Введение к работе
Для обнаружения дефектов в узлах трения авиационных двигателей, находящихся на крыле, по продуктам изнашивания нашли распространение спектральные атомно-эмиссионный и рентгенофлуоресцентный методы анализа. Данная аппаратура позволяет измерять содержание (массовую долю) нескольких элементов металлической примеси в пробе масла.
Несмотря на длительность применения в авиации обсуждаемых методов (более 25 лет) в трибодиагностике авиационных двигателей остаются существенные проблемы. Так, по данным ОАО «НПО «Сатурн» спектральные методы выявляют менее 5% дефектных по маслосистеме двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154 [4]. По данным ОАО «Авиадвигатель» по результатам спектральных и феррографических измерений ни разу не были выявлены на земле дефекты подшипников трансмиссии в двигателях ПС-90А [5].
Удивительным является факт, что, несмотря на большой выбор предлагаемой для диагностики авиационных двигателей аппаратуры (МФС, МО A, Spectroil, ПРИЗМа, БРА, ЕРО-78, ОМ-1, Laser-Net и др.), ни один из разработчиков аппаратуры не показал диагностических преимуществ своей модели на каком-либо типе двигателей. Эксплуатанту рекламируются только метрологические возможности разработанных спектрометров. Основным способом диагностики узлов трения авиадвигателей остается визуальный контроль наличия стружки (частиц износа) на контрольных элементах (КЭ) -магнитных пробках (МП), магнитных сигнализаторах стружки (МСС), фильтрах-сигнализаторах (ФС) и т.д.
Пути улучшения эффективности диагностирования спектральными методами некоторыми авторами, видятся, прежде всего, в снижении случайной составляющей погрешности измерения содержания металлической примеси в масле. Для этого предлагается использовать стандартный образец (СО) для атомно-эмиссионных спектрометров на основе маслорастворимои металлоорганической примеси (СО фирмы Conostan), для рентгенофлуоресцентной аппаратуры - СО на основе водного раствора ионов металлов, либо чистых металлов [3,5,6] .
Однако, имеющийся к настоящему времени фактический материал позволяет сомневаться в справедливости существующих основополагающих принципов и рекомендаций. Например, в необходимости совместного использования традиционной рентгеноспектральной аппаратуры и феррографического анализа, принципа идентичности разноразмерных фракций, улучшения качества диагностики за счет повышения точности измерения относительного содержания металла. Поэтому проблема разработки метода диагностирования узлов трения, омываемых маслом в авиационных двигателях, который отвечает современным требованиям и позволяет сократить необоснованный съем двигателей, улучшить их ремонтопригодность, проводить поузловое диагностирование, поддерживать высокий уровень безопасности полетов, перейти на эксплуатацию двигателей по состоянию представляется актуальной.
Цель работы
Разработка метода диагностирования узлов трения, омываемых смазочным маслом авиационных двигателей, по результатам измерения параметров частиц износа в пробах масел сцинтилляционным способом.
В работе не рассматриваются вопросы улучшения эффективности диагностирования в ГА за счет повышения компетентности персонала диагностических лабораторий, правильности реализации методик, технического состояния приборного парка и т.д., т.е. все те вопросы, которые связаны с обеспечением единства измерений. Вопросы улучшения эффективности диагностирования через обеспечение единства измерений являются предметом отдельного обсуждения. В данной работе рассматриваются только влияния некоторых физических факторов (размеров частиц, пределов обнаружения и т.д.) на правильность измерения содержания металлов в масле, затрагиваются вопросы необходимости и достаточности параметра «содержание» на правильность принятия диагностического решения. Поставленные задачи
1 Разработка способа градуирования сцинтилляционного спектрометра по равновесному и импульсному сигналам.
2 Определение наиболее важных диагностических признаков, характеризующих как техническое состояние двигателя в целом, так и отдельных его узлов по результатам измерения параметров частиц износа в пробах масел.
3 Создание статистической модели исправного эталонного двигателя по параметрам частиц износа в пробах масел.
