基于光譜-鐵譜分析的航空發(fā)動機磨損故障診斷應用研究

姜旭峰 宗 營 阮少軍

(空軍勤務學院 航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000)

現(xiàn)代航空發(fā)動機部件長期工作于高溫、高轉速、高載荷的苛刻環(huán)境中，磨損故障的發(fā)生不可避免。當磨損導致的故障產(chǎn)生時，會影響發(fā)動機的正常工作，嚴重時甚至引發(fā)飛行安全事故。油液監(jiān)控技術在機械磨損狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中是一種十分有效的現(xiàn)代維修技術，包括紅外、光譜、鐵譜、磁塞分析等技術手段，主要是通過分析被監(jiān)測設備油液的性能變化和其攜帶磨損顆粒的信息，從而有效提取機械部件的潤滑和磨損狀態(tài)信息，直接反映出發(fā)動機傳動系統(tǒng)的工況狀態(tài)，有利于及時準確地發(fā)現(xiàn)磨損故障，為維修提供可靠性技術參數(shù)數(shù)據(jù)[1]。

其中，發(fā)動機潤滑傳動系統(tǒng)故障產(chǎn)生的金屬磨粒蘊含著豐富的零部件磨損狀態(tài)信息，通過滑油監(jiān)測技術手段獲得磨粒的成分、數(shù)量和磨損類型等極具價值的故障信息，可有效提高發(fā)動機磨損故障預報成功率，保證使用的安全性。

1 航空發(fā)動機油液監(jiān)測技術

1.1 光譜分析技術

油液光譜分析技術是飛機發(fā)動機故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測中應用最早的現(xiàn)代分析技術，其原理就是利用監(jiān)測油樣中所含金屬元素原子發(fā)射不同特征波長的譜線來進行金屬元素的定性和定量分析的。目前，經(jīng)過不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，光譜分析儀能夠迅速準確地分析油樣中所含的多種元素成分和含量，測定精度高，應用范圍廣。

航空發(fā)動機的磨損故障分析中最常采用方法的是原子發(fā)射光譜分析。通過測量譜線波長及其相對強度，進而獲得滑油中的對應元素成分及含量，具有多元素監(jiān)測、分析速率快、界限值低、準確性高的特點。但同時，該手段只能得出元素分析總量，不能完成結構價態(tài)分析，因而不能得到磨損顆粒的狀態(tài)特征等關鍵故障信息參數(shù)，所以通常需要與其他檢測技術聯(lián)用。

光譜油液分析技術在延長發(fā)動機壽命，降低維修費用，確定最佳換油期，保證飛機飛行安全，進行發(fā)動機故障失效分析等方面有著重要的作用。根據(jù)光譜分析得出的元素成分，可以確定發(fā)動機中發(fā)生嚴重磨損的主要摩擦副。

1.2 鐵譜分析技術

油液鐵譜分析技術是利用高梯度強磁場的作用，從航空發(fā)動機的潤滑傳動系統(tǒng)內(nèi)采集的油樣中分離出磨損顆粒，使其按規(guī)律排列在譜片上，借助鐵譜顯微鏡等儀器檢驗分析這些磨粒的形貌、大小、數(shù)量、成分，從而對其進行定性和定量的分析[2]。

鐵譜分析可以判定設備磨損發(fā)生的部位、磨損狀態(tài)和形成機理等，相比于光譜分析，鐵譜分析技術不僅分析磨粒的尺寸范圍更大，而且還可以同時觀察到磨粒的形貌特征。同時，鐵譜分析也存在其局限性。對于油樣中復雜多變、形態(tài)參數(shù)各異的大量磨粒，很難進行精準的定性分析；且磨粒的定量形態(tài)特征缺乏、分析精度偏低以及數(shù)據(jù)再現(xiàn)性低等缺點也始終存在。磨粒圖譜是運用鐵譜分析開展磨粒分析的必要工具，程治升[3]等初步設計出了一種航空發(fā)動機AIMS 鐵譜圖譜管理信息系統(tǒng)，可以觀測到磨損產(chǎn)物的微觀特征，通過將被監(jiān)測發(fā)動機的磨粒圖像與標準譜圖進行比對，來定性分析預測發(fā)動機軸承傳動系統(tǒng)的磨損狀態(tài)。

