Способ оценки технического состояния подшипников трансмиссии авиационных двигателей

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано для оценки технического состояния двигателей, машин и механизмов по виброизмерениям и по характеристикам металлических частиц износа, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях. Способ включает ударно- импульсный контроль, при котором датчик для регистрации вибрации с помощью штанги устанавливают внутрь вала турбины низкого давления в зоне узла межвального подшипника на неработающем двигателе, измеряют в процессе свободного вращения ротора среднее значение амплитуд вибросигналов, сравнивают их с пороговым допустимым уровнем, с помощью сцинтилляционного анализа определяют уровень параметров частиц износа в масле и(или) в смыве с маслофильтра исследуемого двигателя, по которому оценивают состав изнашиваемого сплава, и при наличии частиц износа в масле, относящихся к разным подшипникам, по превышению уровня параметров частиц износа и уровню вибрации оценивают техническое состояние того или иного подшипника трансмиссии. Техническим результатом является раздельная оценка технического состояния подшипника турбины высокого давления и межвального подшипника. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано для оценки технического состояния двигателей, машин и механизмов по виброизмерениям и по характеристикам металлических частиц износа, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях, в частности к раздельной оценке технического состояния роликоподшипников турбины высокого давления (ТВД) и межвального (МВП).

Известен способ диагностики технического состояния механизмов [1] по вибрационным параметрам, заключающийся в том, что на одном узле механизма устанавливают акселерометры в трех стандартных направлениях, регистрируют выходные сигналы и обрабатывают их, используя взаимный спектральный и корреляционный анализы, для обработки сигналов используют математический аппарат функции когерентности, выявляют конкретный дефект по распределению уровней когерентных кратных гармонических составляющих спектра.

Известен способ вибродиагностики технического состояния механизмов [2], заключающийся в том, что по периодически наблюдаемым выборкам вибросигнала, генерируемого работающим механизмом, измеряют в последовательные моменты времени текущие значения вектора вибропараметров механизма, измеряют для каждого спектра мощности соответствующую интегральную интенсивность его информативных составляющих, по полученной последовательности этих величин строят аппроксимирующую функцию, по которой оценивают техническое состояние механизма в текущий момент и прогнозируют его на будущие моменты. В качестве вектора вибропараметров механизма выбирают вектор коэффициентов линейной авторегрессии М-порядка, генерируемого механизмом вибросигнала.

Известен способ диагностики [3], основанный на виброакустическом методе выявления повреждений подшипников трансмиссии. В штатной системе виброконтроля вибродатчики устанавливаются на разделительном корпусе и на кронштейне задней подвески двигателя, при этом вибрация от дефектного подшипника ТВД ослабляется упруго-демпферной опорой, поэтому вибрация на корпусах в районе установки датчиков возрастает только при значительном повреждении подшипника ТВД.

Ближайшим аналогом является способ оценки технического состояния подшипников трансмиссии, включающий распознавание ранних стадий проявления дефекта межвального роликоподшипника ударно-импульсным контролем с помощью прибора ИВУ-1М [4]. Метод заключается в установке датчика АНС-014-02 с помощью штанги внутрь вала турбины низкого давления (HД) в зоне узла межвального подшипника на неработающем двигателе. Ротор КВД вращают от ручки с помощью ключа от запасного привода задней коробки приводов с частотой 100..120 об/мин при зафиксированном в одном из 6 положений ротора КНД. Измеряя в процессе свободного вращения ротора КВД (со снятой ручкой привода) среднее значение амплитуд вибросигналов, сравнивают их с пороговым допустимым уровнем.

Метод ударно-импульсного контроля, как и приборы, использующие его, имеют ряд недостатков, которые и определяют процент достоверности диагноза, выдаваемого этим прибором. При импульсно-ударном методе возможно наличие высокого уровня вибрации, не связанное с наличием дефектов узлов и деталей, омываемых маслом, в том числе и подшипников трансмиссии.

Известно, что из-за несовершенства аппаратуры по показаниям приборов для измерения вибрации снимается до 15% двигателей, в которых заявленный эксплуатантом дефект не подтвердился при заводских исследованиях двигателя. Т.е. бывают случаи и довольно часто, когда импульсно-вибрационный контроль показывает наличие высокого уровня вибрации, не связанной с дефектом МВП.

Задачей предлагаемого изобретения является создание комплексного метода диагностирования подшипников трансмиссии с раздельной оценкой технического состояния подшипника ТВД и МВП.

Поставленная задача достигается тем, что в способе оценки технического состояния подшипников трансмиссии авиационного двигателя, включающем ударно-импульсный контроль, при котором датчик для регистрации вибрации с помощью штанги устанавливают внутрь вала турбины низкого давления в зоне узла межвального подшипника на неработающем двигателе, измеряют в процессе свободного вращения ротора среднее значение амплитуд вибросигналов, сравнивают их с пороговым допустимым уровнем.

