磨粒分析法.doc

航空发动机磨粒类型简介
航空发动机结构复杂,而且工作在高温、高速等恶劣条件下,为保障其可靠、高效运转,已经提出多种状态监测与故障诊断技术。航空发动机中普遍存在两类磨损问题,第一,发动机中油液润滑零部件存在磨损失效问题,如转子轴承、齿轮等; 第二,发动机气路中存在叶片冲蚀、烧蚀、机匣相磨、外物损伤等磨损类故障。对于这两类磨损故障,可以对其磨损产生的微粒进行显微形态学特征分析,分类统计之后深入探讨每类磨粒的产生机理及形成过程,从而对相应的磨损故障进行诊断。
铁谱分析是一种借助磁力将油液中的金属颗粒分离出来，并对这些颗粒进行分析的技术。航空发动机在运行过程中由于磨损等原因会产生磨粒，通过对这些磨粒的分析可以对发动机的运行工况进行监测，从而诊断出其中的问题。磨粒分析与识别是铁谱分析的首要环节
1.磨粒分析简介
磨粒分析就是通过分析不同磨粒类型之间的差异信息, 对磨粒本身定量分析, 以磨粒识别为目的, 提取磨粒识别敏感的特征参数。
磨粒分析与诊断技术对于发动机中容易发生磨损故障的油液润滑零部件监测诊断极为有效,它不但可预报零、部件的磨损类故障,防止更严重事故的发生,而且可以监测故障的产生与发展,在保障安全的前题下为制定维修计划争取更多的时间,能将故障或故障征兆隔离到部件组一级,方便维修。而在发动机气路磨损监测领域,虽然基本原理相同,但是由于存在磨粒采样的难题,严重限制了磨粒分析诊断技术的应用。应用磨损微粒的显微形态学特征分析方法,正确解读磨粒所蕴涵的故障或故障征兆信息是此项技术的关键。
2 航空发动机基本磨粒种类与特征分析
航空发动机不同部位磨粒的形态特征以及种类反映了有关磨损的重要信息。一般，发动机磨粒的形态特征是指示摩擦学系统工作是否正常的重要信号; 发动机磨粒的成分和颜色蕴藏着磨粒来源的信息，有利于对发动机故障进行定位; 发动机磨粒的物理与机械性能也是揭示摩擦接触处破坏之前的温度和组织变化的根据之一。因此，揭示发动机基本磨粒的形态和成分信息，是解释磨粒的形成及机械零件的摩擦学行为的必要根据［3］。正确地划分磨粒的基本种类和找出各自的典型特征，是从事铁谱分析、准确识别磨粒的前提。
2. 1 航空发动机磨粒分类方法分析
2. 1. 1 按磨损形式分类
在磨合期发动机摩擦副可能出现的磨损形式为磨料磨损，正常磨损期可能出现的磨粒为正常滑动磨粒，严重磨损期可能出现的磨粒为严重滑动磨粒( 黏着磨损) 、切削磨粒( 磨料磨损) 、疲劳剥块、层状磨粒、球状磨粒( 疲劳磨损) 、氧化物( 腐蚀磨损) 。各种磨损形式的磨损机制不同，形成的特征磨粒也不相同。对应于上述4 种磨损类型，把磨粒划分为9 种类型，见表1。
表1：磨粒按磨损类型划分种类

2. 1. 2 按磨粒成分分类
航空发动机不同部位的磨粒主要有金属磨粒和非金属磨粒2 大类。前者又可分为黑色金属磨粒( 如铸铁、钢和合金钢磨粒等) ，有色金属磨粒( 如铝、铜合金等) ，金属氧化物磨粒( 如红色、黑色氧化物等) ; 后者是指结晶体、聚合物、积碳、纤维、砂粒等微粒。
2. 1. 3 按磨粒形状分类
航空发动机不同部位的磨粒在形成过程中，由于磨损机制的不同，所经受的压力、温度、接触方式和环境因素等也不尽相同，因而形态特征各异。根据发动机磨粒的轮廓特征，可把磨粒划分为层状磨粒、块状磨粒、球状磨粒、条( 或线) 状磨粒等。层状磨粒是指薄片( 常带有孔洞) 或层状者; 块状磨粒是指厚度较大、形状参数( 主轴尺寸与厚度之比) 较小者; 球状磨粒包括圆球、半球或破损球状微磨粒;条( 或线) 状磨粒是指月牙状、螺旋状、卷曲状的切削磨粒。
2. 2 航空发动机磨粒典型形态特征分析
磨粒是有关发动机磨损的重要信息源，人们对它的认知首先是通过视觉来完成的。一般，按照磨粒的形态特征可将发动机磨粒分为正常滑动磨粒、严重滑动磨粒、切削磨粒、疲劳剥块、层状磨粒、氧化物磨粒、球状磨粒，见表2。
表2：发动机磨粒的形态和成分信息

