СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК G01N15/00 

Предполагаемое изобретение относится к способам определения технического состояния двигателей, машин и механизмов но характеристикам металлических частиц износа, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях.

Известны различные способы определения технического состояния двигателей по отдельным характеристикам: концентрации микропримесей металлов в смазочном масле, топливе и специальных жидкостях; индексу износа; по числу износных частиц; их форме /1/.

Известен способ диагностики двигателей по спектральному определению концентрации металлов в работающих авиамаслах /2/, включающий отбор пробы масла из маслосистемы двигателя и подготовку ее к анализу, подготовку стандартных образцов, построение градуировочной характеристики по стандартным образцам, анализ проб масла. При этом проводят интегральные измерения сигнала за экспозицию, рассчитывают средние арифметические значения результатов измерений отдельно по каждому из определяемых элементов, по градуировочным графикам среднеарифметические величины результатов измерений переводят в концентрации соответствующих элементов и по величине полученных концентраций судят о состоянии двигателя.

Ближайшим аналогом является способ диагностики состояния двигателей по определению микропримесей металлов в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях /3/, включающий введение предварительно подготовленной пробы масла, взятой с задней коробки приводов двигателя, в спектральный источник света со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой частицы анализируемой примеси. Пробу вводят в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон циклонного типа, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, каждый из которых настроен на аналитическую линию излучения одного металла, преобразуют оптические сигналы в электрические импульсы, измеряют их. Дополнительно подготовленную пробу растворяют в органическом растворителе, определяют количество частиц в исходной и растворенной пробах, по соотношению их количества определяют коэффициент, оценивающий качество работающего масла, при этом средний размер частиц оценивают по распределению частиц, полученному при анализе растворенной пробы. С учетом количества частиц микропримесей, элементного состава частиц определяют уровень износа отдельных узлов машин и механизмов, осуществляя поузловую диагностику двигателей.

Недостатком прототипа и других вышеуказанных способов определения состояния двигателей является то, что эти способы определения технического состояния двигателей в качестве носителя диагностической информации используют отработанное масло. Двигатели оснащены маслофильтрами, которые очищают масло, задерживая информативные частицы износа, поэтому в масле при нормальном износе концентрации элементов и количество простых и сложных частиц крайне малы. Малое количество частиц на ранней стадии развития дефекта не позволяет статистически достоверно оценить его характер и принадлежность к какому-нибудь узлу.

Задачей данного изобретения является создание способа, позволяющего с достаточной достоверностью оценить техническое состояние узлов и агрегатов двигателя за счет использования пробы, имеющей большую информативность по сравнению с отработанным маслом.

Поставленная задача решается тем, что способ диагностики состояния двигателей включает проведение анализа, при котором предварительно подготовленную пробу вводят в спектральный источник света со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой встречающейся в пробе частицы, при этом вводят пробу в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, каждый из которых настроен на аналитическую линию излучения своего химического элемента, преобразуют оптические сигналы в электрические, измеряют их, определяют по величине импульсных и равновесного сигналов и градуировочным характеристикам содержание элементов, находящихся в пробе отдельно в виде металлических частиц и в виде раствора, а для частиц, импульсные сигналы от которых зарегистрированы по двум и более каналам, определяют их элементный состав, полученные результаты используют для оценки состояния двигателя и его узлов.

Новым в заявляемом способе является то, что пробы смывов берут с основного маслофильтра и сигнализирующей вставки, проводят анализ смывов, получают информацию о размере частиц и их составе, на основе этих данных выводят производные опорные диагностические параметры, рассчитывают рейтинг частиц износа в виде количества частиц определенного сорта, приходящихся на 1000 частиц износа, сравнивают рейтинг опорных диагностических параметров анализируемого двигателя с эталонным и с учетом его сравнения делают заключение о состоянии исследуемого двигателя.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно подготавливают пробы. Для этого берут пробы смывов с основного маслофильтра МФС-30 и сигнализирующей вставки ЦВС-30. Масляный фильтр накапливает информацию о процессах, происходящих в двигателе в промежутке времени между техническими обслуживаниями. На масляном фильтре частицы износа накапливаются за этот промежуток времени, поэтому смыв с фильтра содержит значительно большее число частиц, что позволяет заметить развитие дефекта с момента его возникновения.

