原子發(fā)射油料光譜關(guān)鍵技術(shù)及

航空保障應(yīng)用研究

孫衍山^1，2，鄧可²，胡建²

1 天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室, 天津　300072;

2 北京航峰科偉裝備技術(shù)股份有限公司，北京，100141

摘  要：現(xiàn)代化航空產(chǎn)品尤其是飛機發(fā)動機等重點部件向著復雜化、集成化和智能化發(fā)展，與之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多參數(shù)的預(yù)知性健康管理要求。介紹了了航空發(fā)動機健康監(jiān)控保障為目的進行原子發(fā)射光譜現(xiàn)場檢測的技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)，針對關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)問題進行方法創(chuàng)新和技術(shù)改進并結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計了一套油液原子發(fā)射光譜現(xiàn)場快速檢測系統(tǒng)產(chǎn)品，闡述了本研究方法和技術(shù)創(chuàng)新改進的具體內(nèi)容和應(yīng)用。實現(xiàn)的產(chǎn)品系統(tǒng)涵蓋多項功能，已在多型飛機上進行了對比試用，能有效監(jiān)控航空發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，成為現(xiàn)代基于健康管理的航空保障的重要手段。

關(guān)鍵詞：飛機發(fā)動機油料；原子發(fā)射光譜；預(yù)知性健康管理；航空保障

中圖分類號: V241.7       文獻標識碼: A          國家標準學科分類代碼:460.40

Spectrum Instrument for oil Analysis of aviation engine 

for Aeronautic Support

Sun Yanshan^1，2，Deng Ke²，Hu Jian²

1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instrument, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.BEIJING HANG FENG KE WEI EQUIPMENT TECHNOLOGY CO., LTD，Beijing 100141 China;

Abstract：Modern aviation products are becoming more sophisticated, integrated and intelligent, and the new requirements of aviation support such as PHM(Pre-diagnose Healthy Management) based oil analysis of aviation engine becoming more and more useful to meet in the new situation. This article introduces the working principle of spectrum instrument and its key technology．This paper analysis key technology and develop a spectrum instrument for oil analysis of aviation engine, systematically introduce method and application of Aeronautic Support. This Spectrum Instrument has been test by different type of aviation engine by some troops.

Key words：oil of aviation engine; spectral analysis; PHM; Aeronautic Support

引言

使用油液監(jiān)測技術(shù)作為預(yù)防性維修和設(shè)備診斷的手段，起源于20世紀40年代初。有關(guān)資料早的記載是1941年，美國西部鐵路公司開始探討使用原子發(fā)射光譜儀，通過分析內(nèi)燃機用油中金屬元素濃度的變化，判斷柴油機磨損發(fā)生的過程和工作狀態(tài)及導致發(fā)動機產(chǎn)生故障的原因，對預(yù)報發(fā)動機零件失效起了重要的作用。

20世紀80年代以來，隨著對系統(tǒng)油液污染和摩擦學的深入研究，油液監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用研究13趨活躍。美國Spectro公司在上世紀80年推出移動式的油料光譜儀，美迅速將其用于海灣戰(zhàn)爭，對飛機坦克等進行現(xiàn)場檢測。美軍的航母上平時都裝備有油料光譜儀，對機械設(shè)備不斷監(jiān)測，確保了這些裝備的安全和戰(zhàn)斗力，取得了很好的效果。美國貝爾德公司(Baird)則推出輕便式MOA原子發(fā)射光譜儀，用于分析油液中金屬元素含量，監(jiān)測機械設(shè)備運行狀態(tài)。在國外，基于油液監(jiān)控的故障診斷技術(shù)已經(jīng)普及到航空、航天、鐵路運輸和國防等各個領(lǐng)域。