( 1) 正常滑动磨粒( 见图1 ( a) ) 。航空发动机正常滑动磨粒一般是金属切混层局部剥离的结果，呈薄片，亦称微缓磨粒。长轴尺寸一般为0. 5 ～ 15 μm，厚度在0. 15 ～ 1 μm 之间。长、短轴比，一般大颗粒约为10∶ 1，而0. 5 μm 的颗粒约为3∶ 1。该种磨粒表面状态的形成与剥层磨损理论是一致的。
( 2) 严重滑动磨粒( 见图1 ( b) ) 。发动机严重滑动磨粒是在过高的载荷或速度的条件下，磨损表面的应力过高时出现的，大小磨粒的数量比取决于表面应力极限被超过的程度。应力越高，这一比值也越高，其粒度在15 μm 以上，长轴尺寸与厚度之比约为10∶ 1，有些表面有划痕，通常有拉毛的棱边。
( 3) 切削磨粒( 见图1 ( c) ) 。发动机不同部位的切削磨粒类似于切削时的小碎片，并有显微切削和磨料磨损的特征。磨粒形状呈收缩的螺旋状、碎片状和弯线状态，平均宽度约为2 ～ 5 μm，长度为25 ～100 μm，厚度小的只有0. 5 μm。这样的磨粒突然增加是发动机部件破坏的信号。
( 4) 疲劳剥块( 见图1 ( d) ) 。发动机不同部位所产生的疲劳剥块是在高接触压力和循环应力作用下，表面产生疲劳而形成的磨粒。发动机齿轮和滚动轴承产生的疲劳剥块是接触疲劳磨粒，通常具有光滑的表面和不规则的外形。齿轮的疲劳剥块尺寸较大，往往大于10 μm，彼此互相垂直的尺寸很接近。轴承的疲劳剥块尺寸要小一些［5］。
( 5) 层状磨粒( 见图1 ( e) ) 。发动机层状磨粒是极薄的游离金属磨粒，粒度在20 ～ 50 μm 之间，长轴与厚度之比约为30∶ 1，可以清楚地见到很多空洞。层状磨粒是磨粒黏附于滚动元件的表面之后，又通过滚动接触而形成的。层状磨粒可以在滚动轴承的整个使用期内产生，但疲劳裂纹一旦形成，其产生量即会增加，因此层状磨粒的大量增加并伴有大量的球粒存在，是发动机滚动轴承存在疲劳裂纹的标志。
( 6) 球状磨粒( 见图1 ( f) ) 。发动机球状磨粒通常产生于滚动轴承的疲劳裂纹内部，直径为1 ～ 5μm。气蚀磨损、焊接等也会产生球粒，但直径往往大于10 μm。
( 7) 氧化物磨粒( 见图1 ( g) ) 。发动机氧化物磨粒包括腐蚀磨损微粒及铁的氧化物等。腐蚀磨损微粒大多是亚微米级的，分析式铁谱片10 mm 处的光密度值大于50 mm 处的光密度值。铁的氧化物分为红色氧化物和黑色氧化物2 种。黑色氧化物是润滑系统中润滑不良、存在过热的标志，颗粒外观为表面粗糙不平的堆积物，边缘能透过少许光。红色氧化物是润滑系统中存在水分的标志，它不以显著的磁性特征在铁谱片上沉积，故随处可见。
表3：发动机磨粒的形态和成分信息

3 磨粒分析的应用
磨粒分析与诊断技术对于发动机中容易发生磨损故障的油液润滑零部件监测诊断极为有效,它不但可预报零、部件的磨损类故障,防止更严重事故的发生,而且可以监测故障的产生与发展,在保障安全的前题下为制定维修计划争取更多的时间,能将故障或故障征兆隔离到部件组一级,方便维修。