Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ эффективности применяемых методов диагностирования авиадвигателей 14
1.1. Обзор наиболее распространенных современных методов диагностирования авиационных ГТД по результатам анализов проб масел 14
1.1.1. Феррографический метод анализа масел 14
1.1.2. Сцинтилляционный метод анализа масел 15
1.1.3. Спектральные методы анализа масел
1.1.3.1. Атомно-эмиссионные спектральные методы 17
1.1.3.2. Атомно-абсорбционные спектрометры 19
1.1.3.3. Рентгенофлуоресцентные спектральные методы 20
1.2. Анализ эффективности применения и достоверности методов раннего диагностирования ГТД по анализам проб масел 22
1.2.1. Диагностирование двигателей Rolls-Royce по анализам проб масел 25
1.2.2. Диагностирование двигателей Pratt&Whitney по анализам проб масел .26
1.2.3. Диагностирование двигателей General Electric по анализам проб масел .28
1.2.4. Диагностирование двигателей ПС-90А по анализам проб масел 30
1.3. Влияние отбора проб масел на диагностирование деталей, узлов и агрегатов 31
1.4. Теоретическое обоснование основных параметров методик отбора проб из авиадвигателей для анализа масел на содержание механических частиц 47
Выводы по главе i 54
ГЛАВА II. Оценка достоверности анализов проб масел для диагностирования авиационных двигателей с использованием современного оборудования 55
2.1.1. Краткое описание основного оборудования 55
2.1.2. Автоматизированный диагностический комплекс (АДК) «призма»
2.1.3. Четырехшариковая машина трения (ЧМТ-1) 58
2.1.4. Гранулометрический анализатор ГРАН 152-1 63
2.2. Оценка достоверности анализов проб масел на установке адк «призма» 67
Выводы по главе ii 71
ГЛАВА III. Разработка методики диагностирования современных авиационных двигателей ренггенофлуоресцентным способом 73
3.1. Построение методики диагностирования двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ 154 и ПС-90А по результатам измерения параметров частиц изнашивания в пробах масел рентгенофлуоресцентным способом на установке АДК «Призма»,
проверка соответствия полученных пороговых значений с нормативными 73
3.2. Формирование выборки 77
3.3. Исследование распределений результатов анализов 80
3.4. Определение законов распределения содержание частиц изнашивания
3.5. Статистическая модель эталонных исправных двигателей Д30, построенная по пробам масел 85
3.6. Статистическая модель эталонных исправных двигателей ПС-90А, построенная по пробам масел 87
3.7. Выводы по созданию методики диагностирования 90
3.8. Проверка соответствия полученных пороговых значений с нормативными 91
ГЛАВА IV. Разработка способа отбора проб масла для повышения эффективности диагностирования авиационных двигателей 93
4.1. Моделирование процесса изнашивания, оценка возможности диагностирования состояния узла трения по анализам содержания металлов в масле 93
4.1.1. Моделирование процесса изнашивания, оценка возможности диагностирования состояния узла трения по анализам содержания металлов в масле при полном вымывании частиц изнашивания 94
4.1.2. Моделирование процесса изнашивания, оценка возможности диагностирования состояния узла трения по анализам содержания металлов в масле при верхнем отборе проб 103
4.1.3. Моделирование процесса изнашивания, оценка возможности диагностирования состояния узла трения по анализам содержания металлов в масле при нижнем отборе проб 107
4.1.4. Выводы по проведенным испытаниям 113
4.2. Оценка гранулометрического состава проб масел в модельном узле трения 114
4.2.1. Исследование гранулометрического состава проб масел при полном вымывании частиц из узла трения 115
4.2.2. Исследование гранулометрического состава проб масел при верхнем отборе пробы из узла трения 117
4.2.3. Исследование гранулометрический состава проб масел при нижнем отборе пробы из узла трения 120
4.2.4. Рекомендации по совершенствованию существующих методик отбора проб из маслосистемы авиационных двигателей и способ отбора проб масла для повышения эффективности их диагностирования 123
Выводы по главе IV 128
Заключение 129
Сокращения и обозначения 131
Список литературы 132
- Феррографический метод анализа масел
- Четырехшариковая машина трения (ЧМТ-1)
- Исследование распределений результатов анализов
- Моделирование процесса изнашивания, оценка возможности диагностирования состояния узла трения по анализам содержания металлов в масле при полном вымывании частиц изнашивания
Феррографический метод анализа масел
Феррография - метод магнитного осаждения металлических частиц изнашивания из проб смазочного масла. Он заключается в осаждении частиц изнашивания из пробы масла в магнитном поле на поверхности стеклянной пластины с последующим их анализом на микроскопе. Частицы с одинаковыми магнитными свойствами осаждаются на пластину в соответствии с их размером: сначала крупные, затем более мелкие. Частицы одинакового размера, но с различными магнитными свойствами осаждаются в соответствии с их магнитной проницаемостью. Метод позволяет определить вид изнашивания, интенсивность и режимы трения и смазки по форме частиц, состоянию их поверхности, распределению размеров частиц, материалам отдельных частиц и наличию посторонних примесей [20].
