油液分析技术在直升机维修中的应用甘露

1228第二十八届（2012）全国直升机年会论文油液分析技术在直升机维修中的应用甘露余建航罗朝明（陆军航空兵学院直升机机械工程系，北京，101123）摘要：据统计，直升机装备中有60%～80%的故障是由各种形式的磨损引起的。而机械系统中的油液会携带机械摩擦副磨损状态的丰富信息，因此可以通过油液分析技术对直升机进行状态监测和故障诊断。油液分析技术是通过分析被监测装备油液的性能变化和其携带磨损颗粒的信息，获得被监测装备摩擦学系统的润滑和磨损状态，从而在被监测装备的状态监测和维修管理之间建立起一座桥梁。关键词：油液分析；状态监测；故障诊断；直升机维修1引言直升机油液分为三类：航空润滑油、航空液压油和航空燃油，它们对直升机起着非常重要的作用。如航空润滑油是直升机发动机的“血液”，对发动机起着润滑、冷却、防锈、清洁和密封等多重作用，污染滑油的污染物可能会堵塞油滤、油喷孔，使油压下降甚至供油不足；滑油被氧化或硝化，会加速对摩擦副表面的腐蚀；滑油黏度的变化，又会造成润滑性能下降；这些性能变化进一步引发各种发动机故障。如：发动机振动大、转速不正常、滑油消耗率大、有杂音、发动机自动停车、抱轴、传动轴扭断等等。因此，有必要对直升机油液实行监测，对直升机进行状态监测，提前预报故障，或进行故障诊断，提高直升机的可靠性和维修水平。直升机油液分析技术是通过分析被监测装备油液的性能变化和其携带磨损颗粒的信息，获得被监测装备摩擦学系统的润滑和磨损状态，从而在被监测装备的状态监测和维修管理之间建立起一座桥梁。2直升机维修及其概念体系直升机状态监测与故障诊断技术的发展经历了三个阶段：事后维修、定期预防维修和视情维修。事后维修没有定期维修计划，它是在直升机发生故障后才进行检修，具有非计划性、备件库存量大、不能有效安排人力和物力、造成直升机停机时间长等缺点。定期预防维修是只要直升机达到了预先规定的时间，不管其他技术状态如何，都要执行拆机检查和零件更换，这是一种强制性的预防维修，组织管理工作较简单，其维修间隔的确定主要根据直升机生产厂家的经验和统计资料，以保证直升机的完好率处于一定水平，但这种维修制度容易造成巨大浪费。视情维修是基于直升机运行状态的一种科学的主动性维修，它着眼于每台直升机的技术状况，不规定直升机的维修期限，不固定拆卸分解的范围，而是在检查、测试直升机技术状态的基础上确定其最佳的维修时机，它也是根据监测直升机的某些状态参数来确定维修时机和维修项目。所以基于状态监测的视情维修可以充分发挥直升机的工作能力，提高维修的有效性，避免不必要的停机事故，大幅度降低直升机的维修保养费用。目前，我军仍然以预防维修为主，即传统的三级保养制（小修、中修和大修），辅以状态监测的视情维修。直升机的维修管理如何由预防维修转为视情维修，值得我们进行深入的研究和探索。但是，传统的直升机维修方式必将向状态监测维修方式转变，以状态监测为基础的视情维修必将成为现代直升机维修技术的核心，因为它可以有效地降低直升机的使用成本，提高直升机的经济和军事1229效益。而以状态监测为基础的视情维修，又离不开有效的状态监测技术方法和手段。3航空油液分析技术航空油液分析技术是基于这样一个事实：由于机器零件摩擦副的相互作用，将产生许多细小的磨损颗粒，这些磨损颗粒在润滑系统的作用下悬浮于航空油液中，磨损下来的颗粒蕴含着设备磨损状态的重要信息，如果能有效地分析出这些磨损颗粒的种类、数量、成分及其变化规律，就可以判断机械零件摩擦副的磨损状态。3.1航空油液分析的基本功能航空油液分析是通过对直升机的油液系统――润滑系统、液压系统、燃油系统取样分析，来诊断直升机及油液状态的有效手段。它类似于医生根据人体体液如血液等化验分析结果，诊断人的健康状况。通过油液分析可以实时监控直升机的状况，为直升机的运行、维护和管理提供准确的第一手数据；油液分析随着科学技术的发展，已达到相当完善的程度预报准确率。通过航空油液分析对直升机进行监控，可以实现以下功能：1．直升机的故障诊断。