基于光谱-铁谱分析的航空发动机磨损故障诊断应用研究

姜旭峰 宗 营 阮少军

(空军勤务学院 航空军需与燃料系，江苏 徐州 221000)

现代航空发动机部件长期工作于高温、高转速、高载荷的苛刻环境中，磨损故障的发生不可避免。当磨损导致的故障产生时，会影响发动机的正常工作，严重时甚至引发飞行安全事故。油液监控技术在机械磨损状态监测和故障诊断中是一种十分有效的现代维修技术，包括红外、光谱、铁谱、磁塞分析等技术手段，主要是通过分析被监测设备油液的性能变化和其携带磨损颗粒的信息，从而有效提取机械部件的润滑和磨损状态信息，直接反映出发动机传动系统的工况状态，有利于及时准确地发现磨损故障，为维修提供可靠性技术参数数据[1]。

其中，发动机润滑传动系统故障产生的金属磨粒蕴含着丰富的零部件磨损状态信息，通过滑油监测技术手段获得磨粒的成分、数量和磨损类型等极具价值的故障信息，可有效提高发动机磨损故障预报成功率，保证使用的安全性。

1 航空发动机油液监测技术

1.1 光谱分析技术

油液光谱分析技术是飞机发动机故障诊断和状态监测中应用最早的现代分析技术，其原理就是利用监测油样中所含金属元素原子发射不同特征波长的谱线来进行金属元素的定性和定量分析的。目前，经过不断地创新和发展，光谱分析仪能够迅速准确地分析油样中所含的多种元素成分和含量，测定精度高，应用范围广。

航空发动机的磨损故障分析中最常采用方法的是原子发射光谱分析。通过测量谱线波长及其相对强度，进而获得滑油中的对应元素成分及含量，具有多元素监测、分析速率快、界限值低、准确性高的特点。但同时，该手段只能得出元素分析总量，不能完成结构价态分析，因而不能得到磨损颗粒的状态特征等关键故障信息参数，所以通常需要与其他检测技术联用。

光谱油液分析技术在延长发动机寿命，降低维修费用，确定最佳换油期，保证飞机飞行安全，进行发动机故障失效分析等方面有着重要的作用。根据光谱分析得出的元素成分，可以确定发动机中发生严重磨损的主要摩擦副。

1.2 铁谱分析技术

油液铁谱分析技术是利用高梯度强磁场的作用，从航空发动机的润滑传动系统内采集的油样中分离出磨损颗粒，使其按规律排列在谱片上，借助铁谱显微镜等仪器检验分析这些磨粒的形貌、大小、数量、成分，从而对其进行定性和定量的分析[2]。

铁谱分析可以判定设备磨损发生的部位、磨损状态和形成机理等，相比于光谱分析，铁谱分析技术不仅分析磨粒的尺寸范围更大，而且还可以同时观察到磨粒的形貌特征。同时，铁谱分析也存在其局限性。对于油样中复杂多变、形态参数各异的大量磨粒，很难进行精准的定性分析；且磨粒的定量形态特征缺乏、分析精度偏低以及数据再现性低等缺点也始终存在。磨粒图谱是运用铁谱分析开展磨粒分析的必要工具，程治升[3]等初步设计出了一种航空发动机AIMS 铁谱图谱管理信息系统，可以观测到磨损产物的微观特征，通过将被监测发动机的磨粒图像与标准谱图进行比对，来定性分析预测发动机轴承传动系统的磨损状态。

在航空发动机的磨损状态监测中，铁谱技术与光谱分析技术相结合，已成为了一种非常有效的故障诊断方法。目前较为广泛使用的铁谱仪器有分析式铁谱仪、旋转式铁谱仪、直读式铁谱仪和在线铁谱仪等。随着计算机图像处理技术和磨粒分形理论的研究不断进步，铁谱磨粒的形貌特征分析不断深入，磨粒类型特征参数体系不断完善，利用铁谱磨粒特征分析磨损机理、磨损类型及磨损程度的应用研究也向智能化方向不断发展。

2 发动机润滑油磨损监测实验

2.1 光谱分析

采用电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP,上海PerkinElmer公司生产)对滑油进行光谱分析。采取有机溶剂稀释后直接进样的方法：一是选取1.2 mm口径的中心管，保证等离子体的稳定；二是通入氧气，防止有机物在中心管内形成积碳阻塞管路。其他的一些实验参数如下，样品流量1.0 mL/min，等离子体氩气流量15 mL/min，辅助气流量0.8 mL/min，雾化器流量0.55 mL/min，氧气流量30 mL/min，功率1 500 W，轴向观测方式，观测距离15.0 μm，重复测量2次。