4 Разработка принципов принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации двигателей.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов обеспечивалась корректностью статистической обработки информации, полученной о параметрах частиц износа. Кроме того, достоверность диагностирования оценивалась путем сравнения результатов сцинтилляционного диагностирования с результатами заводских исследований двигателей, поступивших в ремонт.
Научная новизна результатов
1 Впервые разработан способ раздельного измерения содержания элементов в растворенной форме и форме частиц износа.
2 Найдены новые диагностические параметры для оценки технического состояния двигателя по характеристикам частиц износа в пробах масел.
3 Создана статистическая модель эталонного исправного двигателя с учетом его типа и наработки по результатам анализа проб масел.
4 Разработаны принципы принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации двигателя. 5 Разработана методика поузловой диагностики двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154 (подшипники коробок приводов, шлицевые соединения, МНО-30Кит.д.).
Практическая значимость:
- разработаны новые подходы в технологии диагностирования двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154 по параметрам частиц износа в пробах масел;
- повышена достоверность оценки технического состояния маслосистемы авиационных двигателей за счет использования новых диагностических признаков;
- внедрены в отрасль нормативно-методические документы, позволившие получать значительный экономический эффект, как заводу-изготовителю двигателей, так и эксплуатантам;
- разработанные подходы диагностирования могут применяться не только для оценки технического состояния узлов трения, омываемых маслом двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154, но и других их систем - насосов-регуляторов, газовоздушного тракта и т.д.
- результаты проведенных исследований используются в учебном процессе Иркутского колледжа ГА, а также могут использоваться в других среднетехнических и высших учебных заведениях ГА.
На защиту выносятся
1 Способ измерения содержания металлической примеси независимо от формы нахождения в пробах масел.
2 Новые диагностические параметры для интегральной и поузловой оценки технического состояния авиадвигателя.
3 Статистическая эталонная модель исправного двигателя по параметрам частиц износа. 4 Принципы принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации двигателя.
Личный вклад автора
Лично автору принадлежит разработка методики интегральной и поузловой оценки технического состояния узлов трения, омываемых маслом двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154, принципов принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации двигателей, сравнительные оценки эффективности традиционных спектральных методов, используемых в ГА и сцинтилляционного способа измерения параметров частиц износа. Автор принимал участие в разработке статистической эталонной модели исправного двигателя по параметрам частиц износа.
Апробация работы
Результаты работы были доложены на научно-технических конференциях и совещаниях ГосНИИГА (г. Москва, 06. 2003), ЦИАМ (г. Москва, 03.2005), Международная ярмарка аналитического оборудования (г. Москва, 04.2003), Межгосударственном авиационном комитете (г. Москва, 09.2005).
Внедрение в эксплуатацию
Согласно бюллетеням № № 1756-БЭ-Г, 1772-БЭ-Г, 1786-БЭ-Г, 1807-БЭ-Г, 1827-БЭ-Г по двигателям Д-ЗОКП/КУ/КУ-154, находящимся в эксплуатации и имеющим признаки дефектов маслосистемы (повышенная и опасная вибрация в полете, показания ИВУ-1М, повышенное содержание металлов в масле, стружка на контрольных элементах и т.д.), окончательное решение о возможности продолжения эксплуатации принималось по результатам сцинтилляционных измерений. В результате, за счет сокращения числа необоснованных съемов двигателей и своевременной замены в условиях эксплуатации дефектных агрегатов ОАО «НПО «Сатурн» получен экономический эффект более 16 млн. рублей. Остановимся на кратком содержании диссертации.
В первой главе обсуждается проблема оценки технического состояния узлов трения, омываемых смазочным маслом авиационных двигателей с использованием спектральных методов анализа.