飛機因機械原因發(fā)生的重大事故中，大約40%由發(fā)動機故障所致，而其中由磨損引起的失效占80%以上。現(xiàn)代化航空產(chǎn)品尤其是飛機發(fā)動機等重點部件向著復雜化、集成化和智能化發(fā)展，與之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多參數(shù)的預(yù)知性健康管理要求。運用滑油原子發(fā)射光譜技術(shù)監(jiān)控航空發(fā)動機潛在磨損故障已經(jīng)取得了顯著的效果, 對保證飛行安全的航空保障方面起到了十分重要的作用，但是至今沒有針對我國開發(fā)的中國*自主技術(shù)的國產(chǎn)化儀器產(chǎn)品。

1光譜油料分析原理

典型的原子發(fā)射油料光譜儀的工作原理，如圖1所示，被分析的油樣在激發(fā)室的分析間隙中(石墨棒及石墨圓盤電極之間)激發(fā)。油樣發(fā)射的光通過光學纖維，被引到入射狹縫。由狹縫出來的光變?yōu)楠M窄的帶狀。光線到達光柵后，被分為各種不同波長的譜線，在聚焦曲面上的出口狹縫分為相應(yīng)于各個元素的譜線。再利用偏轉(zhuǎn)板的定期往復轉(zhuǎn)動來動態(tài)扣除光譜背景。每個狹縫后面設(shè)置一個光電倍增管，以便把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在每次燃燒中將這一電流按準確的時間間隔積分(求和)，這就形成了與光電管接受的光量成正比的電壓。通過讀出電路此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值，所測的結(jié)果與計算機中存儲的標準曲線數(shù)據(jù)對比便可算出元素的濃度，后將整個分析結(jié)果在計算機屏幕上顯示或用打印機打出。

圖1原子發(fā)射油料光譜儀的工作原理

2 光譜油料分析的航空保障應(yīng)用

2.1測量磨損金屬

航空機械在運行過程中磨損不可避免，尤其是飛機發(fā)動機等關(guān)鍵高速重載部件，因此在潤滑系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)中會出現(xiàn)一定數(shù)量的磨損金屬。但是，如果磨損量的增加超出了通常的速率或出現(xiàn)突然的變化，那就意味著發(fā)生了異常的磨損利用光譜儀定期測量從設(shè)備中取出的油樣，就能獲得飛機發(fā)動機機械設(shè)備工作情況的有關(guān)信息，能在光譜儀上監(jiān)測得到的金屬有：Fe、Cu、Ti、Pb、Cr、AI、Ni、Ag、Sn、Mn、Mo等。

2.2判定污染

在發(fā)動機油中，Si、B、Na、Cr的出現(xiàn)，往往標志著機器泄漏，油被污染。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的泄漏可通過檢測油中所含冷卻水中的防凍劑而判斷，通?？蓽y出Na、B、Si等，灰塵臟物或空氣濾清器不嚴密都可測出Si元素。如果出現(xiàn)鉻酸鹽腐蝕而造成泄漏，可在機油中檢出Cr元素。

2.3 檢測潤滑油中添加劑的損耗

現(xiàn)代機器所使用的潤滑油通常需要加入各種添加劑以獲得所需性能，如減摩、抗磨、抗氧、抗泡、防銹、防腐等。由于高溫、濾清和泄漏，所含添加劑會逐漸耗損，如通過測定P、Zn、Ca、Ba等元素便可預(yù)測該油是否需要補充添加劑或更換新油 通過光譜儀 的分析，使我們可以迅速掌握這方面信息。

2.4 故障診斷

(1)監(jiān)測設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，正確規(guī)定報廢標準．從而延長航空裝備壽命。

