原子发射油料光谱关键技术及

航空保障应用研究

孙衍山^1，2，邓可²，胡建²

1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津　300072;

2 北京航峰科伟装备技术股份有限公司，北京，100141

摘  要：现代化航空产品尤其是飞机发动机等重点部件向着复杂化、集成化和智能化发展，与之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多参数的预知性健康管理要求。介绍了了航空发动机健康监控保障为目的进行原子发射光谱现场检测的技术原理及关键技术，针对关键技术挑战问题进行方法创新和技术改进并结合实际应用设计了一套油液原子发射光谱现场快速检测系统产品，阐述了本研究方法和技术创新改进的具体内容和应用。实现的产品系统涵盖多项功能，已在多型飞机上进行了对比试用，能有效监控航空发动机、传动系统等关键部件的健康状态，成为现代基于健康管理的航空保障的重要手段。

关键词：飞机发动机油料；原子发射光谱；预知性健康管理；航空保障

中图分类号: V241.7       文献标识码: A          国家标准学科分类代码: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

使用油液监测技术作为预防性维修和设备诊断的手段，起源于20世纪40年代初。有关资料早的记载是1941年，美国西部铁路公司开始探讨使用原子发射光谱仪，通过分析内燃机用油中金属元素浓度的变化，判断柴油机磨损发生的过程和工作状态及导致发动机产生故障的原因，对预报发动机零件失效起了重要的作用。

20世纪80年代以来，随着对系统油液污染和摩擦学的深入研究，油液监控技术的开发和应用研究13趋活跃。美国Spectro公司在上世纪80年推出移动式的油料光谱仪，美迅速将其用于海湾战争，对飞机坦克等进行现场检测。美军的航母上平时都装备有油料光谱仪，对机械设备不断监测，确保了这些装备的安全和战斗力，取得了很好的效果。美国贝尔德公司(Baird)则推出轻便式MOA原子发射光谱仪，用于分析油液中金属元素含量，监测机械设备运行状态。在国外，基于油液监控的故障诊断技术已经普及到航空、航天、铁路运输和国防等各个领域。

飞机因机械原因发生的重大事故中，大约40%由发动机故障所致，而其中由磨损引起的失效占80%以上。现代化航空产品尤其是飞机发动机等重点部件向着复杂化、集成化和智能化发展，与之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多参数的预知性健康管理要求。运用滑油原子发射光谱技术监控航空发动机潜在磨损故障已经取得了显著的效果, 对保证飞行安全的航空保障方面起到了十分重要的作用，但是至今没有针对我国开发的中国*自主技术的国产化仪器产品。

1光谱油料分析原理

典型的原子发射油料光谱仪的工作原理，如图1所示，被分析的油样在激发室的分析间隙中(石墨棒及石墨圆盘电极之间)激发。油样发射的光通过光学纤维，被引到入射狭缝。由狭缝出来的光变为狭窄的带状。光线到达光栅后，被分为各种不同波长的谱线，在聚焦曲面上的出口狭缝分为相应于各个元素的谱线。再利用偏转板的定期往复转动来动态扣除光谱背景。每个狭缝后面设置一个光电倍增管，以便把光能转变为电能。在每次燃烧中将这一电流按准确的时间间隔积分(求和)，这就形成了与光电管接受的光量成正比的电压。通过读出电路此电压转换为数值，所测的结果与计算机中存储的标准曲线数据对比便可算出元素的浓度，后将整个分析结果在计算机屏幕上显示或用打印机打出。

图1原子发射油料光谱仪的工作原理

2 光谱油料分析的航空保障应用

2.1测量磨损金属

航空机械在运行过程中磨损不可避免，尤其是飞机发动机等关键高速重载部件，因此在润滑系统或液压系统中会出现一定数量的磨损金属。但是，如果磨损量的增加超出了通常的速率或出现突然的变化，那就意味着发生了异常的磨损利用光谱仪定期测量从设备中取出的油样，就能获得飞机发动机机械设备工作情况的有关信息，能在光谱仪上监测得到的金属有：Fe、Cu、Ti、Pb、Cr、AI、Ni、Ag、Sn、Mn、Mo等。

2.2判定污染

在发动机油中，Si、B、Na、Cr的出现，往往标志着机器泄漏，油被污染。发动机冷却系统的泄漏可通过检测油中所含冷却水中的防冻剂而判断，通常可测出Na、B、Si等，灰尘脏物或空气滤清器不严密都可测出Si元素。如果出现铬酸盐腐蚀而造成泄漏，可在机油中检出Cr元素。

2.3 检测润滑油中添加剂的损耗

现代机器所使用的润滑油通常需要加入各种添加剂以获得所需性能，如减摩、抗磨、抗氧、抗泡、防锈、防腐等。由于高温、滤清和泄漏，所含添加剂会逐渐耗损，如通过测定P、Zn、Ca、Ba等元素便可预测该油是否需要补充添加剂或更换新油 通过光谱仪 的分析，使我们可以迅速掌握这方面信息。