Смыв производят в нефрас С-50/170. Поскольку плотность и вязкость нефраса значительно меньше, чем масла МС-8п, то с целью наибольшего времени сохранения частиц во взвешенном состоянии нефрас заменяют на масло МС-8п. Для этого после отстаивания в течение нескольких часов нефрас осторожно сливают до появления мутного осадка, после чего в емкость с износными частицами доливают небольшое количество масла МС-8п. Количество масла вводят с таким расчетом, чтобы выполнялся принцип сцинтилляции - износные частицы должны входить в плазменную горелку последовательно по одной. Далее емкость с маслом подвергают ультразвуковой обработке, отбирают аналитическую навеску объемом 1 мл и анализируют на сцинтилляционном спектрометре.

Замена нефраса на масло в данном случае необходима еще и для соблюдения идентичности состава анализируемой пробы и эталонов. В качестве эталонов для градуирования спектрометра использовались образцы, приготовленные на основе износных частиц и масла МС-8п.

Предварительно подготовленную пробу с помощью ультразвукового распылителя превращают в мелкодисперсный 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 СВЧ-плазмотрона циклонного типа, температура которой составляет около 5200 К.

При попадании частицы в плазму она нагревается, испаряется и полученный атомный пар возбуждается, т.е. происходит вспышка (сцинтилляция) частицы. Скорость поступления анализируемой пробы выбрана из расчета, чтобы частицы металла микропримеси поступали в плазму последовательно друг за другом. Каждый канал настроен на регистрацию вспышек линий заданного элемента.

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.

По специальным градуировочным характеристикам ЭВМ определяет концентрацию металла в частицах износа и концентрацию растворенного металла.

Импульсы по соответствующей градуировочной зависимости пересчитывают в массу частицы, а для совпадающих по стехиомегрическому их соотношению судят о типе материала, из которого состоят частицы.

Сравнительный предварительный анализ результатов, полученный для смывов с МФС-30 и ЦВС-30, показал, что смыв с МФС-30, как правило, несет больше информации по составу износных частиц.

Анализ смывов с фильтров позволяет напрямую использовать информацию о размере частиц и их составе. На основе этих данных выводят производные опорные диагностические параметры и устанавливают их корреляцию с состоянием двигателя. К таким параметрам относятся:

1. М - средняя масса частиц износа различных элементов примеси (усл. ед.);

2. V_o6щ - отношение общего количества сложных частиц износа (состоящих из нескольких элементов) к общему количеству простых частиц износа (состоящих из одного элемента);

3. v_{элемент} - отношение количества сложных частиц износа к количеству простых частиц износа для каждого элемента;

4. R_общ - вклад общего количества частиц износа, содержащих определяемый элемент, в общее количество частиц износа (рейтинг частиц износа по элементам);

5. R_{простых} - вклад количества простых частиц износа определенного элемента в общее количество частиц износа (рейтинг простых частиц износа по элементам);

6. R_G - вклад количества сложных частиц износа определенного состава в общее количество частиц износа (рейтинг сложных частиц износа определенного состава (например Fe-Cu))

7. G - количество различных составов сложных частиц

Выбранные параметры характеризуют следующее.

Ранее, при анализе масла, было замечено, что при нормальном типе изнашивания двигателя в масло сначала поступают простые частицы основных металлов (Fe, Cu, Al, Mg), по мере увеличения износа появляются частицы типа Fe-Cr, Fe-Ni, Al-Mg, Fe-Cr-Ni и т.д. Поэтому отношение количества сложных частиц к количеству простых частиц износа V_oбщ является индикатором общего технического состояния двигателя - чем меньше данный параметр, тем лучше состояние трущихся поверхностей деталей двигателя и, наоборот, увеличение данного параметра свидетельствовало о повышенном износе деталей двигателя. Используя дополнительный параметр V_{элемент}, можно более детально определить тип элемента, ответственного за повышение V_общ, и тем самым обратить внимание на сложные частицы, содержащие данный элемент. Это, в конечном счете, позволит более точно определить изношенный агрегат двигателя.

При выборе диагностических параметров используют рейтинговый подход. Иными словами, рейтинг частиц износа рассчитывают в виде количества частиц определенного сорта, приходящихся на 1000 частиц износа. Тем самым устраняется влияние времени накопления частиц на фильтре, степени разбавления пробы и т.д.

