磨损颗粒分析技术在发动机磨损故障监测中的应用

郎 宏，佟文伟，田淑元，修攀瑞，李 勤，孙佳斯

（中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳110015）

在发动机的各种故障中，因磨损造成的故障和失效案例占有相当的比例［1］。发动机高速运转时，传动润滑系统中的摩擦副相互作用，会产生许多细小的磨损颗粒，这些颗粒携带了大量磨损状态的信息，有效地对其进行监测，可以获得发动机的润滑情况和磨损状态，以评价发动机传动润滑系统的运行状况和预测故障［2］。因此，对润滑油及其携带磨损颗粒进行监测分析，可以预报潜在的危险，避免灾难性损坏或者减少处于正常运转设备的不合理维修，而增加产值和效益［3］。

润滑油中磨损颗粒的状态监控与故障诊断技术［4］主要有光谱分析、铁谱分析、自动磨粒分析、磁塞分析、油滤分析、颗粒计数、扫描电子显微镜-能谱分析等多种分析技术， 本文主要阐述光谱分析、铁谱分析、自动磨粒分析、扫描电子显微镜-能谱分析技术在发动机润滑系统磨损状态监测的应用。

1 分析技术

1.1 光谱分析技术

光谱分析技术通常分为原子发射光谱技术和原子吸收光谱技术［2，5］。发动机润滑油的光谱分析以转盘电极式原子发射光谱为主要手段，通过光谱仪可以迅速、准确地得到润滑油中元素的种类和含量，与经验值或磨损极限值相对照［5］，判断磨损零件的状况、添加剂和水分的变化，分析油液的污染和变质劣化程度［6］，达到诊断发动机传动润滑系统磨损状态的目的。

光谱分析的特点是速度快、分析数据准确、适合于大量样品的趋势分析［7,8］。但是该技术也有局限性：（1）由于盘式电极旋转时，很难将尺寸大的颗粒带至电极间，并且电弧能量不足以使大颗粒全部离子化，一般只能准确监测油液中小于10 μm的颗粒；（2）只能反映所有摩擦副磨损颗粒积累的含量，而不能反映颗粒的尺寸、形貌等信息。

1.2 自动磨粒分析技术

自动磨粒分析技术采用了神经网络和模糊识别技术，兼具颗粒形貌识别和计数的功能。油液由蠕动泵带动经油管进入样品池，激光器产生脉冲激光照射样品池，然后采用高速相机对其进行拍照。图片经神经网络和模糊识别技术分析后，不仅可以给出油液中磨损颗粒的尺寸分布、产生速度和形状特征，还可以鉴别发动机传动润滑系统的失效类型、失效发生速度和严重程度，实现了磨损颗粒形貌的自动分析［9］。

自动磨粒分析的特点是样品无须处理、分析速度快、便于操作，非常适合做异常磨损样品的筛查。但是该技术也有局限性：（1）仅能对 4～100 μm左右的颗粒进行计数；（2）仅能对大于 20 μm的颗粒给出磨损类型的判断；（3）图像是颗粒的投影，看不到颗粒表面的颜色和形貌的详细状况；（4）不能测定元素的种类和含量。

1.3 铁谱分析技术

铁谱分析技术［10,11］是20世纪70年代发明的一种机械磨损测试方法，通过高梯度强磁场作用，将润滑油中的铁磁性材料磨损颗粒分离出来，并按一定规律沉积在谱片上，通过多种检测仪器观察和测量磨损颗粒的形貌、大小、数量等，获得磨损过程中的各类信息，从而判定摩擦副的磨损程度和磨损类型，确定磨损机理，进行磨损故障监测和预先诊断。

铁谱分析的特点是适用于1～250 μm范围内的磨损颗粒，定性、定量分析润滑油中磨损颗粒的形貌、尺寸、及其分布，可靠性较高、成本较低。但是该技术也有局限性：（1）试验过程繁琐、制片麻烦、速度慢；（2）在磨损颗粒形貌识别、磨损类型及磨损程度、故障判断方面，对分析人员的知识和经验要求很高；（3）不能测定磨损颗粒的具体成分。

1.4 扫描电子显微镜-能谱分析技术

扫描电子显微镜-能谱分析技术是将扫描电子显微镜和 X-射线能谱仪结合的一种分析手段，可以实现两个方面的功能，一方面是观察磨损颗粒形貌的细节，更好判断磨损颗粒的磨损类型；另一方面是可以定性、半定量分析磨损颗粒的成分，确定其材质。

扫描电子显微镜-能谱分析的特点是能够观察磨损颗粒的微观形貌，并对磨损颗粒进行成分分析，判断其材料牌号，确定故障零部件。但是该技术也有局限性：（1）制样繁琐，分析费时；（2）显示不出磨损颗粒的光学特性；（3）样品不能直接进行分析；（4）由于颗粒细小，进行分析时易污染设备。