Совокупность этих параметров позволяет идентифицировать вид изнашивания, определить место возможного отказа и оценить степень опасности дефекта. Например, для частиц задира характерны борозды в направлении движения. В случае образования на поверхностях трения усталостных микротрещин при качении в масле появляются сферические частицы. При усталостном выкрашивании образуются хлопьевидные частицы, обычно, на их поверхности имеется множество микроязвин, при коррозионном износе в пробе масла появляется множество частиц размером до 2 мкм, при микрорезании образуются частицы в виде стружки и т. д. [20]
Метод феррографии используется не только при исследовании ферромагнитных частиц изнашивания, но и частиц из немагнитных материалов. Слабомагнитные и немагнитные материалы, такие как алюминий, бронза, латунь, графит, полимерные частицы и т. д., также будут осаждаться на феррограмме, т. к. содержат микровключения магнитных материалов, наличие которых обусловлено технологическими процессами и процессами трения и изнашивания [14].
Сцинтилляционный метод измерения энергетического спектра основан на анализе световых вспышек (сцинтилляций), которые возникают при взаимодействии излучения с веществом детектора. Предварительно отобранную и подготовленную пробу масла объемом 1 мл с помощью ультразвукового распылителя превращают в мелкодисперсный золь. Полученный золь, состоящий из капель жидкости и частиц металлов, потоком транспортирующего газа непрерывно в течение 10 мин вдувается в источник возбуждения спектров - воздушную плазму газового разряда СВЧ плазмотрона циклонного типа, температура которой составляет около 5 200 К.
Металлическая частица, попавшая в плазму, нагревается, испаряется, и полученный атомный пар возбуждается, т. е. происходит вспышка (сцинтилляция) частицы. Скорость поступления анализируемой пробы выбрана такой, чтобы частицы металла микропримеси поступали в плазму последовательно по одной.
Излучение атомного пара с помощью конденсора поступает на спектральный прибор - полихроматор. Разложенное в спектр излучение регистрируется фотоумножителями.
Длительность импульса излучения частицы пропорциональна времени нахождения ее в плазме и составляет 1-10 мс. Поэтому на выходе фотоумножителей образуется последовательность импульсов различных длительностей и амплитуд. Электрические импульсы с фотоумножителей поступают на аналогово-цифровой преобразователь и обрабатываются компьютером. В случае одновременного присутствия в пробе растворенного металла и металла в виде износных частиц на выходе фотоумножителей присутствуют непрерывный (фоновый) сигнал, соответствующий растворенному металлу, и импульсный, - соответствующий частицам изнашивания.
По специальным градуировочным графикам импульсный сигнал пересчитывается в элементную концентрацию частиц изнашивания, непрерывный - в концентрацию растворенного элемента. Число вспышек (зарегистрированных импульсов) пропорционально числу частиц.
В случае если в масле присутствуют одновременно сложные частицы металла, состоящие из нескольких элементов (например, легированная сталь Fe-Mn), и простые, где каждая частица представлена одним элементом, то компьютер сортирует импульсы излучения по одновременности их появления.
