Техническая диагностика — это направление в науке и технике, представляющее собой процесс определения технического состояния объекта диагностирования с определенной степенью точности. Основной целью технического диагностирования авиационного ГТД является организация процессов оценки его технического состояния.
Диагностика как научное направление формирует идеологию, принципы, способы диагностирования и прогнозирования технического состояния изделий в процессе их испытаний и эксплуатации.
Техническая диагностика решает следующие задачи:
- ¦ создание контролепригодного изделия;
- ¦ разработка систем и средств получения необходимой информации;
- ¦ разработка методов обработки и анализа получаемой информации;
- ¦ обоснование и реализация наиболее рациональных способов регистрации параметров;
- ¦ разработка рекомендаций по использованию результатов контроля и диагностики.
В данной работе рассматриваются методы технического диагностирования авиационной техники.
1. Методы диагностики авиационной техники
1. Методы диагностики АТ и их возможности
В процессе диагностирования авиационной техники при ее эксплуатации по состоянию можно выделить три основных этапа (рис. 1.).
Первый из них — оперативная диагностика, задача которой заключается в определении, можно ли продолжать нормальную эксплуатацию данного объекта АТ («система исправна») или этот объект должен быть подвергнут до очередного полета каким-либо процедурам обслуживания («система не — исправна»).
Рис. 1. Общая схема эксплуатационной диагностики
Такая задача в том или ином объеме для всех наблюдаемых объектов АТ должна решаться, как правило, в конце каждого полетного дня, «на завтра». Оперативность достигается надлежащей организацией потока информации и применением компьютерной техники для ее обработки.
Второй этап — дополнительный диагностический анализ, результатом которого является перечень процедур обслуживания элементов и систем АТ, признанных неисправными, без снятия их с самолета («на крыле»).
Третий этап — выполнение указанных процедур обслуживания, после чего принимается решение о дальнейшей эксплуатации объекта АТ или снятии его с самолета и направлении в ремонт.
В настоящее время широко распространены и значительно развиты методы и средства диагностики, основанные на различных физических принципах, позволяющие охватить контролем наиболее ответственные узлы, агрегаты и системы. В качестве примера остановимся на методах диагностики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) (рис. 2.), являющихся наиболее ответственными объектами АТ. Условно их можно разделить на методы прямых измерений структурных диагностических параметров, определяющих техническое состояние ГТД, и методы безразборной (оперативной) диагностики по косвенным параметрам. В качестве косвенных используют диагностические параметры, содержащие информацию об изменении структурных характеристик состояния двигателя. Эти методы позволяют получить достаточно точные результаты оценки, например, износа отдельных элементов. Однако их применение затруднено низкой технологичностью ГТД и в большинстве случаев вызывает необходимость разборки двигателя. Это снижает достоверность контроля, поскольку состояние любого технического объекта после разборки не адекватно его состоянию до этих процедур. Необходимо отметить также, что в процессе эксплуатации разборка ГТД в большинстве случаев не представляется возможной.
Методы и средства технического диагностирования электронных и ...
... стоимость эксплуатации, повысить ремонтопригодность и контролепригодность объектов транспорта. В процессе диагностирования производится получение информации о техническом ... методы диагностирования гидроприводов. Существующие методы диагностирования гидроприводов одноковшовых экскаваторов и других строительных машин приведены ниже. 1.2.Методы диагностирования гидравлических систем Временной метод. ...
Методы оперативной диагностики по косвенным параметрам лишены перечисленных недостатков, хотя в настоящее время они не всегда позволяют локализовать место дефекта. Использование методов измерений структурных характеристик может оказаться необходимым в случае невозможности применения методов оперативной диагностики или для уточнения результатов контроля.
Рис. 2. Методы и средства диагностики ГТД
К основным из используемых и перспективных методов оперативной диагностики ГТД относят:
- диагностику по результатам анализа термогазодинамических параметров;
- диагностику по тепловым параметрам;
- по виброакустическим параметрам;
- трибодиагностику;
- оптико-визуальную диагностику;
- анализ продуктов сгорания;
- измерение выбега ротора.
Применение каждого из методов осуществляется с помощью диагностического оборудования. Так, например, для анализа состава примесей в масле используют различные по сложности и принципам действия средства — от простейших магнитных пробок, установленных в магистралях маслосистемы двигателя, до сложных спектроанализаторов.
Диагностика неисправностей по тепловым параметрам предусматривает получение информации как от термодатчиков (термопреобразователей), так и от фотоэлектрических пирометров и тепловизоров, в последнее время успешно внедряемых в диагностической практике.
Контроль виброакустических параметров предполагает применение различных типов вибропреобразователей и сигнальной аппаратуры. Разрабатываются методы оценки напряженности конструктивных элементов с помощью голографических установок (создание т.н. «вибропортретов»).
Подчас обнаружение неисправностей упомянутыми методами требует создания достаточно сложного математического аппарата, позволяющего идентифицировать признаки с конкретными дефектами.
Относительное многообразие методов объясняется тем, что ни один из них не позволяет учесть все требования, предъявляемые к формированию диагноза со 100% достоверностью, поскольку они несут специфическую информацию разной ценности.
Ни один из методов не позволяет оценить состояние двигателя с достаточной степенью детализации.
Контрольная работа: Методы и средства контроля давления. Поплавковые ...
