显然，有效地检测几μm到上百μm的磨损微粒或碎片的数量变化是特别有意义的。图3-3给出了光谱分析、铁谱分析和屑末分析等三种方法有效的微粒尺寸检测范围。
图3-2 磨损率一时间关系曲线 图3-3 三种方法检测效率和范围比较
经验表明，滑油光谱分析技术已有较长的应用历史并且在发动机状态监视中得到广泛、有效的应用。但是，它具有不能有效地检测大于10μm金属微粒和不能观察和分析单个微粒的缺陷，因而损失了一些重要信息；屑末分析方法相当简便，但其定量性能和故障早期预报性能却不能令人满意。铁谱分析技术具有较宽的微粒尺寸检测范围和较高的检测效率，能同时进行磨损微粒的定性分析与定量监测，
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