Совпадение по времени двух и более импульсов излучения указывает на наличие сложной частицы и, соответственно, на ее состав и тип сплава. Регистрирующая аппаратура настраивается для регистрации только тех импульсов, амплитуда которых превышает некоторый заданный уровень. Число зарегистрированных импульсов пропорционально количеству частиц, введенных в источник возбуждения спектров, а суммарная величина импульсов - содержанию металлической примеси в пробе. Материалом сцинтилляционного детектора в гамма-спектрометрии чаще всего являются кристаллы йодистого натрия, активированного таллием - NaI (Tl), йодистого цезия, активированного таллием -CsI (Тl), а также пластические сцинтилляторы.
Четырехшариковая машина трения (ЧМТ-1)
Процедура отбора проб из двигателей эксплуатирующими организациями имеет рекомендательный характер в отличие от четко регламентированного отбора проб при контроле качества нефтепродуктов при приёме, выдаче и т. д. Отбор проб определяет всю последующую экспертизу. Обычно (предусмотрено большинством бюллетеней для ГТД), отбор проб производят не позднее 30 мин после останова двигателя из возможных точек слива для конкретного двигателя. Для большинства двигателей – это сливные краны масла из масляной системы в отдельных нижних точках.
Есть другие варианты отбора проб из авиационных ГТД. В [45] для двигателей РД-33 рекомендуется следующий способ отбора пробы: отбор проб масла производится из маслобака не позже 5 мин после останова двигателя с помощью заборного устройства, представляющего собой шприц с фторопластовой трубкой. Устройство помещается в маслобак на глубину 250 мм и производится отбор пробы в количестве 70 мл. После масло сливается из фторопластовой трубки в емкость для отбираемой пробы.
Данный отбор пробы критикуется с точек зрения слишком малого количества отбираемой пробы и потерей диагностической информации при использовании дополнительных устройств, в которых удерживаются частицы.
Также вызывает сомнения тот факт, что в ряде бюллетеней регламентируются ПДК только для двух металлов – Cu и Fe, хотя другие металлы однозначно могут выступать индикаторами повышенного изнашивания деталей и узлов ГТД и практически всегда обнаруживаются в пробах.
Более того, в бюллетене [46] указывается следующий момент: при превышении значений ПДК, двигатель ставится на особый контроль, но если в трех последних пробах масла с двигателей, находящихся на «особом контроле», не обнаружено повышенного содержания железа и меди, «особый контроль» отменяется. Данный момент не может не вызывать сомнений в работоспособности методов раннего диагностирования по данным методикам.
В [45] устанавливаются ПДК для 9-ти металлов, что актуально. Однако в опытно-конструкторской работе для того же двигателя [13] определены другие значения ПДК для Fe и Cu. Причем последние определялись стандартными статистическими методами по результатам исследования 86 проб масла, из которых в выборку попали всего 78. При этом закон распределения металлов в пробах принимается нормальным без проверки.
Интересными и перспективными представляются работы по созданию диагностической программы для двигателя семейства ПС-90. В двигателе установлены 7 КЭ. Установка КЭ производится после каждой из опор двигателя таким образом, чтобы частицы изнашивания максимально концентрировались на КЭ, соответствующем данной опоре. При обнаружении частиц на определенном КЭ, определяется марка сплава частиц и адресно указываются возможные источники разрушения. Т. е. отбор проб из двигателя заменен анализом частиц с этих КЭ, что может привести к значительному повышению достоверности диагностирования данных двигателей по результатам анализов частиц, находящихся на этих КЭ. Весь диагностический цикл реализован в виде удобной и понятной компьютерной программы. На данный момент программа находится в стадии отладки, хотя принято решение [47] и для эксплуатации уже выпущен необязательный бюллетень [48].