2 应用案例

在某型发动机试车中，采用光谱分析、铁谱分析、自动磨粒分析、扫描电子显微镜-能谱分析技术对传动润滑系统的磨损状况进行综合监测，为该发动机安全、可靠运行提供保障。

2.1 光谱分析

在某型发动机试车过程中，开展了润滑油中磨损颗粒分析工作，首先采用光谱分析监测每个阶段的润滑油，对其中所含元素的情况进行分析，以随时监测发动机的磨损状况。某个阶段主要元素的光谱分析结果见图1。从图1可以看出，光谱分析结果在经验值（Fe≤8.5 ppm，Cu≤6 ppm，Ag≤4 ppm）内波动，发动机运行正常。第二阶段的光谱分析结果见图2。

图1 某阶段滑油光谱分析结果Fig.1 The spectrum analysis results of some phase

图2 第二阶段滑油光谱分析结果Fig.2 The spectrum analysis results of 2nd phase

由图2可以看出，2-30号油液光谱结果显示该发动机的铁、银元素含量都超过了经验值， 从2-29到 2-30样品的光谱值剧增，传动润滑系统可能出现异常磨损。

2.2 自动磨粒分析

由于 2-30号样品的光谱值超出经验值，需进行自动磨粒分析，从磨损颗粒的数量和磨损类型给出分析意见。将 2-28、2-29、2-30样品进行自动磨粒对比分析，结果见表1、图3。

从表1中数据可以看出：同一个样品中按照磨损类型，将磨损颗粒的数量从多到少排列，依次为疲劳磨损、滑动磨损、切削磨损；不同样品、同一磨粒类型、同一尺寸范围磨损颗粒数量相比， 2-30号样品的增长均较为迅速，属异常增长，表明传动润滑系统发生了异常磨损。

图3 2-3样品自动磨粒分析磨粒的形貌Fig.3 The LNF morphology of sample 2-3

2.3 铁谱分析

为了准确判断异常磨损类型和机理，采用铁谱分析作进一步诊断。将第二阶段的样品制成铁谱谱片，在显微镜下观察，结果见表2。从表2中可以看出，2-28、2-29样品中各类型磨损颗粒很少，2-30号样品中各类型磨损颗粒突然增多、尺寸变大。同时在2-30号样品（见图4）中发现了较多5μm以下的球形颗粒。球形颗粒主要由滚动轴承疲劳磨损、气蚀、焊接、磨削等因素产生，可以通过产生机理、尺寸大小、数量等对球形颗粒的来源进行判断。其中由气蚀、焊接和磨削等原因产生的球形颗粒尺寸都大于10 μm，而滚动轴承疲劳磨损产生的球形颗粒一般为1～5 μm，它的出现是极为明显的故障临近的报警信号。2-30样品中1～5 μm球形颗粒数量迅速增加，同时伴有其他磨损粒数量的增多，说明发动机传动润滑系统发生了异常磨损。

图4 各类磨损颗粒形貌Fig.4 The ferrography morphology of variable wear particles

表1 自动磨粒分析结果Table 1 The LNF analysis results 个/mL

表2 铁谱分析结果Table 2 The ferrography analysis results 个/mL

2.4 扫描电子显微镜-能谱分析

为了准确确定发生磨损故障的部位，在扫描电镜中对磨损颗粒进行了微观观察，典型异常磨损颗粒形貌见图5。对图5中典型的磨损颗粒进行能谱分析，结果表明：大部分球形颗粒、疲劳磨损颗粒和切削磨损颗粒成分与轴承滚珠材料基本一致，少量疲劳磨损颗粒成分与保持架涂层材料一致，大部分严重滑动磨损颗粒与轴承内外环材料一致。说明发动机轴承发生了异常磨损。

图5 各类磨损颗粒扫描电子显微镜-能谱分析结果Fig.5 The SEM results of variable wear particles

4 结束语

（1）通过上述综合分析结果判断：发动机轴承存在异常的磨损，应立即停止试验。发动机分解后进行检查，发现轴承的滚珠表面失去金属光泽，有明显的麻坑；内外环跑道存在过热灼烧的痕迹和磨损；保持架表面有轻微磨损。验证了磨损颗粒综合分析结果的准确性。

（2）光谱分析、自动磨粒分析、铁谱分析、电子显微镜-能谱分析等四种技术各具特点、互为补充。综合利用上述分析技术，能够及时发现磨损故障隐患，准确判断异常磨损部位，有效、快捷的进行磨损故障的预先诊断，提高发动机运行的可靠性和安全性。

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