2.2 铁谱分析

采用FTP-X2型分析式铁谱仪系统(北京优文科工贸有限责任公司生产)对润滑油样进行铁谱片制作，以提取特征磨粒图像。FTP-X2型分析式铁谱仪系统包括制谱仪、L2020型双色显微镜(含测量读数器)和FITS铁谱图像采集处理系统。

3 磨损监测故障结果分析

3.1 主轴承磨损故障分析

主轴承是飞机发动机最关键的运转部件，发动机主轴承异常磨损故障的提前预报对于飞行安全的意义不言而喻，该部位的异常磨损可直接导致发动机产生灾难性的后果。

3.1.1 轴间轴承

某部飞机右发动机在飞行后进行滑油光谱分析时发现铁元素含量超标，对其最近3个飞行日的滑油进行光谱分析，试样编号分别为ZC-1、ZC-2和ZC-3，分析结果见表1。该发动机工作时间33小时43分，总工作时间598小时31分。该机在2019年2月20日做完25小时发动机专项检查，飞行过程中没有发现异常情况。2月22日对发动机进行检查时发现滑油滤中有少量金属屑，磁塞端部有少量金属屑。

表1 发动机滑油光谱分析结果Tab. 1 Engine oil spectrum analysis results

从滑油光谱分析结果可以发现，ZC-3的铁元素的浓度(15.7 ppm)已超过浓度异常值标准(8 ppm)，浓度梯度(3.7 ppm/10 h)也已超过梯度异常值标准(3 ppm/10 h)；铬元素的浓度(1.4 ppm)已接近浓度异常值标准(1.5 ppm)，其他元素也有不同程度的增加。

接着，利用铁谱基片观测，并将所获得的油样磨粒图像(图1)与FITS铁谱图像测试系统所汇集的已知特征磨粒相比较，可知，该图像为铁磁性金属的磨损磨粒，其中黑色的为氧化铁，白色的为金属铬，磨损类型均为疲劳磨损。据此现象分析，判定发动机的主轴承部位可能存在异常磨损，已经不能保证正常飞行。

分解检查发动机六大主轴承，发现后轴间轴承损坏严重，滚棒严重剥落，烧结在内钢套已焊接在一起状态有2件；外钢套严重变形，滚道有约60 mm长严重剥落(图2)，验证了铁谱分析结果的可靠性。轴间轴承损坏形式基本上是滚动体圆柱表面有轻重不同的剥落，轴承保持架兜口磨损漏铜或严重磨损，内套圈或外套圈滚道局部成片剥落或严重磨损，基本无严重超温变色现象。

故障原因初步分析认为：后轴间轴承是该型发动机设计上的薄弱环节。后轴间轴承内滚道固定在低压涡轮轴上，外滚道固定在高压涡轮前缘内，承受的是高、低压涡轮的相对转速，转速虽不很高但承受的载荷复杂多变，且润滑、冷却条件较为恶劣。

3.1.2 转子间轴承

某部飞机2019年3月16日发动机装机后试车，滑油取样(ZZ-1)光谱分析铁含量为6.3 ppm，超过浓度警告值(6 ppm)，对发动机监测使用。3月18日，飞机第一起落试飞，着陆后取样(ZZ-2)进行滑油光谱分析，铁含量达到13.3 ppm，超过浓度异常值标准(8 ppm)，发动机停用。该发动机使用时间 346 h 55 min。

图1 分析铁谱获取的油样磨粒图像(ZC-3)Fig. 1 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (ZC-3)

图2 发动机后轴间轴承外套磨损情况Fig. 2 Wear of engine rear intershaft bearing sleeve

由分析铁谱获取的磨粒图像如图3所示。将图3与FITS铁谱图像测试系统所汇集的已知特征磨粒相比较可知，其为金属铁的滑动磨损颗粒。鉴于铁元素含量上升极快，初步分析认定为轴承故障，已不能保证飞行安全而返厂检查。发动机返厂分解检查，发现支点转子间轴承的内、外钢套和滚棒全部剥落(图4)。

图3 分析铁谱获取的油样磨粒图像(ZZ-2)Fig. 3 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (ZZ-2)

图4 转子间轴承保持架与滚子磨损剥落Fig. 4 Wear and tear of inter-rotor bearing cage and roller

分解检查发现转子间轴承滚子与内钢套滚道由滚动摩擦变滑动摩擦，使滚子与保持架均严重磨损剥落，内钢套滚道深度磨损熔融，有的保持架也被挤压变形或损坏并粘结在钢套或滚棒上，可致使高压涡轮盘与低压涡轮轴相磨，导致涡轮轴强度降低直至断裂。发动机低压涡轮轴断裂失效为危险性故障，对飞行安全影响极大，应高度重视。