Также представляется перспективным исследование функционирования системы непрерывного контроля частиц изнашивания в маслосистеме авиационных двигателей. Система трибодиагностики MetalSCAN установлена с тремя канадскими одноименными датчиками непрерывной регистрации частиц изнашивания в магистралях откачки масла опытного двигателя ПД-14: от роликоподшипника ТВД, в объединенной магистрали откачки от опор компрессора и центрального привода и в общей магистрали слива масла. Информация от датчиков передается в блок преобразования и затем в цифровом виде поступает для отображения и регистрации в компьютер АРМ «Диагноста». Информация от системы MetalSCAN в числе прочих результатов испытаний размещается на сервере и доступна специалистам для просмотра со своих рабочих мест [49].
Данная система подключена параллельно с сигнализаторами стружки, что позволяет не только изучать свойства стружки, но и отслеживать динамику образования частиц. После завершения циклов работы газогенератора выполняются осмотр КЭ маслосистемы (магнитных сигнализаторов стружки, вставки фильтра-сигнализатора), сравнение количества, размера и вида частиц, зафиксированных системой MetalSCAN, с частицами, обнаруженными на контрольных элементах. Система позволяет дифференцировать выявленные частицы изнашивания не только по размеру, но и по магнитным свойствам.
Некоторые ограниченные данные показывают сходимость информации, полученной от системы MetalSCAN, с данными осмотра частиц изнашивания и их анализа на лабораторных спектрометрах.
По результатам продолжающихся стендовых испытаний будет принято решение о целесообразности включения системы MetalSCAN в штатную компоновку перспективного двигателя [49]. Точных данных об эффективности работы данной системы пока нет.
Показательны примеры некоторых производителей других отраслей, которые начинают относиться к процедурам отбора проб более внимательно и дают более подробные описания и рекомендации [39, 50-52].
«Для получения достоверных результатов необходим правильно отобранный представительный образец масла. Таким условиям удовлетворяет образец, отобранный из масляной магистрали при температуре, равной или близкой рабочей температуре масла. Пробоотбор может осуществляться тремя способами: - Сливом из масляного картера; - Отбор сверху с помощью шприца; - Отбор снизу сливом через краник.
Взятия пробы из масляного картера (дизельный двигатель) Сливная пробка расположена на днище масляного поддона. Обычно пробоотбор осуществляют в момент слива масла из конкретного двигателя Недостатками взятия пробы из масляного поддона или отстойника является возможное попадание в нее металлических частиц или загрязнений, не имеющих отношения текущему техническому состоянию двигателя.
Исследование распределений результатов анализов
Не смотря на привлекательность подхода, учитывающего индивидуальные особенности двигателя, использование его для оценки технического состояния узлов трения по результатам спектральных измерений затруднено. Виброконтроль двигателя осуществляется непрерывно в течение всего полетного времени в то время, как контроль по результатам анализа масла проводится периодически (через 50 часов). Поэтому за 100 часов наработки по результатам виброконтроля имеется возможность сформировать некий индивидуальный «образ» двигателя, а за те же 100 часов на спектральный анализ поступает в лучшем случае всего две пробы масла, по результатам измерения которых, индивидуальные особенности двигателя не выявятся вследствие фактического отсутствия статистических данных [15].
Погрешность измерения параметров частиц рентгенофлуоресцентным способом определяется, в основном, погрешностью неоднородности, которая в пробах масел исправных двигателей может составлять более 100 %. Снизить такую погрешность возможно стандартным приемом - увеличением числа параллельных измерений. При этом погрешность измерения будет снижаться как . Отсюда видно, что для достижения приемлемой точности при разработке «образа» (статистической модели) исправного двигателя необходимо порядка 100 измерений. При условии отбора проб масел через 50 часов время наработки двигателя составит 5000 часов. Т. е. модель двигателя, учитывающая индивидуальные особенности, статистически будет надежна только к выработке назначенного ресурса двигателя [15].
Также, известно, о существовании трех периодов в работе исправного двигателя, различающихся динамикой изменения параметров частиц изнашивания в маслосистеме двигателя. Сравнительно короткий первый период (0 - 700 часов) характеризуется повышенными параметрами частиц изнашивания за счет приработки двигателя, продолжительный второй - относительно низкими, в последний третий период параметры частиц начинают увеличиваться [12, 15]. Однако реальный анализ проб масла с исправных двигателей и двигателей с разной наработкой СНЭ и ППР показали очень сходные значения, в связи с чем для создания диагностической модели нет смысла их разделять.