通过各种界限值，预报可能的异常磨损和故障，避免发生重大事故，降低故障率；对直升机进行状态监测，提供运行安全性，减少意外停机时间，提高直升机的可用度。这是油液分析监测最主要的功能。2．正确确定油液的使用期限。影响油液换油的因素主要有油液本身质量、燃油的含硫量、工作环境、油耗量等。通常的换油方式有定期换油和按质换油，定期换油有两项弊端：如果换油过晚，可能导致直升机损坏，造成重大损失；如果换油过早，本来可以继续使用的油液作为费油处理，造成油料浪费。3．研究磨损规律和探讨磨损机理，了解材料种类、热处理方法及加工精度等方面的改进效果，为改进设计提供依据。4．正确规定直升机的磨合规范。以往的磨合规范大多使用经验数据，缺乏科学依据。在台架试验中采用油液分析技术，可以科学地确定磨合规范，有效地缩短磨合期，节约资源。5．判定油液的污染。水以及沙尘进入油液对直升机有很大的危害，通过油液分析监测可以检测油液污染程度，以便及时采取对策。6．了解油液中添加剂的损耗情况，从而可以及时补充添加剂或者更换新油。7．正确制定直升机的大修周期，节省维修费用，减少备件库存量，大幅度降低运行费用，延长直升机的使用寿命。3.2航空油液分析范畴、方法及流程（一）航空油液分析范畴航空油液分析是对航空油液（主要是润滑油）的理化性能以及油中磨损和污染颗粒进行定性和定量分析的技术，它包括三个方面：油品分析、污染分析和磨粒分析。油品分析主要是监测直升机运转中油液性能的变化。油液在使用过程中，由于机械热力和化学作用，使油品的性能发生许多变化，油品性能分析包括：油液的衰化和油液添加剂的损耗。污染分析是指分析从环境进入系统的污染物和系统内部产生的污染物：包括杂质污染、水分污染、燃油污染等。杂质污染是由于机器运转过程中，环境中的灰尘、杂质等侵入到油液系统中；水分污染是带有冷却系统的装备，由于冷却系统的泄露，冷却水进入油液中；燃油污染主要是由于工作时发生泄露，燃油混入到油液中，使油液黏度降低，如果漏油过多，会显著降低油液的润滑性能，1230从而加速装备的磨损。磨屑分析包括：磨屑总量、磨屑尺寸分布、磨屑化学成分4个方面的内容。从上面可以看出，通过油液分析不仅可以对直升机的磨损故障进行诊断，而且对确定油液的使用期限，判定油品污染和添加剂的损耗以及研究摩擦磨损机理都有着重要的指导作用。（二）航空油液分析方法根据使用的仪器不同，航空油液分析通常分为以下几种方法。1．光谱分析光谱分析通常分为原子发射光谱分析和原子吸收光谱分析。原子发射光谱是利用原子在外界能量作用下，由于其核外电子的能级跃迁而发射出不同特征谱线的原理，对油液中微粒进行定量分析；原子吸收光谱是利用原子对具有一定特征谱线光的吸收来测量油中微粒的含量。前者一次可以同时分析出近30种不同元素的浓度，而后者一次只能分析出一种元素的浓度。光谱分析方法速度快、精度高、但是只能分析出润滑油中颗粒尺寸较小的小磨粒，通常颗粒直径小于10m，而且不能得到磨损颗粒的形态特征等重要信息。2．铁谱分析铁谱分析仪通常包括直读铁谱仪、分析铁谱仪和旋转铁谱仪三种。油液铁谱分析是利用高梯度强磁场的原理，将润滑油中的磨损颗粒分离出来，这些磨粒按一定的规律排列在谱片上，然后通过铁谱显微镜对磨损颗粒的特征进行观察，从而对其进行定性和定量分析。铁谱分析可以判定设备摩擦副的磨损程度和磨损类型，但是这种方法制谱时间长，而且对分析人员的素质要求比较高。3．油品理化性能分析油品常规理化分析是机器设备润滑管理中通用的方法，它可以有效延长在用油的换油期限。油品理化分析的测试项目大体包括黏度、水分、总碱值、闪点、凝点、灰分、氧化、硝化、硫化、添加剂消耗等十几项内容。常用的油品性能分析仪器有黏度计、滴定仪和红外光谱仪等。4．油滤分析油滤上的磨损碎屑可采用定期检查油滤的方法，把油滤上的碎屑清洗下来，作定性分析和定量分析，同时需要制定一个碎屑量的极限值和建立碎屑的形貌图谱，并表明碎屑的来源，建立一个完整的数据、图谱库。5．磁塞分析磁塞是一种最简单的收集润滑油磨损颗粒的方法。