(2)判定跑合效果，合理確定磨合規(guī)范。

(3)正確規(guī)定機油、液壓油的換油期限，實現(xiàn)智能航空保障。

(4)評價結(jié)構(gòu)改進，選擇油品。

(5)形成完整的監(jiān)測系統(tǒng)，提高航空保障的經(jīng)濟效益和整體管理水平。

3關(guān)鍵指標和關(guān)鍵技術(shù)問題

原子發(fā)射油料光譜分析技術(shù)產(chǎn)品，是可用于潤滑油、燃料油成分分析和燃氣輪機油的雜質(zhì)分析而設(shè)計的一種發(fā)射光譜儀。理論上適用于任何封閉式循環(huán)潤滑系統(tǒng)，例如燃氣輪機、柴油機、汽油機、變速箱、齒輪箱、壓縮機水壓系統(tǒng)中的潤滑油液。它非常適合用于定量分析存在于小懸浮微粒中或溶解于天然或合成石油產(chǎn)品中的元素。產(chǎn)品可以將0.1到5微米的金屬顆粒全部蒸發(fā)分析，而更大的金屬顆粒部分蒸發(fā)分析。

3.1 詳細關(guān)鍵技術(shù)指標

原子發(fā)射油料光譜儀，快速分析30秒多30種元素含量，檢測限1ppm，其元素檢測范圍如下圖2所示。其重復性精度，一般參考ASTM-D6595如下圖3所示。

圖2原子發(fā)射油料光譜指標元素檢測范圍             

、、、

圖3原子發(fā)射油料光譜指標元素精度指標要求

3.2主要關(guān)鍵技術(shù)問題

國外的原子發(fā)射油料光譜儀，幾十年在便攜現(xiàn)場航空保障的使用中，發(fā)現(xiàn)仍存在一些技術(shù)問題需要解決適應(yīng)，主要體現(xiàn)在如下一些方面。

(1) 磨粒檢測誤差

國外現(xiàn)有的原子發(fā)射光譜儀，由于激發(fā)溫度只能達到3000℃，油液中固體金屬顆粒無法全部激發(fā)燃燒，與金屬顆粒尺寸有關(guān)。大顆粒不能*融化，測量誤差較大。該技術(shù)適用于檢測油液中尺寸小于10μm 的磨屑。這主要是由于采用激發(fā)打火電壓22kV，激發(fā)電壓175V的激發(fā)參數(shù)，導致25微米尺寸金屬顆粒，激發(fā)百分比不到50%。

(2).多種類油液適應(yīng)性不好

不同種類油液粘度不同，在電極上的攜帶厚度不同，影響光譜檢測精度，激發(fā)過程中對油液加熱，油液自動粘度變化，攜帶的油液數(shù)量也不同。不同粘度5~320cst油液影響精度和同一種油液的精度波動3%。

(3) 重量尺寸過大

主要體現(xiàn)在光學系統(tǒng)尺寸過大，重量大，難以實現(xiàn)便攜式戶外現(xiàn)場使用，當前國外產(chǎn)品尺寸946167cm，重90kg。

3.3 關(guān)鍵問題技術(shù)改進

針對當前便攜現(xiàn)場航空保障的使用存在的問題，實現(xiàn)了對應(yīng)的改進辦法。

(1) 磨粒檢測誤差

電子點火電路，采用多級倍壓變壓器。實施方式采用多級自耦合電壓器等方案，可以采用2~4級電壓倍增。具體實施選擇了3級電壓加倍。變壓器耦合材料采用高導磁效率材料，可以采用鐵鎳合金、坡莫合金、仙臺斯特合金等高導磁材料。具體實施，采用非晶納米晶材料。點火電路采用參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化，可以使用變頻、PWM等方式實現(xiàn)。具體實施采用PWM方式，PWM范圍10%~90%。

(2).多種類油液適應(yīng)性不好

增加C和H兩種參比元素通道，可以確認燃燒油液的速度?？梢圆捎梅謺r參比，也可以采用實時參比。具體實施方式采用獨立實時采樣參比光學通道。 增加電機旋轉(zhuǎn)速度補償控制模塊，補償油液燃燒速度變化。可以采用直流調(diào)速電機、交流調(diào)速電機等方式實現(xiàn)。具體實施采用24V直流調(diào)速電機，調(diào)速范圍為每分0.5轉(zhuǎn)到每分鐘20轉(zhuǎn)。

