基于光谱分析技术的磨损故障监测影响因素分析

郎宏，佟文伟，何山，刘宇佳

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

基于光谱分析技术的磨损故障监测影响因素分析

郎宏，佟文伟，何山，刘宇佳

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

采用转盘电极式原子发射光谱分析技术，监测某型燃气轮机传动润滑系统磨损状况的发展变化趋势，及时诊断早期磨损故障。为确保光谱分析技术监测的准确性，着重研究了环境温度波动、标准曲线细化、样品黏度以及磨损颗粒尺寸等主要因素对测量结果的影响，并简要阐述了光谱分析技术的基本原理。经大量研究试验表明：光谱分析技术能够提前预报燃气轮机传动润滑系统可能发生的磨损故障，是油液状态监控的1种有效手段。

磨损故障；光谱分析技术；影响因素；燃气轮机

0 引言

燃气轮机使用的滑油犹如“血液”一样重要，起着润滑、冷却、防锈、清洁和密封等多重作用。燃气轮机传动润滑系统中，由于零件摩擦副的相互作用，会产生许多细小的磨损颗粒，这些磨损颗粒通常悬浮于油液中，可能堵塞油滤、油喷孔，使油压下降甚至导致轴承烧结、活门卡滞、密封性能下降等各种故障[1-2]。统计资料表明，在机械设备维修系统工作过程中，磨损故障率占总故障率的70%～75%[3]，主要表现为：振动大、转速不正常、滑油消耗量过高、有杂音、抱轴、传动轴扭断等，严重威胁运行安全，同时也缩短了燃气轮机使用寿命，造成巨大的经济损失和社会影响。有效地分析出油液中磨损颗粒的种类、数量、成分及其变化规律，就可以判断零件摩擦副的磨损趋势，进行故障诊断[4]，提前预报可能发生的故障，提高设备运行的可靠性、安全性和维修水平[5]。

光谱分析技术具有可在较短时间内同时测定20余种元素质量分数的特性，其检测限可达mg/kg级。对于不同的研究对象，可以从20余种元素中选取具有代表性的元素进行监测[6-8]，通过趋势分析，对早期磨损故障进行诊断。大量的科研实践表明，光谱分析结果的准确性受多重因素的影响。

本文着重阐述环境温度、标准曲线绘制、样品黏度以及磨损颗粒尺寸等因素的影响，并提出解决方法。

1 光谱分析原理

光谱分析是利用盘式电极旋转将油样携带至圆盘电极和静止的棒电极构成的固定缝隙之间，由1个电容所存储的电荷通过固定间隙放电，形成高温电弧，使部分油液汽化形成1个等离子区，释放出包含了润滑油中所含元素的发射光谱线，这些发射光谱线通过光学系统被分开，成为各自独立的特征光谱线，根据物质发射光谱的波长和强度就可以相应的测出物质元素的成分和质量分数。

图1 转盘电极式原子发射光谱分析

2 主要影响因素分析

2.1环境温度

光谱仪由许多光学原件组成，很小的温度变化都会使光学系统成像移位，检测结果的准确性和重复性将受到影响。通过在试验环境温度变化0～2℃、2～4℃、4～6℃时，测定已知浓度的标准油液，以Fe元素为例考察环境温度变化对测定结果的影响。测定10mg/kg标准油液结果见表1，温度变化对Fe测试结果的影响如图2所示。此方法允许Fe元素在10mg/kg时，准确性为10±2.21mg/kg，其重复性（相对标准偏差）不超过0.71。

表1 试验环境温度变化时的测定结果

当温度变化在0～2℃时，所测数据稳定，重复性在允许范围内；当温度变化在2～4℃时，所测数据波动大，但准确性、重复性都在允许范围内；当温度变化在4～6℃时，所测数据波动较大，准确性很差，重复性超过允许范围。试验结果表明温度对仪器的稳定性影响较大，应尽量控制试验环境温度变化在0～4℃，保证数据准确性、重复性。

图2 温度变化对Fe测试结果的影响

2.2标准曲线绘制

仪器出厂时的原始标准曲线通常以0、50、100、300mg/kg的质量分数和光强值为坐标点进行绘制。对于燃气轮机来说，磨损元素质量分数都比较低，而仪器在测试过程中也受到多重因素影响，适当增加3、5、10、30mg/kg的标准油液的数据，对标准曲线进行细化，以考察对分析结果的影响。将细化后与原始标准曲线进行比较，以Ag元素为例，标准曲线精细化前后对比如图3所示。

图3 标准曲线精细化前后对比

各元素的标准曲线如图4所示。从图中可见，当质量分数为10 mg/kg时，原始曲线对应的光强值为1705 cd，而细化后曲线对应的光强值为2002 cd，二者结果有很大差别，细化后曲线对应的光强值更接近真实值。以部分元素为例，标准溶液的光强值见表2。

