Определение предотказовых состояний силовых установок воздушных судов при анализе накопления частиц изнашивания в авиационном масле

Последние годы поставили перед диагностикой авиационных двигателей (АД) новые, трудновыполнимые традиционными методами задачи. С одной стороны, общее старение парка эксплуатируемых двигателей делает важной задачу контроля авиадвигателей по фактическому техническому состоянию. С другой стороны, общая экономическая ситуация в гражданской авиации (ГА) ограничивает привлечение значительных дополнительных средств и кардинального обновления диагностического оборудования. Особенную актуальность приобретают, таким образом, разработки, позволяющие существенно повысить эффективность средств диагностики АД, уже применяющихся в ГА.

Все это в полной мере относится к области диагностики АД по содержанию продуктов изнашивания в работавшем маслетрибодиагностике. Работавшее масло имеет особое значение для диагностики АД, так как омывает наиболее ответственные узлы трения (подшипники, шлицевые и зубчатые соединения). В начале аварийного изнашивания какой либо из омываемых маслом трущихся пар металлические частицы попадают в масляную систему, где накапливается интегральная информация о состоянии всех омываемых узлов. В дальнейшем процесс аномального изнашивания приводит к изменению геометрических размеров разрушающейся пары, повышению уровня вибрации, выходу параметров двигателя за пределы нормативных значений. Но до этого информация о состоянии узлов трения АД уже содержится в авиамасле [1,20,21,22,23,25,26,27,29,30,33,34,37,43,49].

В последнее время проблеме протекания процессов изнашивания были посвящены ряд публикаций. Среди них можно отметить публикации таких ученых, как — А. Ф. Аксенов, И. А. Биргер, М. Д. Безбородько, Т. М. Башта, Г. И. Ермаков, Г. С. Кривошеин, В. И. Люлько, В. Н. Лозовский, Л. П. Лозицкий, В. А. Пивоваров, В. И. Ямпольский и др.

Проблеме трибодиагностики авиационных двигателей (АД) были посвящены ряд публикаций Государственного научно — исследовательского института гражданской авиации, а также ряд научных сборников Московского государственного университета гражданской авиации [25,26,27,41,43,44].

К числу новых, прогрессивных методов трибодиагностики АД можно отнести методы феррографического анализа работавшего масла, активно разрабатываемые в лабораториях диагностики АД. (Приложение 1).

Эти методы позволяют осуществлять эффективный контроль АД в области малых концентраций, а так же параллельно оценивать как интенсивность изнашивания, так и характер частиц износа.

Одной из последних разработок в этой области является разработанный в НИИ Прикладной физики, г. Иркутск, сцинтилляционный спектрометр, основанный на принципе последовательной подачи исследуемого масла в зону контроля, что теоретически позволяет обеспечить определение состава каждой из содержащихся в масле частиц износа. При эффективной работе данного метода имеется перспективная возможность перейти к определению адресности отказавшего элемента конструкции АД. (Приложение 2).

К числу новых методов, позволяющих осуществлять непрерывный контроль содержания частиц изнашивания в работавшем масле, можно отнести метод автоматизированного контроля частиц износа (АКЧ). Преобразователь этого типа, разработанный в Центральном институте авиационного моторостроения им П. И. Баранова, позволяет осуществлять мониторинг частиц износа непосредственно в процессе эксплуатации АД [59].

В настоящее время в Центральном аэро-гидро институте им. Н. Е. Жуковского проводятся исследования по повышению достоверности контроля масла путем индивидуальной установки предельных значений для каждого АД в зависимости от характера протекания процессов изнашивания. Этот метод не предусматривает каких-либо фиксированных значений концентраций примесей, устанавливаемых для двигателей данного типа, что позволяет контролировать продукты изнашивания АД с учетом доливаемого масла.

Одним из эффективных методов повышения достоверности трибодиагностики АД является привлечение аппарата математического моделирования для оценки характера протекания изнашивания.

К числу прогрессивных методов, позволяющих определять начало процесса аномального износа на его ранних стадиях, можно отнести метод контроля оптической плотности работавшего масла. Изучению влияния продуктов разрушения омываемых маслом узлов на оптическую плотность масла были посвящены исследования, проводившиеся группой специалистов МГТУ ГА под руководством д.т.н., профессора В. А. Пивоварова [43].

В настоящее время контроль АД типа ДЗ 0 по содержанию продуктов изнашивания в работавших маслах осуществляется в соответствии с бюллетенями № 1326-БД-Г и 384-БД-Г (Приложение 3). Эти бюллетени предусматривают оценку состояния АД по достижению фиксированного значения удельной концентрации контролируемых металлов. Так, при достижении удельной концентрации железа 2.0 г/т двигатели Д30-КУ (КП) ставятся на особый контроль, при достижении 8.0 г/т двигатели снимаются с эксплуатации.

Диагностика по достижению предельных значений подразумевает, что объем масла в масляной системе АД является величиной постоянной, а увеличение интенсивности изнашивания какой либо из трущихся пар приводит к адекватному увеличению удельных концентраций металлов, составляющих частицы износа.

Таким образом, имеют место следующие проблемы.

1. Масляная система АД накапливает частицы изнашивания, при этом удельная концентрация частиц изнашивания имеет устойчивый рост.

2. Если рассмотреть опыт зарубежных программ трибодиагностики АД (Приложение 4), то видно, что помимо значений концентраций, полученных несколькими независимыми методами, в них осуществляется точный учет доливаемого масла, а также контроль еще более чем десятка различных параметров работавшего масла. В совокупности с низкими нормами расхода масла это позволяет строить трендовые графики удельных концентраций для каждого металла, строить доверительные границы и прогнозировать наработку, при которой удельная концентрация металла выйдет за их пределы.