Очевидно, что погрешность рейтинга будет тем ниже, чем больше зарегистрировано частиц износа. В пробах масла двигателей, характеризующихся нормальным износом, количество частиц не очень велико, порядка нескольких сотен, и погрешность определения рейтинга будет велика. В то время, как в смывах масляных фильтров количество частиц износа достаточно большое, чтобы погрешность определения рейтинга была минимальна. Опорные значения рейтинга частиц износа, полученные из смывов двигателей, характеризующихся нормальным износом, позволяют получить статическую картину износа. При сравнении рейтинга анализируемого двигателя с эталонным следует обращать внимание как на увеличение рейтинга, так и на уменьшение. Это связано с тем, что незначительное повышение рейтинга многих элементов может быть не замечено (т.к. будет укладываться в погрешность измерений), но это обязательно приведет к падению рейтинга какого-то определенного элемента. Таким образом, значительное падение рейтинга определенного элемента будет косвенно свидетельствовать об увеличении рейтинга других элементов.

Для построения модели эталонного двигателя необходимы усредненные результаты опорных параметров большого числа двигателей, гарантированно характеризующихся нормальным типом изнашивания.

При проведении анализа минимально регистрируемое общее число частиц должно составлять порядка 6000. Только при таком значении общего числа частиц возможно статистически достоверное обнаружение "тревожных" параметров частиц. Особенно необходимо учитывать этот вывод при диагностировании авиадвигателей по результатам анализа проб масла.

Пример

Для составления модели эталонного двигателя использовалось девять двигателей Д-30КП-2. Шесть двигателей были выбраны из числа ремонтных двигателей, поступивших на завод по выработке ресурса, и три двигателя, эксплуатирующиеся в авиакомпании "Байкал". Двигатели отбирались по принципу минимального количества сложных частиц (V_общ<0.5). По нашим представлениям значение - V_o6щ>0,5 свидетельствовало об изношенности и такие двигатели в эталонную выборку не попали. Диагностические параметры такого двигателя показаны в таблице 1.

Два двигателя №385-045 и №490-044 (порядковые номера в каталоге №1 и №2), техническое состояние которых по данным сцинтилляционных измерений находится на различных полюсах изношенности.

Оба двигателя досрочно сняты с эксплуатации по завышенным показаниям ИВУ-1М. Наработка двигателей составила 962 и 1148 часа соответственно, двигатели ремонтов не имели.

Выше отмечалось, что индикатором общего технического состояния двигателей являются параметры и G - количество различных сплавов сложных частиц.

Сравнивая полученные значения для двигателей №1 и №2 с эталонным двигателем (таблица 2), видно, что по параметрам V_общ и G двигатель №2 значительно выходит за пределы эталонного двигателя, в то время как параметры двигателя №1 не превысили его значений. Уже на этом этапе исследования можно сделать вывод, что двигатель №2 характеризуется значительно большей изношенностью, чем двигатель №1.

Оценку технического состояния опор валов и коробок приводов обоих двигателей производили следующим образом.

Известно, что для изготовления опор валов используются сплавы на основе железа типа Fe-W-Cr-V-Ni и Fe-Cr-Ni, оба типа подшипников имеют бронзовые сепараторы с нанесенным на них свинцово-оловянно-серебряным покрытием. Поэтому при оценке беговых дорожек подшипников валов и их сепараторов необходимо обращать внимание прежде всего на частицы Fe, Cr, Ni, Cu, Ag и особенно ванадия, а также на частицы типа Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-V (сплавные частицы), Fe-Cu-Ag, Cu-Ag (задирные частицы).

Сравнение полученных результатов с эталонным показывает значительное различие в состоянии опор валов для двигателей №1 и №2. Так, в двигателе №1 полностью отсутствуют сплавные частицы с ванадием, другие параметры по ванадию значительно меньше эталонных. Значимое превышение наблюдается только по Cu-Ag частицам и параметрам R_прост и R_G для частиц серебра. Отсутствие в двигателе №1 частиц типа Fe-Cr-Ni-V, небольшое значение параметра R_G для частиц Fe-Cr-Ni, малое значение параметра для задирных частиц Fe-Cu-Ag позволяет предположить отсутствие либо малый износ беговых дорожек межвального подшипника, опор ТВД и КВД. Превышение по Cu-Ag объясняется начавшимся износом сепаратора (сепараторов) одного или нескольких подшипников. Некоторое превышение по Ni и Сr параметров V_{элементов} и М объясняется недостаточной представительностью выборки при построении модели эталонного двигателя.

Противоположная картина наблюдается для двигателя №2. Наличие сплавных частиц Fe-Cr-Ni-V, превышение параметров по задирным частицам Fe-Cu-Ag, Cu-Ag, а также превышение по параметрам V_{элсмент}, М, R_пpocт, R_общ свидетельствуют о значительной изношенности либо выходе из строя межвального роликоподшипника.

