航空发动机直读铁谱状态监测技术研究_中国航空发动机哪些技术

　　摘要:直读铁谱仪是一种用来确定润滑油中磨屑浓度和尺寸分布数据的设备,操作迅速、简便,且价格低廉,它可应用于油润滑的机器中作为防止失效的判断(预测)方法。为探索新型油液监测技术,对航空发动机进行准确的磨损状态监测及故障诊断,我们采用ZTP-X2型直读铁谱仪对某型航空发动机在用润滑油进行了跟踪监测,选择Is(磨损烈度指数)作为定量分析的判据判据,利用三线值法对某型航空发动机润滑油样的直读铁谱数据进行处理,并制定出了监测标准。诊断实践证明,直读铁谱监测特征参数Is的选择是合理准确的,基于三线值法建立的润滑油直读铁谱分析诊断标准具有良好的实效性,能够较准确地判断和预测航空发动机油润部件的磨损状态和磨损趋势。
　　关键词:直读铁谱;航空发动机;三线值;状态监测
　　中图分类号:TH117.1 文献标识码:A
　　
　　Research on Direct Reading Ferrography for Aero-engine Condition Monitoring
　　JIANG Xu-feng, ZHANG Yuan, JI Feng, QIU Zhen-hui
　　(Department of Aviation Oil and Material, Xuzhou Air Force College, Xuzhou 221006, China)
　　Abstract:Direct reading ferrograph is a kind of inexpensive equipment which can confirms the intensity and size distribution of wear particles in lubricating oil, with quick and simply operation. It can be apply to the machines as a method of predicting fault. In order to explore the new oil monitoring technique for diagnosing fault of aero-engine accurately, the lubricating oil of some type aero-engine was monitored by means of ZTP-X2 type of direct reading ferrograph. Is (Index of wear intensity) was chosen as the criterion of quantitative analysis, and three-lines value evaluation method was used to process the direct reading ferrograph data from aeroengine lubricating oil, at the same time, the monitoring criterion was made. The diagnosis practice of some type aero-engine proved that the choice of monitoring characteristic parameter is accurate and the diagnostic criterion based on the three-line value is effective on monitoring wear condition and diagnosing fault of aero-engine.
　　Key words:direct reading ferrograph; aero-engine; three-line value; condition monitoring
　　
　　0 前言
　　
　　铁谱技术可分析润滑油中所含铁磁性金属磨损颗粒,其中分析铁谱可进行定性分析,直读铁谱可进行定量分析[1]。通过对磨粒的定性、定量分析,可达到监测机械设备用油部位磨损状态及故障诊断的目的。直读铁谱仪操作迅速、简便,且价格低廉,可应用于油润滑的机器中,例如喷气发动机、柴油机、直升飞机传动系统、液压系统等的轴承等作为防止失效的判断(预测)方法,对于磨损加剧的征兆――磨屑浓度和尺寸分布的变化是很敏感的[2]。文章采用ZTP-X2型直读铁谱仪对某型航空发动机在用润滑油进行了跟踪监测。
　　1 直读铁谱仪分析方法
　　直读铁谱仪能够定量地分析油样中大小磨粒的浓度,是一种定量分析的铁谱仪,具有结构简单、制谱与读谱合二为一、分析过程简便迅速并且价格便宜的优点。
　　1.1 常用定量分析判据
　　直读铁谱仪以D�L和D�S为基本定量分析参数,即每毫升分析油液中存在的磨粒相对含量百分数,单位为%/mL,其中D�L表征大磨粒(>5 μm),Ds表征小磨粒(1～2 μm)。D�L和D�S可以粗线条地表征油样中磨粒的粒度分布特点,但如果要全面、灵敏地反映油样中磨粒量的变化,还需要其他定量分析判据[3]。
　　(1)LPC――磨损烈度
　　定义:LPC=D�L-D�S。它为大、小磨粒读数之差。其含义为,在总磨损量中,严重磨损的大颗粒所占比重的大小。它是不正常磨损的一个重要标志,对大磨粒的变化比较敏感。
　　(2)I�S――磨损烈度指数
　　定义:I�S=D�L×(D�L-D�S)。它同时敏感于油样中的磨粒总量和大磨粒的浓度,综合地反映了磨损速率和磨损量。
　　润 滑 油2009年第24卷
　　第4期姜旭峰等.航空发动机直读铁谱状态监测技术研究
　　ANALYSIS & EVALUATION分析与评定
　　(3)WPC――磨粒浓度
　　定义:WPC=(D�L+D�S)/N,N为分析油样的体积分数稀释度。它常用于需要经常调整油样量或磨粒浓度需要稀释的场合。
　　(4)PLP――大磨粒百分数
　　定义:PLP=[(D�L-D�S)/(D�L+D�S)]×100%。PLP主要反映大磨粒量占总量的份额,对于机器的严重磨损十分敏感。
　　(5)∑(D�L+D�S)和∑(D�L-D�S)――磨粒浓度和磨损烈度累加值
　　这是两个同时使用的判据。在稳定的正常磨损阶段,两指标在对时间的曲线图上都应是斜率不变、平行走向的直线。一旦斜率陡增,而且突然相互靠拢,则表明出现异常磨损。