它是将磁性柱塞插入润滑油油路中或直接放在油箱中，用来吸附润滑油中的磁性颗粒，定期将磁铁取出，对其吸附的磁性颗粒进行分析。6．颗粒计数分析颗粒计数方法能够对一定容量的油样中所含固体颗粒按照粒度尺寸大小进行计数，由此得到油样中与大小相关的颗粒数目。颗粒计数器只推荐用于磨损速率低、磨损颗粒数量少的液压系统或比较洁净的润滑油系统，这种分析方法速度快、但是颗粒计数器本身比较昂贵。以上是航空油液分析常用的6种主要方法。表1对一些方法的原理和内容进行了比较，表2对一些分析方法的特点进行了比较。1231表1航空油液分析方法原理和内容比较分析方法简要原理和分析内容分析目的理化分析分析油品的常规性理化指标，主要有：黏度、黏度指数、闪点、水分、酸值、腐蚀性、抗泡沫、抗乳化和不溶物等新油质量、油品变质、油品误用、油品污染等光谱分析主要用于分析油中磨损金属、污染元素和添加剂元素的浓度，能在1分钟内分析出24中元素的含量磨损故障、污染来源、油品变质等铁谱分析用物理方法将油中磨损金属颗粒、污染杂质颗粒分离出来，用显微镜检测其形貌、尺寸和数量磨损故障的部位、原因和程度，污染来源颗粒计数分析主要用于分析油中固体污染颗粒的数量油品劣化程度、设备磨损程度等磁塞分析油滤分析主要用于定性分析和定量分析油中固体污染颗粒，磁塞分析磁性颗粒油品污染程度、设备磨损程度等表2航空油液分析方法比较方法名称光谱分析铁谱分析磁塞分析颗粒计数理化分析主要内容测量微粒元素成分、浓度含量分析颗粒大小、成分、形貌、分布分析磁性颗粒大小、形貌测定颗粒大小及其分布测量黏度、酸碱值、氧化等检测范围小于m10m250~1m1000~10m100~5.0分析速度快中慢快中人员要求高高中中中分析精度好较好较差好较好分析成本高中低高中（三）航空油液分析原则流程不同的航空油液分析方法其功能与特点是不相同的，但每一种航空油液分析方法都有其局限性和针对性，有其适用的一定范围。因此采用单一的监测手段已经不能很好地监测或分析直升机装备的状态，准确地预报装备的异常。这就要求综合运用多种航空油液分析技术，从不同角度捕捉油液使用性能和运行性能的相关信息，高效、全面、准确地对油液品质作出评估，从而对装备进行较为全面的监测和分析，这就是现代油液分析技术的原则流程。其具体流程见图1。图1航空油液分析系统的原则流程12324结论与展望航空油液分析故障诊断是研究如何充分利用油液分析数据和已有的设备维修经验，对航空装备磨损程度进行定量和定性分析，以准确预报设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度和故障原因的一种技术。目前，我国航空油液分析技术，往往采用光谱技术分析油液中金属屑，采用铁谱技术分析油滤、磁塞上的金属屑，并结合油品性能分析进行联合诊断。在研究方法上，新技术、新理论、新方法不断应用于油液分析技术领域。如图像处理技术、特征提取方法、分形理论、信息融合技术、人工神经网络技术、模糊数学、计算机信息处理技术、小波分析技术、时间序列分析、灰色系统理论、人工智能和专家系统的研究方兴未艾，取得了显著的研究成果。利用航空油液分析技术来监测直升机，可以通过磨屑测定、油液性能检测、污染度测定等方法，在统计分析和数据管理基础上，达到预报直升机、发动机磨损故障和提高系统工作可靠性。尤其是航空滑油监测作为视情维修中重要工作在空军已经开展了近20年，筹建了多个油液监测实验室，建立劳务一套航空滑油监测技术规范，研究了测定方法，制定了故障判断准则及措施，有效地实施了飞机滑油监测工作，对保证飞行安全起到了很好的作用。参考文献[1].任国全,张培林,张英堂.装备油液智能监控原理[M].北京:国防工业出版社,2006[2].张鄂.铁谱技术及其工业应用[M].西安:西安交通大学出版社,2001,(10):1--200[3].沈庭芝.数字图像处理及模式识别[M].北京理工大学出版社,1998[4].ZhangJL,LaboratoryoilAnalysismethods.