在航空發(fā)動機的磨損狀態(tài)監(jiān)測中，鐵譜技術與光譜分析技術相結合，已成為了一種非常有效的故障診斷方法。目前較為廣泛使用的鐵譜儀器有分析式鐵譜儀、旋轉式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀和在線鐵譜儀等。隨著計算機圖像處理技術和磨粒分形理論的研究不斷進步，鐵譜磨粒的形貌特征分析不斷深入，磨粒類型特征參數(shù)體系不斷完善，利用鐵譜磨粒特征分析磨損機理、磨損類型及磨損程度的應用研究也向智能化方向不斷發(fā)展。

2 發(fā)動機潤滑油磨損監(jiān)測實驗

2.1 光譜分析

采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀(ICP,上海PerkinElmer公司生產(chǎn))對滑油進行光譜分析。采取有機溶劑稀釋后直接進樣的方法：一是選取1.2 mm口徑的中心管，保證等離子體的穩(wěn)定；二是通入氧氣，防止有機物在中心管內(nèi)形成積碳阻塞管路。其他的一些實驗參數(shù)如下，樣品流量1.0 mL/min，等離子體氬氣流量15 mL/min，輔助氣流量0.8 mL/min，霧化器流量0.55 mL/min，氧氣流量30 mL/min，功率1 500 W，軸向觀測方式，觀測距離15.0 μm，重復測量2次。

2.2 鐵譜分析

采用FTP-X2型分析式鐵譜儀系統(tǒng)(北京優(yōu)文科工貿(mào)有限責任公司生產(chǎn))對潤滑油樣進行鐵譜片制作，以提取特征磨粒圖像。FTP-X2型分析式鐵譜儀系統(tǒng)包括制譜儀、L2020型雙色顯微鏡(含測量讀數(shù)器)和FITS鐵譜圖像采集處理系統(tǒng)。

3 磨損監(jiān)測故障結果分析

3.1 主軸承磨損故障分析

主軸承是飛機發(fā)動機最關鍵的運轉部件，發(fā)動機主軸承異常磨損故障的提前預報對于飛行安全的意義不言而喻，該部位的異常磨損可直接導致發(fā)動機產(chǎn)生災難性的后果。

3.1.1 軸間軸承

某部飛機右發(fā)動機在飛行后進行滑油光譜分析時發(fā)現(xiàn)鐵元素含量超標，對其最近3個飛行日的滑油進行光譜分析，試樣編號分別為ZC-1、ZC-2和ZC-3，分析結果見表1。該發(fā)動機工作時間33小時43分，總工作時間598小時31分。該機在2019年2月20日做完25小時發(fā)動機專項檢查，飛行過程中沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。2月22日對發(fā)動機進行檢查時發(fā)現(xiàn)滑油濾中有少量金屬屑，磁塞端部有少量金屬屑。

表1 發(fā)動機滑油光譜分析結果Tab. 1 Engine oil spectrum analysis results

從滑油光譜分析結果可以發(fā)現(xiàn)，ZC-3的鐵元素的濃度(15.7 ppm)已超過濃度異常值標準(8 ppm)，濃度梯度(3.7 ppm/10 h)也已超過梯度異常值標準(3 ppm/10 h)；鉻元素的濃度(1.4 ppm)已接近濃度異常值標準(1.5 ppm)，其他元素也有不同程度的增加。

接著，利用鐵譜基片觀測，并將所獲得的油樣磨粒圖像(圖1)與FITS鐵譜圖像測試系統(tǒng)所匯集的已知特征磨粒相比較，可知，該圖像為鐵磁性金屬的磨損磨粒，其中黑色的為氧化鐵，白色的為金屬鉻，磨損類型均為疲勞磨損。據(jù)此現(xiàn)象分析，判定發(fā)動機的主軸承部位可能存在異常磨損，已經(jīng)不能保證正常飛行。