Глава содержит обзор публикаций, а также оригинальный материал и посвящена выяснению причин низкой точности измерения содержания металлов традиционными спектральными методами. На экспериментальном и теоретическом материале, полученном разными авторами демонстрируется, что основной вклад в погрешность измерения содержания металлов вносят влияния, связанные с изменением вида распределения частиц по размерам с развитием дефекта. Стремление разработчиков новой аппаратуры и методик любой ценой снизить случайную составляющую погрешности при измерении содержания металлической примеси в пробах масел, в частности, за счет внедрения единого стандартного образца, не могут привести к увеличению эффективности диагностирования. Поскольку использование данного стандартного образца не устраняет влияния, связанные с изменением вида распределения частиц по размерам. Главным при внедрении новых средств трибодиагностики должна являться их методическая обоснованность, гарантирующая конечную цель -наибольшую эффективность при оценке технического состояния двигателей.
Во второй главе рассмотрена математическая модель накопления частиц износа в смазочном масле. Показано, что параметр «содержание» является величиной переменной во времени, по которой сложно судить о техническом состоянии двигателя. Полученные выводы подтверждаются статистическими результатами КОИН ОАО «НПО «Сатурн» за период 2000-2005г.г. Оказалось, что до 95% неисправностей обнаруживается при срабатывании табло «Стружка в масле», либо при обнаружении стружки на контрольных элементах при проведении технического обслуживания на земле. По результатам спектральных измерений выявляется не более 5% неисправных двигателей, и поэтому параметр «содержание» является, возможно, необходимым, но недостаточным для адекватной оценки технического состояния двигателя.
Микрорентгеноспектральным способом (микрорентгеноспектральный анализатор «Camebax-SX-50») исследованы параметры частиц износа, находящиеся в маслосистеме двигателя. Показано, что собственно металлических частиц в пробе масла исправного двигателя содержится не более 30%. Остальные 70% приходятся на частицы содержащие кремний и кальций, которые, вероятнее всего, попадают в смазочное масло через лабиринтные уплотнения.
Обнаружено, что элементный состав частиц износа может не соответствовать составу сплава, от которого они отделились. Так, в исправном двигателе, в большом количестве присутствуют частицы «чистого» железа, меди, магния, т.е. элементов основы сплава. Кроме того, при изнашивании, например, стали ШХ-15 (исходный состав Fe-Cr-Ni) в пробе масла могут быть обнаружены частицы, типа Fe, Fe-Cr, Fe-Ni, Cr-Ni.
Проведено исследование размеров металлических частиц износа выделяющихся в маслосистему. В исправном двигателе максимум распределения частиц по размерам приходится на 8 - 12 мкм, однако встречаются частицы размером более 50 мкм. Учитывая, что при атомно-эмиссионных измерениях сигнал пропорционален испарившейся массе, то попадание в аналитическую навеску даже одной частицы размером 50 мкм может существенно исказить результат измерения содержания. Иными словами, при проведении спектрометрических измерений по определению массовой доли элементов необходимо учитывать погрешность, вызванную неоднородным распределением частиц. Следует отметить, что в действующей документации по диагностике этот факт не учитывается. В третьей главе описан принцип действия нового класса спектрального оборудования - атомно-эмиссионного спектрометра для анализа масел, его информационные и метрологические возможности.
Известно, что дуговые источники спектра, применяемые в традиционных атомно-эмиссионных спектрометрах МОА, МФС, Spectroil и др. не обеспечивают полного испарения частиц металлической примеси, встречающихся в пробах масел. Полнота испарения обеспечивается, в лучшем случае, до 10 - 12 мкм. В этой связи были проведены тщательные экспериментальные исследования по полноте вхождения единичных металлических частиц и их испарению в плазменной струе СВЧ-плазмотрона циклонного типа, используемого в сцинтилляционном спектрометре в качестве источника возбуждения спектров. Показано, что при использовании плазмотрона циклонного типа и аналитического параметра «площадь импульса» однозначная зависимость между аналитическим сигналом и размером частицы сохраняется до 55 - 60 мкм.