Новым в заявляемом способе является то, что дополнительно с помощью сцинтилляционного анализа определяют уровень параметров частиц износа в масле и(или) в смыве с маслофильтра исследуемого двигателя, по которому оценивают состав изнашиваемого сплава, и при наличии частиц износа в масле, относящихся к подшипникам, по уровню частиц износа и уровню вибрации оценивают техническое состояние того или иного подшипника трансмиссии.

Способ осуществляется следующим образом:

С помощью сцинтилляционного метода определяют уровень параметров частиц износа в масле и(или) в смыве с маслофильтра исследуемого двигателя и по статистической модели исправного двигателя оценивается техническое состояние подшипников трансмиссии [5].

Пробу исследуемой жидкости, взятую из двигателя, предварительно подготавливают путем разбавления, если это необходимо. Затем "озвучивают" ультразвуком для приведения находящихся в ней металлических частиц износа во взвешенное состояние. Предварительно подготовленную пробу с помощью распылителя превращают в мелкодисперный золь. Распылитель работает в таком режиме, что частицы поступают в плазму последовательно по одной. Полученный золь, состоящий из капель жидкости и частиц металлов, потоком транспортирующего газа непрерывно вдувается в плазму газового разряда (источник возбуждения спектров).

При попадании частицы в плазму она нагревается, испаряется, и полученный атомный пар возбуждается и высвечивается, т.е. происходит вспышка (сцинтилляция) частицы. Скорость поступления анализируемой пробы выбрана из расчета, чтобы частицы металла микропримеси поступали в плазму последовательно друг за другом. Вероятность наложения (слияния) облаков атомного пара различных частиц очень невелика.

Излучение атомного пара с помощью конденсора поступает на спектральный прибор. Разложенное в спектр излучение полихроматором регистрируется на выходе фотоумножителями.

Длительность импульсов излучения частиц пропорциональна времени нахождения их в плазме и составляет 1-10 мс, а амплитуда либо площадь импульса - испарившейся массе частицы. Поэтому на выходе фотоумножителей присутствуют последовательности импульсов различных амплитуд и длительностей. Электрические импульсы с фотоумножителей поступают на аналого-цифровой преобразователь и обрабатываются ЭВМ.

Аналогично поступают с образцами сравнения и эталонными образцами. Образцы сравнения, приготовленные на основе натуральных частиц износа и аттестованные по содержанию химических элементов, используют для получения градуировочных характеристик, по которым ЭВМ определяет концентрацию элементов в частицах износа и концентрацию растворенных элементов.

Для получения градуировочных характеристик, по которым определяют количество элементов в частицах износа и концентрацию растворенных металлов, используют образцы сравнения, приготовленные на основе натуральных частиц износа и аттестованные по содержанию химических элементов. Превышение количества частиц и содержания меди и серебра в масле и сложных частиц типа Cu-Ag, Fe-Ag связывают с сепараторами, а Cr-Fe, Me-V - с телами качения и обоймами подшипников трансмиссионной чести двигателя.

На практике согласно эксплуатационным документам уровень вибрации при показании прибора ИВУ-1М свыше 200 мВ считается завышенным, и двигатель ставится на особый контроль, при 300 мВ его снимают с крыла. Уровень параметров частиц износа в пробе масла (смыва) оценивают путем их сравнения со статистической моделью параметров исправного эталонного двигателя, построенной заранее по результатам сцинтилляционного анализа большого числа заведомо исправных, находящихся на крыле двигателей. При этом учитывается тип двигателя и его наработка после последнего ремонта (ППР).

При диагностике подшипников трансмиссии двигателя комплексным методом возможны четыре варианта:

1 - параметры частиц износа и уровень вибрации превышают допустимые нормы - имеет развитие дефекта межвального роликоподшипника;

2 - параметры частиц износа превышают допустимый уровень, а вибрация в пределах нормы - дефект подшипника ТВД;

3 - параметры частиц в пределах нормы, а уровень вибрации превышает допустимый предел - вибрация не связана с дефектом узлов, омываемых маслом;

4 - параметры частиц износа и уровень вибрации в норме - техническое состояние омываемых маслом узлов двигателя в пределах нормы.

Если выявлены признаки наличия дефекта подшипников трансмиссии, по показаниям прибора ИВУ-1М смотрится уровень вибрации. При одних и тех же параметрах частиц изнашивания высокий уровень вибрации (выше допустимой нормы) связывается с наличием дефекта межвального роликоподшипника, а низкий уровень вибрации - имеет место дефект подшипника ТВД.