Следующим важным моментом при разработке принципов технологии диагностирования являлось решение задачи по установлению допустимых (граничных) значений по параметрам частиц изнашивания, при которых возможна (невозможна) дальнейшая эксплуатация двигателя. Очевидно, что идеальным вариантом решения данной задачи является набор статистических данных как по исправным, так и по предотказным двигателям. Однако набрать статистику в реальные временные сроки по предотказным двигателям с учетом их наработки, типа и вида изнашивания для авиационных ГТД не представляется возможным, но возможно обработать статистику по уже отказавшим двигателям. Поэтому применялся следующий подход [11-13, 15].
Модель формировалась, как указывалось выше, с учетом типа и диапазона наработок исправных двигателей, находящихся в эксплуатации. Исправные двигатели для данного диапазона наработок характеризовались разбросом параметров, образующихся в результате различия износа двигателей, который, в свою очередь, зависел от условий их эксплуатации, качества сплавов, качества изготовления деталей, качества сборки и т. д. Погрешность результатов анализа также вносит свой вклад в значение . Согласно формальному сложению дисперсий: О"2 = износа + Анализа , где а2 - дисперсия распределения параметров для исправных двигателей; износа - дисперсия распределения параметров, образующихся за счет износа двигателя; анализа - дисперсия, характеризующая погрешность анализа. Опыт оценки технического состояния узлов трения авиационных двигателей показал, что точности результатов рентгенофлуоресцентных измерений на АДК «Призма» достаточны для достижения цели, даже если результат измерений взят как среднее из двух параллельных измерений, т. е. всегда износа анализа Учитывая сказанное, можно утверждать, что в диапазон результатов измерений от нуля до верхней границы (х + о) входят (68+—) % всех исправных двигателей. В диапазон до верхней границы (х + 2 а) входят (95 + -) % исправных двигателей, а за диапазоном (х + За) - (99 + —) % - исправные двигатели практически отсутствуют. Граничные значения, устанавливаемые с помощью предложенного подхода, являются до некоторой степени условными, поскольку граница предотказного состояния в общем случае может не совпадать с граничным значением, полученным по исправным двигателям. Поэтому рассчитанные граничные значения по статической модели исправного двигателя должны уточняться по мере накопления статистики дефектных двигателей [15].
Также следует отметить, что разработчиками диагностических методик ранее не уделялось должного исследованию законов распределений результатов измерения содержания частиц изнашивания. От вида закона распределения зависят граничные значения по содержанию частиц изнашивания. Тем не менее, в работе [9] расчет граничных значений по содержанию металлической примеси в пробах масел для двигателей Д-ЗОКП/КУ строго не исследовался и проводился в предположении нормального закона результатов измерений. В аналогичном исследовании для двигателей ПС-90А [11] вопрос нормальности результатов измерений содержания не обсуждался, хотя приведенные гистограммы распределений результатов визуально близки к логнормальным. Т. е. одну и ту же величину (содержание), измеренную на одних и тех же приборах (БАРС, МФС) одни исследователи описывают нормальным законом распределения, другие логнормальным [15].
Моделирование процесса изнашивания, оценка возможности диагностирования состояния узла трения по анализам содержания металлов в масле при полном вымывании частиц изнашивания
Актуально дополнить результаты эксперимента по анализам содержания металлов в отбираемых различными способами пробах масла (п. 4.1) исследованием гранулометрического состава частиц металлов при тех же условиях (п. 4.1): при полном вымывании частиц изнашивания из узла трения; при верхнем отборе пробы масла, при нижнем отборе пробы масла. Гранулометрический анализ проводился на автоматическом приборе ГРАН 152-1.
В данном эксперименте поставлена задача исследовать наиболее полную информацию по гранулометрическому составу частиц изнашивания узла трения, поэтому каждый раз с корпуса для зажима шариков ЧМТ-1 смывались керосином практически все металлические частицы, которыми дополняли слитое из узла трения масло и далее проводили анализ на приборе ГРАН 152-1. После каждого эксперимента зажим промывался керосином, т. е. минимизировалась возможность увеличения содержания от добавления остатков металлов предыдущих испытаний, шарики для испытаний менялись после каждого нагружения.