Проведена оценка характеристик погрешностей измерения содержания (массовой доли), концентрации (количества частиц в единице объема), а также размеров частиц в пробах смазочных масел двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154. При этом оценка погрешности измерения массовой доли проводилась для двух форм нахождения металлической примеси в пробах масел - в форме раствора и частиц износа - для 7 элементов (Al, Cr, Ni, Mg, Fe, Си, Ag).
Установлено, что нижняя граница для растворенных форм металла (величина нижней границы 0,2 г/т) определяется превышением шумов плазмы и аппаратуры над полезным сигналом и для Р = 0,95 соответствует величине погрешности ± А 100%.
Нижняя граница измерения металлических примесей, находящихся в форме частиц определяется только вероятностью попадания частиц в отдельные аналитические навески (величина разовой аналитической навески составляет 1 мл) при параллельных измерениях. Иными словами, погрешность - измерения металлической примеси, находящейся в форме частиц на нижней границе, определяется погрешностью неоднородности пробы и соответствует ± А 300%. Очевидно, что в этом случае погрешность измерения обусловлена не аппаратурными шумами, а отражает реальные различия содержаний частиц в отдельных параллельных аналитических навесках и в случае необходимости может быть снижена стандартным путем - увеличением числа параллельных измерений.
При измерении концентрации частиц в диапазоне 60 - 200 см 3 погрешность измерений не превышает ± А 50%, а погрешность измерения среднего размера частиц для указанного диапазона концентраций составляет ±А = 30%.
Исследована величина погрешности измерения элементного состава сложных частиц, т.е. частиц износа, состоящих из двух и более элементов. Величина погрешности при идентификации сложных частиц зависит от содержания элементов, размеров частиц и условий их испарения. При использовании модели мгновенного испарения частиц и содержания элементов в пробе масла Сі = 10 г/т, Сг = 5 г/т (случай двухкомпонентной частицы) погрешность измерения элементного состава не превышает ± А 1,6 %.
В четвертой главе представлены результаты разработки технологии диагностирования узлов трения, омываемых смазочным маслом с использованием результатов сцинтилляционных измерений.
Показано, что в исправном двигателе параметры частиц характеризуются для большинства элементов чрезвычайно низкими, либо нулевыми значениями. Так, содержание металлов основы сплавов не превышает десятых долей граммов на тонну, число частиц в навеске - нескольких сотен, число частиц легирующих элементов Cr, Ni, V имеют единичные значения, либо эти элементы не обнаруживаются. Число сложных частиц также имеет единичные значения и, как правило, их элементный состав не соответствует составу материала, от которого они отделились.
Выяснено, что обнаружение в пробе масла частиц типа Cu-Ag, Fe-Cu, Fe-Cu-Ag свидетельствует, в первую очередь, о повышенном износе сепараторов подшипников, а также тел качения и беговых дорожек подшипников. С усилением износа, например, подшипников изготовленных из стали ШХ-15 в масло во все большем количестве начинают выделяться частицы типа Fe-Cr, Fe-Ni и частицы полного состава Fe-Cr-Ni.
С учетом вида распределений результатов сцинтилляционных измерений разработана и построена статистическая модель исправного двигателя по параметрам частиц износа. Учет вида распределений при разработке статистической модели необходим для установления корректных граничных значений, при которых возможна эксплуатация двигателя.
Получены результаты, свидетельствующие о высокой способности сцинтилляционного способа к раннему обнаружению дефектных узлов. С использованием результатов заводской разборки двигателей доказано, что в дефектном двигателе параметры частиц износа относительно соответствующих параметров частиц износа исправного двигателя, возрастают на порядки. При этом, радиальный зазор подшипников увеличивался сверх ТУ всего на 0,017-0,038 мм.
Возможность получения по результатам сцинтилляционных измерений информации об элементном составе частиц, и их размерах позволила разработать технологию по выявлению некоторых отдельных дефектных узлов двигателя. Так, стало возможным определение повышенного износа зубчатых колес, подшипников в коробках приводов, подшипников трансмиссии, маслоагрегатов и т.д.
В заключении приводятся общие выводы по работе.