(3) 重量尺寸過大

減小光學系統(tǒng)尺寸，增加局部光學選擇元件，在小型光學分光系統(tǒng)上，增加通道選擇性?？梢赃x擇增加鍍膜元件，狹縫光學元件，柱面聚光透鏡等元件。具體實施采用，帶鍍膜的狹縫，鍍膜光譜選擇性2nm，狹縫尺寸20微米。采用陣列CCD元件代替光電倍增管，增加檢測抗噪聲能力。可以選擇各種4~16個CCD陣列。具體實施為采用了16個CCD陣列，200nm-850nm波長范圍，每個陣列上1000個有效點。采用超低溫電子制冷技術(shù)使CCD工作在零下40度，提高檢測分辨率，可以采用液氮電子制冷等方法。具體實施為采用3級連接，波爾貼效應(yīng)電子制冷片，制冷功率100W，溫度恒定精度0.1攝氏度。

4 產(chǎn)品實現(xiàn)和測試比對

根據(jù)新技術(shù)進行開發(fā)，實現(xiàn)了新型*自主核心技術(shù)的便攜式原子發(fā)射油料光譜儀，40Kv高壓打火激勵電壓，激發(fā)電壓380V，25微米尺寸金屬顆粒，激發(fā)百分達到>99%。不同粘度5~320cst油液影響精度和同一種油液的精度波動<0.5%，精度大幅度提高。尺寸約706060cm，重60kg，可以實現(xiàn)便攜式現(xiàn)場檢測。具體產(chǎn)品及界面和典型技術(shù)參數(shù)如下圖4，圖5所示，產(chǎn)品使用過程中有第三方參與的比對測試結(jié)果都一致性較好，具體見表1。

圖4 原子發(fā)射油料光譜產(chǎn)品和典型界面

圖5 原子發(fā)射油料光譜產(chǎn)品典型指標

表1. 典型用戶引入第三方進行比對測試的數(shù)據(jù)

5 總結(jié)語

總之，現(xiàn)代化航空產(chǎn)品尤其是飛機發(fā)動機等重點部件向著復雜化、集成化和智能化發(fā)展，與之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多參數(shù)的預(yù)知性健康管理要求。本文介紹了了航空發(fā)動機健康監(jiān)控保障為目的進行原子發(fā)射光譜現(xiàn)場檢測的技術(shù)原理及磨粒檢測誤差、多種類油液適應(yīng)性不好和重量尺寸過大等需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，針對性地提出了技術(shù)改進并結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計了一套油液原子發(fā)射光譜現(xiàn)場快速檢測系統(tǒng)產(chǎn)品。實現(xiàn)的產(chǎn)品系統(tǒng)涵蓋多項功能，已在多型飛機上進行了對比試用，能有效監(jiān)控航空發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，成為現(xiàn)代基于健康管理的航空保障的重要手段。

參考文獻：

[1]王堅, 張英堂. 油液分析技術(shù)及其在狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[ J ].潤滑與密封, 2002, ( 4 ): 77- 88.

[2]陶春虎, 鐘培道, 王仁智等. 航空發(fā)動機裝動部件的失效與預(yù)防[M ]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2000. 156 - 157.

[3]郭峰，費逸偉，姚婷等. 某型航空發(fā)動機潤滑油性能結(jié)構(gòu)熱衰變機制研究[ J] . 潤滑與密封,2015,40( 8) : 31- 34.

[4]姚紅宇. 滑油中金屬屑分析在航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用[ J]. 失效分析與預(yù)防, 2006, 1( 3) : 60- 63.

[5]毛美娟, 朱子新, 王峰等. 機械裝備油液監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用[M ].北京: 國防工業(yè)出版社, 2006. 260- 261.