原子發射油料光譜關鍵技術及

航空保障應用研究

孫衍山^1，2，鄧可²，胡建²

1 天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室, 天津　300072;

2 北京航峰科偉裝備技術股份有限公司，北京，100141

摘  要：現代化航空產品尤其是飛機發動機等重點部件向著復雜化、集成化和智能化發展，與之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多參數的預知性健康管理要求。介紹了了航空發動機健康監控保障為目的進行原子發射光譜現場檢測的技術原理及關鍵技術，針對關鍵技術挑戰問題進行方法創新和技術改進并結合實際應用設計了一套油液原子發射光譜現場快速檢測系統產品，闡述了本研究方法和技術創新改進的具體內容和應用。實現的產品系統涵蓋多項功能，已在多型飛機上進行了對比試用，能有效監控航空發動機、傳動系統等關鍵部件的健康狀態，成為現代基于健康管理的航空保障的重要手段。

關鍵詞：飛機發動機油料；原子發射光譜；預知性健康管理；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

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

20世紀80年代以來，隨著對系統油液污染和摩擦學的深入研究，油液監控技術的開發和應用研究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爭，對飛機坦克等進行現場檢測。美軍的航母上平時都裝備有油料光譜儀，對機械設備不斷監測，確保了這些裝備的安全和戰斗力，取得了很好的效果。美國貝爾德公司(Baird)則推出輕便式MOA原子發射光譜儀，用于分析油液中金屬元素含量，監測機械設備運行狀態。在國外，基于油液監控的故障診斷技術已經普及到航空、航天、鐵路運輸和國防等各個領域。

飛機因機械原因發生的重大事故中，大約40%由發動機故障所致，而其中由磨損引起的失效占80%以上。現代化航空產品尤其是飛機發動機等重點部件向著復雜化、集成化和智能化發展，與之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多參數的預知性健康管理要求。運用滑油原子發射光譜技術監控航空發動機潛在磨損故障已經取得了顯著的效果, 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的中國*自主技術的國產化儀器產品。

1光譜油料分析原理

典型的原子發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室的分析間隙中(石墨棒及石墨圓盤電極之間)激發。油樣發射的光通過光學纖維，被引到入射狹縫。由狹縫出來的光變為狹窄的帶狀。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于各個元素的譜線。再利用偏轉板的定期往復轉動來動態扣除光譜背景。每個狹縫后面設置一個光電倍增管，以便把光能轉變為電能。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換為數值，所測的結果與計算機中存儲的標準曲線數據對比便可算出元素的濃度，后將整個分析結果在計算機屏幕上顯示或用打印機打出。

圖1原子發射油料光譜儀的工作原理

2 光譜油料分析的航空保障應用

2.1測量磨損金屬

航空機械在運行過程中磨損不可避免，尤其是飛機發動機等關鍵高速重載部件，因此在潤滑系統或液壓系統中會出現一定數量的磨損金屬。但是，如果磨損量的增加超出了通常的速率或出現突然的變化，那就意味著發生了異常的磨損利用光譜儀定期測量從設備中取出的油樣，就能獲得飛機發動機機械設備工作情況的有關信息，能在光譜儀上監測得到的金屬有：Fe、Cu、Ti、Pb、Cr、AI、Ni、Ag、Sn、Mn、Mo等。

2.2判定污染

在發動機油中，Si、B、Na、Cr的出現，往往標志著機器泄漏，油被污染。發動機冷卻系統的泄漏可通過檢測油中所含冷卻水中的防凍劑而判斷，通常可測出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)監測設備運轉情況，正確規定報廢標準．從而延長航空裝備壽命。

(2)判定跑合效果，合理確定磨合規范。

(3)正確規定機油、液壓油的換油期限，實現智能航空保障。

(4)評價結構改進，選擇油品。

(5)形成完整的監測系統，提高航空保障的經濟效益和整體管理水平。

3關鍵指標和關鍵技術問題

原子發射油料光譜分析技術產品，是可用于潤滑油、燃料油成分分析和燃氣輪機油的雜質分析而設計的一種發射光譜儀。理論上適用于任何封閉式循環潤滑系統，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品中的元素。產品可以將0.1到5微米的金屬顆粒全部蒸發分析，而更大的金屬顆粒部分蒸發分析。

3.1 詳細關鍵技術指標

原子發射油料光譜儀，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原子發射油料光譜指標元素檢測范圍             

、、、

圖3原子發射油料光譜指標元素精度指標要求

3.2主要關鍵技術問題

國外的原子發射油料光譜儀，幾十年在便攜現場航空保障的使用中，發現仍存在一些技術問題需要解決適應，主要體現在如下一些方面。

(1) 磨粒檢測誤差

國外現有的原子發射光譜儀，由于激發溫度只能達到3000℃，油液中固體金屬顆粒無法全部激發燃燒，與金屬顆粒尺寸有關。大顆粒不能*融化，測量誤差較大。該技術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打火電壓22kV，激發電壓175V的激發參數，導致25微米尺寸金屬顆粒，激發百分比不到50%。

(2).多種類油液適應性不好

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，激發過程中對油液加熱，油液自動粘度變化，攜帶的油液數量也不同。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

主要體現在光學系統尺寸過大，重量大，難以實現便攜式戶外現場使用，當前國外產品尺寸946167cm，重90kg。

3.3 關鍵問題技術改進

針對當前便攜現場航空保障的使用存在的問題，實現了對應的改進辦法。

(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。點火電路采用參數自適應優化，可以使用變頻、PWM等方式實現。具體實施采用PWM方式，PWM范圍10%~90%。

(2).多種類油液適應性不好

增加C和H兩種參比元素通道，可以確認燃燒油液的速度。可以采用分時參比，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。可以采用直流調速電機、交流調速電機等方式實現。具體實施采用24V直流調速電機，調速范圍為每分0.5轉到每分鐘20轉。

(3) 重量尺寸過大

減小光學系統尺寸，增加局部光學選擇元件，在小型光學分光系統上，增加通道選擇性。可以選擇增加鍍膜元件，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，波爾貼效應電子制冷片，制冷功率100W，溫度恒定精度0.1攝氏度。

4 產品實現和測試比對

根據新技術進行開發，實現了新型*自主核心技術的便攜式原子發射油料光譜儀，40Kv高壓打火激勵電壓，激發電壓380V，25微米尺寸金屬顆粒，激發百分達到>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，可以實現便攜式現場檢測。具體產品及界面和典型技術參數如下圖4，圖5所示，產品使用過程中有第三方參與的比對測試結果都一致性較好，具體見表1。

圖4 原子發射油料光譜產品和典型界面

圖5 原子發射油料光譜產品典型指標

表1. 典型用戶引入第三方進行比對測試的數據

5 總結語

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

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