分解檢查發(fā)動機六大主軸承，發(fā)現(xiàn)后軸間軸承損壞嚴重，滾棒嚴重剝落，燒結在內(nèi)鋼套已焊接在一起狀態(tài)有2件；外鋼套嚴重變形，滾道有約60 mm長嚴重剝落(圖2)，驗證了鐵譜分析結果的可靠性。軸間軸承損壞形式基本上是滾動體圓柱表面有輕重不同的剝落，軸承保持架兜口磨損漏銅或嚴重磨損，內(nèi)套圈或外套圈滾道局部成片剝落或嚴重磨損，基本無嚴重超溫變色現(xiàn)象。

故障原因初步分析認為：后軸間軸承是該型發(fā)動機設計上的薄弱環(huán)節(jié)。后軸間軸承內(nèi)滾道固定在低壓渦輪軸上，外滾道固定在高壓渦輪前緣內(nèi)，承受的是高、低壓渦輪的相對轉速，轉速雖不很高但承受的載荷復雜多變，且潤滑、冷卻條件較為惡劣。

3.1.2 轉子間軸承

某部飛機2019年3月16日發(fā)動機裝機后試車，滑油取樣(ZZ-1)光譜分析鐵含量為6.3 ppm，超過濃度警告值(6 ppm)，對發(fā)動機監(jiān)測使用。3月18日，飛機第一起落試飛，著陸后取樣(ZZ-2)進行滑油光譜分析，鐵含量達到13.3 ppm，超過濃度異常值標準(8 ppm)，發(fā)動機停用。該發(fā)動機使用時間 346 h 55 min。

圖1 分析鐵譜獲取的油樣磨粒圖像(ZC-3)Fig. 1 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (ZC-3)

圖2 發(fā)動機后軸間軸承外套磨損情況Fig. 2 Wear of engine rear intershaft bearing sleeve

由分析鐵譜獲取的磨粒圖像如圖3所示。將圖3與FITS鐵譜圖像測試系統(tǒng)所匯集的已知特征磨粒相比較可知，其為金屬鐵的滑動磨損顆粒。鑒于鐵元素含量上升極快，初步分析認定為軸承故障，已不能保證飛行安全而返廠檢查。發(fā)動機返廠分解檢查，發(fā)現(xiàn)支點轉子間軸承的內(nèi)、外鋼套和滾棒全部剝落(圖4)。

圖3 分析鐵譜獲取的油樣磨粒圖像(ZZ-2)Fig. 3 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (ZZ-2)

圖4 轉子間軸承保持架與滾子磨損剝落Fig. 4 Wear and tear of inter-rotor bearing cage and roller

分解檢查發(fā)現(xiàn)轉子間軸承滾子與內(nèi)鋼套滾道由滾動摩擦變滑動摩擦，使?jié)L子與保持架均嚴重磨損剝落，內(nèi)鋼套滾道深度磨損熔融，有的保持架也被擠壓變形或損壞并粘結在鋼套或滾棒上，可致使高壓渦輪盤與低壓渦輪軸相磨，導致渦輪軸強度降低直至斷裂。發(fā)動機低壓渦輪軸斷裂失效為危險性故障，對飛行安全影響極大，應高度重視。

故障原因初步分析認為：轉子間軸承是該型發(fā)動機設計上的薄弱環(huán)節(jié)。內(nèi)滾道固定在低壓渦輪軸上，外滾道固定在高壓渦輪前緣內(nèi)，承受高、低壓渦輪的相對轉速，承受離心動載荷復雜；該軸承存在潤滑和冷卻設計不合理，支撐結構強度不夠、軸承可靠性低等缺陷。在工作中因載荷復雜多變且滾棒接觸表面存在線速度差異，容易產(chǎn)生滾棒的滑動摩擦，造成滾道或滾棒接觸面和亞表面形成疲勞微裂紋和剝落。

3.2 附件機匣軸承磨損故障分析

附件機匣中有許多傳動齒輪和小軸承，這些部件的異常磨損對于發(fā)動機的危害僅次于主軸承故障，典型的附件機匣內(nèi)小軸承磨損故障表現(xiàn)為滑油中銅含量急劇增長。某部飛機左發(fā)動機油樣(FJ)在滑油監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)鐵、銅含量超過濃度異常值監(jiān)測標準(4.5 ppm、2.5 ppm)，其中鐵元素濃度達12.4 ppm、銅元素濃度達22.6 ppm，該發(fā)動機本次使用144小時。