2.4 故障诊断

(1)监测设备运转情况，正确规定报废标准．从而延长航空装备寿命。

(2)判定跑合效果，合理确定磨合规范。

(3)正确规定机油、液压油的换油期限，实现智能航空保障。

(4)评价结构改进，选择油品。

(5)形成完整的监测系统，提高航空保障的经济效益和整体管理水平。

3关键指标和关键技术问题

原子发射油料光谱分析技术产品，是可用于润滑油、燃料油成分分析和燃气轮机油的杂质分析而设计的一种发射光谱仪。理论上适用于任何封闭式循环润滑系统，例如燃气轮机、柴油机、汽油机、变速箱、齿轮箱、压缩机水压系统中的润滑油液。它非常适合用于定量分析存在于小悬浮微粒中或溶解于天然或合成石油产品中的元素。产品可以将0.1到5微米的金属颗粒全部蒸发分析，而更大的金属颗粒部分蒸发分析。

3.1 详细关键技术指标

原子发射油料光谱仪，快速分析30秒多30种元素含量，检测限1ppm，其元素检测范围如下图2所示。其重复性精度，一般参考ASTM-D6595如下图3所示。

图2原子发射油料光谱指标元素检测范围             

、、、

图3原子发射油料光谱指标元素精度指标要求

3.2主要关键技术问题

国外的原子发射油料光谱仪，几十年在便携现场航空保障的使用中，发现仍存在一些技术问题需要解决适应，主要体现在如下一些方面。

(1) 磨粒检测误差

国外现有的原子发射光谱仪，由于激发温度只能达到3000℃，油液中固体金属颗粒无法全部激发燃烧，与金属颗粒尺寸有关。大颗粒不能*融化，测量误差较大。该技术适用于检测油液中尺寸小于10μm 的磨屑。这主要是由于采用激发打火电压22kV，激发电压175V的激发参数，导致25微米尺寸金属颗粒，激发百分比不到50%。

(2).多种类油液适应性不好

不同种类油液粘度不同，在电极上的携带厚度不同，影响光谱检测精度，激发过程中对油液加热，油液自动粘度变化，携带的油液数量也不同。不同粘度5~320cst油液影响精度和同一种油液的精度波动3%。

(3) 重量尺寸过大

主要体现在光学系统尺寸过大，重量大，难以实现便携式户外现场使用，当前国外产品尺寸946167cm，重90kg。

3.3 关键问题技术改进

针对当前便携现场航空保障的使用存在的问题，实现了对应的改进办法。

(1) 磨粒检测误差

电子点火电路，采用多级倍压变压器。实施方式采用多级自耦合电压器等方案，可以采用2~4级电压倍增。具体实施选择了3级电压加倍。变压器耦合材料采用高导磁效率材料，可以采用铁镍合金、坡莫合金、仙台斯特合金等高导磁材料。具体实施，采用非晶纳米晶材料。点火电路采用参数自适应优化，可以使用变频、PWM等方式实现。具体实施采用PWM方式，PWM范围10%~90%。

(2).多种类油液适应性不好

增加C和H两种参比元素通道，可以确认燃烧油液的速度。可以采用分时参比，也可以采用实时参比。具体实施方式采用独立实时采样参比光学通道。 增加电机旋转速度补偿控制模块，补偿油液燃烧速度变化。可以采用直流调速电机、交流调速电机等方式实现。具体实施采用24V直流调速电机，调速范围为每分0.5转到每分钟20转。

(3) 重量尺寸过大

减小光学系统尺寸，增加局部光学选择元件，在小型光学分光系统上，增加通道选择性。可以选择增加镀膜元件，狭缝光学元件，柱面聚光透镜等元件。具体实施采用，带镀膜的狭缝，镀膜光谱选择性2nm，狭缝尺寸20微米。采用阵列CCD元件代替光电倍增管，增加检测抗噪声能力。可以选择各种4~16个CCD阵列。具体实施为采用了16个CCD阵列，200nm-850nm波长范围，每个阵列上1000个有效点。采用超低温电子制冷技术使CCD工作在零下40度，提高检测分辨率，可以采用液氮电子制冷等方法。具体实施为采用3级连接，波尔贴效应电子制冷片，制冷功率100W，温度恒定精度0.1摄氏度。

4 产品实现和测试比对

根据新技术进行开发，实现了新型*自主核心技术的便携式原子发射油料光谱仪，40Kv高压打火激励电压，激发电压380V，25微米尺寸金属颗粒，激发百分达到>99%。不同粘度5~320cst油液影响精度和同一种油液的精度波动<0.5%，精度大幅度提高。尺寸约706060cm，重60kg，可以实现便携式现场检测。具体产品及界面和典型技术参数如下图4，图5所示，产品使用过程中有第三方参与的比对测试结果都一致性较好，具体见表1。

图4 原子发射油料光谱产品和典型界面

图5 原子发射油料光谱产品典型指标

表1. 典型用户引入第三方进行比对测试的数据

5 总结语

总之，现代化航空产品尤其是飞机发动机等重点部件向着复杂化、集成化和智能化发展，与之相匹配的航空保障要求也提出了基于油液等多参数的预知性健康管理要求。本文介绍了了航空发动机健康监控保障为目的进行原子发射光谱现场检测的技术原理及磨粒检测误差、多种类油液适应性不好和重量尺寸过大等需要解决的关键技术，针对性地提出了技术改进并结合实际应用设计了一套油液原子发射光谱现场快速检测系统产品。实现的产品系统涵盖多项功能，已在多型飞机上进行了对比试用，能有效监控航空发动机、传动系统等关键部件的健康状态，成为现代基于健康管理的航空保障的重要手段。

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