Полученные результаты показывают, что при полном вымывании частиц изнашивания из узла трения возможно диагностирование его состояния по параметру «количество частиц». При этом, начиная с критической нагрузки (38 кг) количество мелких частиц (5-10 мкм) уменьшается, а количество крупных частиц (более 25 мкм) резко возрастает. Количество частиц размерами 10-25 мкм начинает уменьшается при высоких (закритических) нагрузках. Характер изменения количества частиц более 25 мкм идентичен (рис 4.21).
После десятисекундных нагружений зажим для шариков не разбирается, масло сливается полностью самотеком путём переворачивания зажима. С малой долей погрешности можно считать данный вид отбора пробы идентичным верхнему отбору проб специальными приспособлениями.
В ходе эксперимента для большего разрушения шариков, они ни разу не меняются (в том числе верхний шарик). После каждого испытания масло полностью сливается, заливается свежее, шарики и зажим не промываются, т.е. происходит постоянное накапливание частиц изнашивания. Проба масла разбавляется керосином и в объеме 25 мл анализируется на приборе ГРАН для определения гранулометрического состава частиц изнашивания, попавших в отбираемую пробу.
Слив масла осуществляется через 5-7 секунд после останова двигателя ЧМТ. При сливе зажим находится в перевернутом состоянии 4-5 секунд. Шарики и масло идентичны предыдущим экспериментам.
После последнего нагружения полностью разбирается и промывается зажим, и производится оценка реального содержания металлов. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.6 и на рис. 4.22-4.23. Результаты эксперимента в табл. 4.6 показывают, что если не вымывать частицы изнашивания из зажима, то анализ слива масла сверху на ГРАНе не несет в себе достоверной информации о состоянии узла трения. В табл. 4.6 и на рис. 4.22, 4.23 нет возможности выделить границы, полученные в предыдущем эксперименте (пункт 4.2.1). На рис. 4.22, 4.23 обозначены значения критической нагрузки (получены в экспериментах 4.1.1 и 4.2.1).
Показательны последние две строки табл. 4.6. Видно существенное отличие в анализах масла при нагрузке в 60 кгс и анализе масла после того, как частицы изнашивания были максимально смыты и помещены в пробу.
На рис. 4.22, 4.23 точками показаны настоящие значения количества частиц металлов в конце эксперимента, когда все частицы тщательно смывались с зажима. Видно, что они принципиально отличаются от полученных путем недостоверного (верхнего) отбора проб.
Значения количества частиц при данном виде отбора проб не отличаются при увеличении нагрузок на узел трения и приводят к пропуску дефекта.
Таким образом, верхний отбор проб масел не несет в себе достоверной информации о состоянии узла трения. Данные эксперимента подтверждают результаты исследования п. 4.1.2. отборе пробы из узла трения Содержание эксперимента изложено в п. 4.1, 4.2. Нижний отбор масла в эксперименте осуществляется из специально просверленного отверстия в центре зажима для шариков ЧМТ-1. Отверстие располагается точно в плоскости вертикального сечения верхнего вращающегося шарика. Можно утверждать, что максимальное количество частиц изнашивания будет концентрироваться точно над точкой слива.
После каждого нагружения масло полностью сливается через данную точку слива, разбавляется керосином и в объеме 25 мл анализируется на приборе ГРАН для определения гранулометрического состава частиц изнашивания, попавших в отбираемую пробу.
Результаты эксперимента в табл. 4.7 практически не отличаются от результатов п. 4.2.2 и показывают, что если не вымывать частицы изнашивания из зажима, то анализ проб масел, полученных нижним сливом из зажима, на ГРАНе не несет в себе достоверной информации о состоянии узла трения. В табл. 4.7 и на рис. 4.24, 4.25 нет возможности выделить границы разрушения, полученные в эксперименте п п. 4.2.1. На рис. 4.24, 4.25 обозначены значения критической нагрузки (получены в экспериментах п. 4.1.1 и п. 4.2.1).