故障原因初步分析认为：转子间轴承是该型发动机设计上的薄弱环节。内滚道固定在低压涡轮轴上，外滚道固定在高压涡轮前缘内，承受高、低压涡轮的相对转速，承受离心动载荷复杂；该轴承存在润滑和冷却设计不合理，支撑结构强度不够、轴承可靠性低等缺陷。在工作中因载荷复杂多变且滚棒接触表面存在线速度差异，容易产生滚棒的滑动摩擦，造成滚道或滚棒接触面和亚表面形成疲劳微裂纹和剥落。

3.2 附件机匣轴承磨损故障分析

附件机匣中有许多传动齿轮和小轴承，这些部件的异常磨损对于发动机的危害仅次于主轴承故障，典型的附件机匣内小轴承磨损故障表现为滑油中铜含量急剧增长。某部飞机左发动机油样(FJ)在滑油监测中发现铁、铜含量超过浓度异常值监测标准(4.5 ppm、2.5 ppm)，其中铁元素浓度达12.4 ppm、铜元素浓度达22.6 ppm，该发动机本次使用144小时。

图5 分析铁谱获取的油样磨粒图像(FJ)Fig. 5 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (FJ)

将图5与FITS铁谱图像测试系统所汇集的已知特征磨粒相比较可知，为金属铁和铜的滑动磨损颗粒。检查该发动机工作参数以及磁塞和滑油滤，发现磁塞和滑油滤上聚积大量鳞片状金属屑，故障诊断为附件机匣内小轴承异常。

发动机停用并返厂分解检查，发现发动机附件机匣内轴承存在严重的异常磨损(图6)，铜保持架与滚珠严重磨损，所有滚珠表面存在大量剥落坑，轴承衬套内壁存在明显偏磨痕迹。

图6 轴承内钢套异常磨损Fig. 6 Abnormal wear of bearing inner steel sleeve

3.3 滑油泵磨损故障分析

滑油泵磨损对发动机的润滑系统具有较大危害，它可直接导致润滑系统供油不畅，影响发动机润滑和散热效果，最终会引起发动机其它润滑部件的失效。在滑油光谱监控中曾出现铜和铝元素浓度急剧增长现象，并由故障诊断专家系统得出滑油泵出现异常磨损故障信息，后经分解检查证实其中一个回油泵青铜衬套严重磨损。滑油泵主要故障模式是滑油泵衬套磨损。通过滑油光谱监测铜含量变化可掌握其磨损状态，能及时准确预报。

某部发动机油样在滑油监测中发现铜元素浓度达16.2 ppm，超过浓度异常值标准(6 ppm)。该发动机使用时间459 h 25 min，本次使用45 h 7 min。

由分析铁谱获取的磨粒图像，同时将图7(HYB-1)和图8(HYB-2)与FITS铁谱图像测试系统所汇集的已知特征磨粒相比较，可知为金属铜的磨损颗粒，其中HYB-1为滑动磨粒，HYB-2为疲劳磨粒。

返厂分解检查发现滑油附件、前支点回油泵、中部回油泵、后支点回油泵衬套磨损(图9)，磨损深度约0.01 mm。该轴承保持架兜孔磨损露铜，磨损兜孔数9个。

图7 分析铁谱获取的油样磨粒图像(HYB-1)Fig. 7 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (HYB-1)

图8 分析铁谱获取的油样磨粒图像(HYB-2)Fig. 8 Abrasive image of oil sample obtained by analyzing ferrography (HYB-2)

图9 后支点回油泵衬套磨损Fig. 9 Wear of the liner of the recirculation pump of the rear fulcrum

4 结论

(1) 采用光谱-铁谱联用技术能够有效地发现滑油中超标元素，通过对前述的油液监测数据的分析以及对比铁谱图像测试系统中的特征磨粒可预测磨损类型及故障部位。该诊断结果能够验证油液监测结果与试验工况特性变化的一致性，拆解后的轴承表面及滚道异常磨损也和判定结果相吻合。

(2) 在监测诊断过程中，多次出现滑油中铁、铜元素含量严重超标现象及异常磨粒，在这些故障中，轴间轴承异常磨损故障最多，多表现为轴承滚珠表面剥落、内外钢套严重磨损，这可能与该轴承处于应力集中区域有关；

(3) 由于后轴间轴承所承受的是相对转速，滚棒的接触点存在线速度的差异，因此容易造成滚棒的滑动磨擦，滑动磨擦将造成接触面和亚表面形成疲劳微裂纹和剥落；附件机匣轴承和滑油泵的故障特征明显，通过光谱监测能够较为准确做出预报。