　　选择哪一指标作为定量分析的判据,要根据应用场合的具体情况而定,并非越复杂越好。对于粒度分布差异较小的航空发动机油样,因为D�L与D�S值十分接近,为了提高判据的灵敏度,就可以选择I�S(磨损烈度指数)判据,I�S同时敏感于油样中的磨粒总量和大磨粒的浓度,综合反映磨损速率和磨损量,比较适用分析磨粒浓度值偏小的航空润滑油。
　　1.2 磨损定量趋势分析
　　设备在运转期内,其磨损过程分为三个阶段:磨合阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段[4]。设备工作状态正常时,铁谱定量分析判据随着时间的变化趋势平缓,通过对大量的样本测试数据求平均值,可以得出设备运转正常的磨损基线值[5],从而定出三条控制线以便从时间上把握设备的工况和磨损状态,三条控制线包括:基准线、警告线和危险线,如图1所示。
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　　(1)基准值V�b
　　V�b=0.8(D+2S),式中D为“正常”样本{Di}(i=1,2,…, n)的数学期望值,即算术平均值。
　　(2)警告值Vw
　　以样本{Di}的统计量标准方差S2作为随机方差σ2的估计量,Vw=D+2S,
　　其中,样本标准差S=∑ni=1(Di-Di)2n-1。
　　(3)危险值Vc
　　Vc=D+3S。
　　图1 三线值法示意
　　V�b――基准值;Vw――警告值;Vc――危险值
　　在建立三个阈值之后,对于一个已测出直读数D�L和D�S,并计算出I�S值的油样,在判断其是否正常时,按以下几种情况分别得出各自的结论:
　　①当监测的特征参数I�SVc时,磨损状态处于危险区域,磨损量的增长速度很高,机械将发生故障失效。
　　实际操作时,如果有了基线,就可以将某一次检测值与三条线相比较,判断出这台设备的状态优劣。
　　
　　2 直读铁谱仪监测控制线的建立
　　
　　2.1 分析参数的测定
　　以从现场取得的一批航空润滑油作为测定对象,利用ZTP-X2型直读铁谱仪测定D�L和D�S值,然后计算出I�S,测定和计算值见表1(部分数据)。
　　表1 航空润滑油直读铁谱试验数据
　　序号使用时间/h
　　直读铁谱监测数据
　　D�LD�SI�S序号使用时间/h
　　直读铁谱监测数据
　　D�LD�SI�S
　　101.201.000.24311165.805.601.16
　　231.701.500.34321204.704.202.35
　　����������
　　10466.105.235.28431504.634.132.33
　　11566.425.446.31441554.303.563.20
　　����������
　　18838.508.103.40491702.402.000.96
　　19858.608.203.44501722.201.902.76
　　
　　2.2 控制线的建立
　　对表1中所得试验数据,运用Origin软件处理可得I�S的标准差S为2.28, 按前述公式计算可得V�b=6.26,Vw=7.83,Vc=10.11,图2所示为I�S时序图及控制线。
　　
　　图2 航空润滑油铁谱监测判据I�S时序图(正常运行)
　　V�b――基准值;Vw――警告值;Vc――危险值
　　综上,得出航空发动机直读铁谱监测数据预测方法,见表2。
　　表2 航空发动机直读铁谱监测数据预测方法
　　发动机状态参数范围
　　正常条件I�S≤6.26
　　异常前兆6.26Vc(10.11),表明航空发动机油润部件磨损状态处于危险区域(见图3),并且磨损量的增长速度很高,机械可能将发生故障。经对润滑系统检查发现,油箱油量正常;润滑油中有金属屑,磁塞有较多金属屑,润滑油滤上有较多金属屑,最大一块2 mm×3 mm薄片,多为屑末状;高低压转子无干涉,低压转子前部有咔咔声。进一步检查发现,上部减速器轴承损坏,金属屑随润滑油流动,大量金属屑将油滤堵住,安全活门打开,没有经过油滤的润滑油直接进入主机和外置机匣,从其他轴承和齿轮均正常看故障发生到停车时间较短。
　　表3 航空润滑油直读铁谱试验数据
　　序号使用时间/h
　　直读铁谱监测数据
　　D�LD�SI�S序号使用时间/h
　　直读铁谱监测数据
　　D�LD�SI�S
　　511751.600.801.28561898.468.152.60
　　521789.228.536.39571914.573.932.92
　　5318012.7512.078.68581925.305.001.58
　　5418315.4114.809.46591935.825.054.50
　　5518818.5317.7314.75601951.510.621.34
　　
　　由于发现及时,从而避免了一起严重的飞行事故。润滑系统经清洗换油后,I�S值恢复为基准值V�b以下,说明航空发动机油润部件处于正常磨损状态,经航空发动机部件检查也说明一切正常,保证了安全飞行。
　　
　　图3 航空润滑油铁谱监测判据I�S时序图(故障实例)
　　V�b――基准值;Vw――警告值;Vc――危险值
　　4 结论
　　对于航空发动机磨损状态航空润滑油监测而言,直读铁谱监测特征参数Is的选择是合理准确的,基于三线值法建立的润滑油直读铁谱分析诊断标准具有良好的实效性, 能够较准确地判断和预测航空发动机油润部件的磨损状态和磨损趋势。
　　
　　参考文献:
　　[1] 许斌,余学军.油液分析技术在设备维修中的应用与研究[J].润滑油,2006,21(2):61-64.
　　[2] 萧汉梁.铁谱技术及其在机械监测诊断中的应用[M].北京:北京人民交通出版社,1993:23 - 45.
　　[3] 杨其明.磨粒分析:磨粒图谱与铁谱技术[M].北京:中国铁道出版社,2002:145.
　　[4] 丁•霍林.摩擦学原理[M].北京:机械工业出版社,1981:122-124.
　　[5] 曹一波,谢小鹏.一种新的建立磨损状态判别标准的方法[J].工程设计学报,2006(6):451-453.
　　
　　收稿日期:2008-12-18。
　　作者简介:姜旭峰(1970-),男,博士,副教授,2006年毕业于空军工程大学空军工程学院,航空宇航推进理论与工程专业,现从事油料应用及机械设备状态监测工作,已公开发表文章40余篇。
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