2.3样品黏度

图4 各元素的标准曲线

样品的分析结果以mg/kg为单位表示，参与分析样品的质量对分析结果有很大影响。在分析过程中，应尽量使转盘电极旋转时带上的样品的质量是相同的。如果样品的黏度差别较大，转盘电极旋转时，带上样品的质量不同，将影响分析结果的准确性。因此样品应尽量和标油的黏度保持一致，若样品黏度过大，可采取加温或稀释的方法，来消除黏度的影响。

表2 标准溶液的光强cd

2.4磨损颗粒尺寸

油液光谱分析通过盘电极旋转将油液中磨损颗粒带至分析间隙处进行激发，当磨损颗粒直径大于10μm时，颗粒质量过大，在盘电极旋转时，不能够完全都被盘电极带至分析间隙处，或颗粒带至分析间隙处后不能完全汽化，导致分析结果平行性差，不能准确反映样品中磨损颗粒质量分数。在早期磨损中，产生的磨损颗粒以小于10μm为主，当大于10μm[9-10]的颗粒数量迅速增长时，磨损加剧，光谱分析数据的平行性受到很大影响，说明已经不是早期磨损了，开始演变成为磨损故障，应采用其他方法进行监测分析。

2.5其他

利用光谱分析技术监测燃气轮机磨损故障时，除上述主要影响因素以外，还有盘电极背景、棒电极切削角度、样品均匀性、石英窗清洁度等因素，也会影响到分析结果的准确性，可在实际工作中通过规范流程有效规避。

3 应用案例

对某燃气轮机传动润滑系统使用的滑油进行监测，定期对滑油取样进行光谱分析，以及时了解设备运行状况。其中某阶段光谱分析结果见表3。

表3 标准溶液的光强cd

在燃气轮机运转初期，光谱的分析结果都比较低，而且各元素的值都比较稳定。在某阶段的第2次样品光谱值的Ti、Al突然偏高，对样品进行2次取样分析，光谱值明显降低，查找原因，发现是取样方式不规范，造成样品2次污染，改进取样方式后，未出现此类问题。Fe元素磨损趋势曲线如图5所示,随着运转时间的延长，Fe元素光谱值缓慢增长，在第6次时，Fe元素质量分数达到2.26mg/kg，但其他元素未见明显增长，对样品进行2次取样分析，Fe元素质量分数与前一次的值比较接近，表明样品没有被2次污染，由于样品Fe元素的光谱值有增长的趋势，应进行关注。在第8次时，Fe元素光谱值升高明显，缩小取样时间间隔取样，Fe浓度猛增到12.25 mg/kg，数据超过极限值，平行性较差，同时伴随Cr、Ti、Al元素质量分数的增长，说明传动润滑系统发生了异常磨损。依据传动润滑系统的零件结构与使用材料，综合诊断为封严篦齿发生了磨损故障。燃气轮机分解后，发现封严篦齿发生严重的磨损，篦齿附近的主轴承发生轻微磨损，与诊断情况相符。

图5 Fe元素磨损趋势曲线

通过对油液进行光谱监测，提前发现了传动润滑系统的早期磨损，确定了磨损部位，有效的避免异常磨损的恶化，及时更换发生磨损的零件，减少了燃气轮机停机检修的时间，在避免了主轴承灾难性损失的同时，创造了更大的经济效益。

4 结束语

应用光谱分析技术对燃气轮机传动润滑系统进行监测，能够及时了解零件磨损变化的趋势，结合系统结构和材料使用情况，对可能发生的磨损故障进行预先诊断，提高了燃气轮机运行的可靠性和安全性，是燃气轮机早期磨损故障不可缺少的监测技术手段。光谱分析的影响因素很多，主要有环境温度、标准曲线绘制、样品粘度以及磨损颗粒尺寸等，对这些因素进行严格的控制，可有效提高早期磨损故障监测结果的准确性，对确保燃气轮机安全、可靠运行有重要意义。

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Analysis of Influence Factors on Wear Failure Monitoring Based on Spectral Analysis Technology

LANG Hong,TONGW en-W ei,HE Shan,LIU Yu-Jia
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Thewear condition development trend in transmission and lubrication system ofa gas turbinewasmonitored by RDE atomic emission spectrometric analysis technique and the earlywear failurewas diagnosed in time. To enhance the accuracy of spectral analysis technologymonitoring,themain influence effects,such as the fluctuation of the environmental temperature,the standard curve drafting,the viscosity of the sample and the size of the wear particleswere studied.The basic principle of spectralanalysis technologywas simply introduced.The research tests show that the spectral analysis technology can effectively forecast the premierewear failure in transmission and lubrication system ofgas turbine.It is an effctivemethod tomonitoroil condition.

wear failure;spectrometric analysis technology;influence factor;gas turbine

2012-06-26

郎宏（1976），女，高级工程师，主要从事航空发动机传动润滑系统在用油液状态监控技术研究及试验分析工作。