Так, при исследовании данных о концентрациях металлов в масле более чем у 70 двигателей было выявлено, что при стабильном протекании процессов изнашивания в АД практически неизменной величиной является коэффициент взаимной корреляции значений удельных концентраций входящих в состав АД металлов. При изменении скорости изнашивания в какой-либо трущейся паре происходит резкое изменение коэффициентов взаимной корреляции исследуемых металлов.

В настоящее время разработанная в ВЦ ГосНИИ FA «Аэросервис» программа диагностики остаточной работоспособности «ИЗНОС-1−3» [42] предоставляет возможность оценки характера процессов изнашивания, протекающих в АД. Программа «ИЗНОС-1-З» способна обрабатывать данные как по удельным концентрациям измеряемых элементов, так и по интенсивностям их спектральных линий, что позволяет на ранней стадии определять характер протекания процесса изнашивания, а так же элементы, в наибольшей мере обуславливающие это изменение (Приложение 5).

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы заключается в управлении техническим состоянием АД на основе наблюдения процессов накопления частиц изнашивания в авиационном масле.

Главными задачами исследования являлись:

• исследование морфологических признаков износа протекающих в.

АД;

• исследование оборудования, применяемого для трибомониторинга АД на предриятиях ГА;

• формирование одномерной оптимальной модели управления техническим состоянием АД на основе наблюдения процессов изнашивания;

• построение метода для определения оптимальной величины упреждающего допуска контролируемого параметра.

Методы исследования.

Объектом исследования является процесс диагностирования узлов трения АД по накоплению продуктов изнашивания в масле. Методы исследования связаны с использованием теории вероятностей, математической статистики, теории управляемых случайных процессов и моделей математического программирования.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в том, что ней первые решены задачи по оптимальном управлению техническим состоянием АД на основе наблюдения процесса изнашивания, с целью определения его предотказовых состояний и предупреждения выходов из строя в процессе эксплуатации, для чего были построены кривые оптимальных упреждающих допусков для параметров пакопления частиц изнашивания в авиационном масле. При полученном управлении обеспечиваются минимальные средние затраты на техническое обслуживание АД и существенно повышается безопасность полетов.

Практическая значимость.

Практическая значимость диссертации состоит в том, что предложенные в ней решения позволят существенно повысить надежность АДдостоверность их контроля и диагностирования.

Реализация и внедрения результатов работы.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в ГосНИИ ГА, НПО «Сатурн», а также в учебном процессе в СПБГУ ГА и МГТУ ГА.

Положения, выносимые на защиту.

1. Исследование морфологических признаков износа в АД.

2. Исследование оборудования применяемого для трибомониторинга.

АД.

3. Формирование одномерной оптимальной модели управления техническим состоянием АД на основе наблюдения процессов изнашивания.

4. Построение метода для определения оптимальной величины упреждающего допуска контролируемого параметра.

Апробация результатов работы.

Основные положения работы и результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на Пятой Международной научно-технической конференции в 2004 году «Чкаловские чтения», на семинарах секции «Проблемы воздушного транспорта России» РАН, а также на научно-технических семинарах МГТУ ГА. По теме диссертации автор имеет 5 печатных работ.

Структура м объем диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, приложений.

Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 8 иллюстраций, 21 таблицу и 53 библиографических названия.

В первой главе даются общие характеристики изнашивания пар трения в АД, исследованы морфологические признаки износа и существующие подходы в области трибодиагностики. Проведен анализ оборудования, применяемого при трибомониторинге АД на предприятиях ГА.

Во второй главе рассмотрены одномерные случайные процессы в моделях исследования процессов изнашивания и оптимального управления техническим состоянием АД.

В третьей главе представлена многомерная оптимальная модель управления техническим состоянием АД, на основе наблюдения процессов изнашивания. Рассмотрена задача управления случайным векторным процессом со многими зависимыми составляющими.

Четвертая глава посвящена определению оптимального правила выполнения работ при диагностике узлов трения АД по концентрации примесей в масле.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. В настоящее время в мировой практике гражданской авиации трибодиагностике АД уделяется все возрастающее внимание: совершенствуются технические средства измерения, создаются новые научные подходы к определению адресности отказавшего элемента конструкции АД, внедряются новые методы, позволяющие осуществлять непрерывный контроль содержания частиц изнашивания в работавшем масле. В диссертации обобщается опыт трибодиагностики отечественных АД и предлагаются новые научные подходы к анализу диагностической информации.

2. В работе рассмотрены морфологические признаки износа и исследован характер трибологических процессов, протекающих в АД.

3. Исследованы возможности применяемого в ГА оборудования, адекватно оценивать характер процесса изнашивания АД в области низких удельных концентраций продуктов износа в авиационном масле.

4. Обосновывается применение для управления техническим состоянием АД одномерной оптимальной модели на основе наблюдения параметров процесса изнашивания.

5. Предложена модель определения оптимального правила выполнения работ при трибодиагностике узлов трения АД.

6. В диссертации сформулированы технические предложения по повышению эффективности эксплуатации АД, включающие в себя: рекомендации по управлению техническим состоянием АД на основе наблюдения параметров процесса изнашиваниякривые оптимальных упреждающих допусков, позволяющие принимать решение о дальнейшей эксплуатации АДстатистический анализ данных, полученных при измерении удельных концентраций продуктов изнашиванияпредложения по повышению надежности АД (по отношению к трибодиагностике) реализованы в ГосНИИ ГА и организациях промышленности.

7. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при организации технического обслуживания и ремонта других энергетических установок в промышленности и на транспорте. т.