圖5 分析鐵譜獲取的油樣磨粒圖像(FJ)Fig. 5 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (FJ)

將圖5與FITS鐵譜圖像測試系統(tǒng)所匯集的已知特征磨粒相比較可知，為金屬鐵和銅的滑動磨損顆粒。檢查該發(fā)動機工作參數(shù)以及磁塞和滑油濾，發(fā)現(xiàn)磁塞和滑油濾上聚積大量鱗片狀金屬屑，故障診斷為附件機匣內(nèi)小軸承異常。

發(fā)動機停用并返廠分解檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機附件機匣內(nèi)軸承存在嚴重的異常磨損(圖6)，銅保持架與滾珠嚴重磨損，所有滾珠表面存在大量剝落坑，軸承襯套內(nèi)壁存在明顯偏磨痕跡。

圖6 軸承內(nèi)鋼套異常磨損Fig. 6 Abnormal wear of bearing inner steel sleeve

3.3 滑油泵磨損故障分析

滑油泵磨損對發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)具有較大危害，它可直接導致潤滑系統(tǒng)供油不暢，影響發(fā)動機潤滑和散熱效果，最終會引起發(fā)動機其它潤滑部件的失效。在滑油光譜監(jiān)控中曾出現(xiàn)銅和鋁元素濃度急劇增長現(xiàn)象，并由故障診斷專家系統(tǒng)得出滑油泵出現(xiàn)異常磨損故障信息，后經(jīng)分解檢查證實其中一個回油泵青銅襯套嚴重磨損。滑油泵主要故障模式是滑油泵襯套磨損。通過滑油光譜監(jiān)測銅含量變化可掌握其磨損狀態(tài)，能及時準確預報。

某部發(fā)動機油樣在滑油監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)銅元素濃度達16.2 ppm，超過濃度異常值標準(6 ppm)。該發(fā)動機使用時間459 h 25 min，本次使用45 h 7 min。

由分析鐵譜獲取的磨粒圖像，同時將圖7(HYB-1)和圖8(HYB-2)與FITS鐵譜圖像測試系統(tǒng)所匯集的已知特征磨粒相比較，可知為金屬銅的磨損顆粒，其中HYB-1為滑動磨粒，HYB-2為疲勞磨粒。

返廠分解檢查發(fā)現(xiàn)滑油附件、前支點回油泵、中部回油泵、后支點回油泵襯套磨損(圖9)，磨損深度約0.01 mm。該軸承保持架兜孔磨損露銅，磨損兜孔數(shù)9個。

圖7 分析鐵譜獲取的油樣磨粒圖像(HYB-1)Fig. 7 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (HYB-1)

圖8 分析鐵譜獲取的油樣磨粒圖像(HYB-2)Fig. 8 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (HYB-2)

圖9 后支點回油泵襯套磨損Fig. 9 Wear of the liner of the recirculation pump of the rear fulcrum

4 結論

(1) 采用光譜-鐵譜聯(lián)用技術能夠有效地發(fā)現(xiàn)滑油中超標元素，通過對前述的油液監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及對比鐵譜圖像測試系統(tǒng)中的特征磨粒可預測磨損類型及故障部位。該診斷結果能夠驗證油液監(jiān)測結果與試驗工況特性變化的一致性，拆解后的軸承表面及滾道異常磨損也和判定結果相吻合。

(2) 在監(jiān)測診斷過程中，多次出現(xiàn)滑油中鐵、銅元素含量嚴重超標現(xiàn)象及異常磨粒，在這些故障中，軸間軸承異常磨損故障最多，多表現(xiàn)為軸承滾珠表面剝落、內(nèi)外鋼套嚴重磨損，這可能與該軸承處于應力集中區(qū)域有關；

(3) 由于后軸間軸承所承受的是相對轉速，滾棒的接觸點存在線速度的差異，因此容易造成滾棒的滑動磨擦，滑動磨擦將造成接觸面和亞表面形成疲勞微裂紋和剝落；附件機匣軸承和滑油泵的故障特征明顯，通過光譜監(jiān)測能夠較為準確做出預報。