Пример практического применения.

Известно, что для изготовления опор валов используются сплавы на основе железа, типа Fe-W-Cr-V-Ni и Fe-Cr-Ni, оба типа подшипников (ТВД и МВП) имеют один состав сплава стали, из которой изготовлены тела качения и обоймы подшипников, а также бронзовые сепараторы с нанесенным на них свинцово-оловянно-серебряным покрытием. Поэтому при оценке беговых дорожек подшипников валов и их сепараторов обращается внимание прежде всего на частицы Fe, Cr, Ni, Cu, Ag и особенно ванадия, а также на частицы Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-V (сплавные частицы), Fe-Cu-Ag, Cu-Ag (задирные частицы).

Наличие сплавных частиц Fe-Cr-Ni-V, превышение параметров по задирным частицам Fe-Cu-Ag, Cu-Ag, а также превышение рейтингов (количество частиц определенного состава, нормированных на 1000 частиц всех составов в 1 мл смыва с маслофильтра) свидетельствуют о значительной изношенности либо выходе из строя подшипников трансмиссии.

В таблице приведены результаты комплексной оценки (сцинтилляционный метод + метод ударно-импульсного контроля) двигателей Д-30КП/КУ/КУ-154.

Номер дв-ля	Дефект, заявленный эксплуатантом.	Заключение комплексной оценки	Заключение заводской комиссии.
00-035	Повышенная вибрация ИВУ-1М 340мВ	Дефект межвального подшипника.	Износ МВП.
00-036	Превышение вибрации по ИВУ-1М 360 мВ	Износ сепараторов и беговых дорожек межвального подшипника	Усталостное выкрашивание МВП.
00-037	Завышенное показание (по ИВУ-1М 380 мВ)	Значительная изношенность либо выход из строя межвального подшипника	Люфт МВП
00-010	Загорание табло “Стружка в масле”. Уровень вибрации в норме (ИВУ-1М - 120 мВ).	Дефект подшипника ТВД.	Выкрашивание на наружной обойме, скол борта р/п ТВД.
00-019	Загорание табло “Стружка в масле”. Уровень вибрации в норме (ИВУ-1М <100 мВ).	Дефект подшипника ТВД.	Разрушение р/подшипника 1-ой турбины.
00-032	Вибрация до 300 мВ по ИВУ-1М. Поставлен на особый контроль	Техническое состояние омываемых маслом узлов двигателя в пределах нормы	Продолжает эксплуатацию, вибрация в норме, двигатель снят с особого контроля

Как видно из таблицы, на практике встречаются все приведенные выше варианты проявления дефектов: так техническое состояние двигателей №№35, 36, 37 соответствует первому варианту - дефект локализован в МВП, двигателей №№10 и 19 - второму варианту - дефект подшипника ТВД, двигателя №32 - третьему, когда вибрация не была связана с омываемыми маслом деталями. При дальнейшей эксплуатации двигателя уровень вибрации снизился до приемлемых значений.

Предлагаемый комплексный способ оценки технического состояния подшипников трансмиссии авиационных двигателей позволяет с достаточной достоверностью оценить техническое состояние подшипников трансмиссии и значительно упростить раздельную диагностику подшипников.

Источники информации

1. Заявка №99120470, G 01 M 7/02, G 01 H 17/00, 2000 г.

2. Заявка №93032657, G 01 M 7/00, 1995 г.

3. Двигатель ПС-90А. Анализ статистики и диагностических признаков дефектов роликоподшипника ТВД. Техническая справка №34676.

4. Бюллетень №527-БУ-Г. Изделие. Двигатели Д-30КП, Д-30КП-2 по вопросу Периодической проверки состояния межвального подшипника методом вибродиагностики. Введен в действие с 20.04.90 ГУ ТЭРАТ МГА (прототип).

5. Заявка №99109741, G 01 N 21/00, 2001 г.

Способ оценки технического состояния подшипников трансмиссии авиационных двигателей, включающий ударно-импульсный контроль, при котором датчик для регистрации вибрации с помощью штанги устанавливают внутрь вала турбины низкого давления в зоне узла межвального подшипника на неработающем двигателе, измеряют в процессе свободного вращения ротора среднее значение амплитуд вибросигналов, сравнивают их с пороговым допустимым уровнем, отличающийся тем, что дополнительно с помощью сцинтилляционного анализа определяют уровень параметров частиц износа в масле и в смыве с маслофильтра исследуемого двигателя, по которому оценивают состав изнашиваемого сплава, и при наличии частиц износа в масле, относящихся к разным подшипникам, по превышению уровня параметров частиц износа и уровню вибрации оценивают техническое состояние того или иного подшипника трансмиссии.