Значение R_G по Fe-Cr-Ni для двигателя №2 меньше, чем для эталонного. Поэтому с большой долей уверенности можно исключить значительный износ его подшипников КВД, состав которых представлен сплавом Fe-Cr-Ni.

В коробках приводов подшипники представлены сплавом Fe-Cr-Ni с бронзовыми сепараторами без серебрянного покрытия. В большом количестве присутствуют сплавы на основе Аl и Mg.

Кроме частиц сплава Fe-Cr-Ni и задирных частиц Fe-Cu, в коробке приводов возможно появление следующих частиц: Mg-Cu, Mg-Fe, Al-Mg, Al-Mg-Fe, Al-Mg-Fe-Cu. Рейтинги указанных частиц в сравнении с эталоном приведены в таблице 4.

Сравнительный предварительный анализ результатов, полученный для смывов с МФС-30 и ЦВС-30, показал, что смыв с МФС-30, как правило, несет больше информации по составу износных частиц.

Из таблицы 4 видно, что значения параметра R_G износных частиц для каждого из двигателей не превышают эталонные. Поэтому, если состав износных частиц, характеризующих состояние коробок приводов, оценен правильно, то следует признать коробки приводов исправными для обоих двигателей.

Общий вывод следующий. Несмотря на то, что оба двигателя досрочно сняты с эксплуатации по ИВУ-1М, результаты сцинтилляционных измерений показывают разительное их различие по техническому состоянию. Так, двигатель №385-045 по большинству параметров не уступает, а по некоторым и превосходит эталонный двигатель. Вероятнее всего двигатель был снят с эксплуатации необоснованно, дефект по результатам сцинтилляционного анализа не подтверждается, в то время как в двигателе №490-044 имеется значительный износ межвального роликоподшипника либо подшипника опоры ТВД.

Источники информации

1. Первая международная конференция “Энергодиагностика.” Сб. трудов. М. 1995 г. т.3, стр. 120-152.

2. Аттестат методики измерения концентрации продуктов изнашивания на установках типа МФС при диагностике авиадвигателей. М., ГосНИИ ГА, 1993 г., с.6.

3. Заявка РФ№98104910, G 01 N 21/73, 2000 г. (прототип).

Изобретение относится к способам определения технического состояния двигателей, машин и механизмов по характеристикам металлических частиц износа, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях. Способ заключается в следующем. Берут пробы смывов с основного маслофильтра, например, МФС-30 и сигнализирующей вставки ЦВС-30, вводят пробу в виде аэрозоля в спектральный источник света со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой встречающейся в пробе частицы, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, преобразуют оптические сигналы в электрические, измеряют их, получают информацию о размере частиц и их составе, определяют их элементный состав, полученные результаты используют для оценки состояния двигателя и его узлов, на основе этих данных выводят производные опорные диагностические параметры, рассчитывают рейтинг частиц износа в виде количества частиц определенного сорта, приходящихся на 1000 частиц износа, сравнивают рейтинг опорных диагностических параметров анализируемого двигателя с эталонным и с учетом сравнения делают заключение о состоянии исследуемого двигателя. Изобретение позволяет повысить достоверность способа. 4 табл.

Способ диагностики состояния двигателей путем проведения анализа, при котором предварительно подготовленную пробу вводят в спектральный источник света со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой встречающейся в пробе частицы, при этом вводят пробу в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, каждый из которых настроен на аналитическую линию излучения своего химического элемента, преобразуют оптические сигналы в электрические, измеряют их, определяют по величине импульсных и равновесного сигналов и градуировочным характеристикам содержание элементов, находящихся в пробе отдельно в виде металлических частиц и в виде раствора, а для частиц, импульсные сигналы от которых зарегистрированы по двум и более каналам, определяют их элементный состав, полученные результаты используют для оценки состояния двигателя и его узлов, отличающийся тем, что для анализа используют пробы в виде смывов с основного маслофильтра и сигнализирующей вставки, в результате анализа получают информацию о размере частиц и их составе, на основе данных анализа выводят производные опорные диагностические параметры, рассчитывают рейтинг частиц износа в виде количества частиц определенного сорта, приходящихся на 1000 частиц износа, сравнивают рейтинг опорных диагностических параметров анализируемого двигателя с эталонным и с учетом его сравнения делают заключение о состоянии исследуемого двигателя.