... состояние объекта. Результатом контроля является качественная характеристика – суждение, вывод о нахождении объекта контроля в норме или вне нормы. Основной характеристикой процесса контроля является достоверность контроля, ... газа по перепаду давления в сужающем устройстве. Существуют следующие методы измерений: 1) метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют ...
С помощью сочетания ряда методов можно осуществить более глубокий контроль (как правило, на земле), однако это часто требует специальных условий и продолжительного времени.
Итак, для диагностики АТ целесообразно использовать параметры, обладающие максимальной информативностью, дополняющие и уточняющие друг друга.
Таким образом, задача оценки информационного потенциала параметров, используемых для целей диагностики АТ, является на сегодняшний день очень актуальной.
2. Анализ методов технической диагностики авиационной техники
Сравнительный анализ информативности методов диагностики АТ, представленный ниже, основан на общепризнанном подходе, выдвинутом М. Бонгардом о величине функции вероятности приближения к цели («адресу» дефекта) при регистрации значений параметра. Правда, каких-либо количественных характеристик упомянутой функции в этой главе пособия не приводится. Эта взаимосвязь (информативность — метод) подтверждена практикой эксплуатации, где косвенным критерием информативности служит безошибочность диагноза при проявлении признака, регистрируемого данным методом.
2.1 Тепловые методы и их эффективность
Одними из наиболее информативных методов оценки состояния АТ являются методы контроля тепловых параметров. В настоящее время их использование в полете ограничивается контролем температуры в различных точках, например проточной части двигателя, и сравнением ее с допустимыми значениями. Большее развитие тепловые методы нашли при стендовых испытаниях ГТД. Основным достоинством их является возможность получения информации без существенной разборки авиадвигателя. При термометрировании рабочих лопаток турбины на них устанавливают термопары и общий токосъемник. Это влечет за собой неудобства для формирования диагноза вследствие ограниченного количества точек контроля.
Методы бесконтактного термометрирования обладают некоторыми преимуществами . Объектами бесконтактной термометрической диагностики могут являться как двигатель в целом, так и отдельные его агрегаты и детали. Система контроля преобразует инфракрасное изображение в видимое так, чтобы распределение видимой яркости было пропорционально инфракрасной яркости объекта, т.е. пространственному распределению температуры T(y,z) или коэффициента излучения (y,z).
Это преобразование обычно осуществляют путем последовательного анализа различных точек объекта элементарным радиометрическим полем зрения, образующем на теле объекта площадь S . Мгновенное поле выбирают малым и быстро перемещают его по объекту. Распределение инфракрасной яркости L(y,z) объекта при сканировании его площадкой S формирует в приемнике сигнал S(t), амплитуда которого изменяется во времени в соответcтвии с изменением визируемой яркости. Сигнал S(t) после усиления преобразуется в видимый сигнал. Воспроизведение инфракрасного изображения путем строчного анализа позволяет получить тепловую карту наблюдаемой зоны (связь между теплообменом в среде и ее строением).
Одним из информативных методов обнаружения дефектов труднодоступных узлов ГТД является метод инфракрасной термографии. Его разделяют на активный и пассивный методы. Активный предполагает предварительный нагрев объекта. Наблюдения тепловых явлений на поверхности в результате распространения тепла по материалу могут дать информацию о его внутренней структуре. Используемый при этом источник тепла служит для создания в материале т.н. термоудара, а приемная термографическая система анализирует рассеяние и распространение тепловых волн.
Ремонт двигателя ваз (2)
... Разработка технического процесса ремонта двигателя ВАЗ-2114 Рубрика Транспорт Вид курсовая работа Язык русский Дата добавления ... ТР и диагностики автомобиля Разработка технического процесса ремонта двигателя ВАЗ-2114 Выполнил: Стратонов ... двигателя и методы восстановления его работоспособности. Сборка и порядок сдачи готового изделия. курсовая работа, добавлен 30.03.2011 Назначение устройства, работа ...
Ограничения сферы применения метода связаны с тем, что наблюдения могут проводиться только в переходном режиме, когда определяются относительные скорости распространения теплового потока внутри материала. По достижении температурного равновесия тепловые контрасты уже не наблюдаются. К тому же такие объекты, как авиационные ГТД, имеют большую контролируемую поверхность, и осуществить их равномерный нагрев представляется затруднительным. Это касается и других функциональных систем самолета — гидравлической, топливной и др. Сложности в применении метода объясняются тем, что он зависит от большого числа параметров, которые должны быть учтены для каждого применения. К ним относятся:
- коэффициент излучения испытуемого материала;
- тип инфракрасного приемного устройства;
- скорость перемещения приемного устройства относительно объекта;
- природа и интенсивность нагрева (с помощью обычных источников или лазеров);
- фокусировка теплового потока;
- расстояние между источником тепла и испытуемым объектом;
- расстояние между источником тепла и инфракрасной приемной системой.
Существенным недостатком активного метода при оценке состояния функциональных систем ЛА и АД можно считать возможность контроля только тех деталей, которые находятся на его поверхности (корпусе).
Доступ к остальным агрегатам требует их детальной разборки.
Более широкими возможностями в этом отношении обладает пассивный метод. Он заключается в использовании естественного тепла, выделяющегося в процессе функционирования ГТД, и в наблюдении с помощью пассивного приемного инфракрасного устройства распределения температур во времени и в пространстве. Сравнение с идеальной моделью рассеяния тепла позволяет определить все отклонения температуры, важные для процесса функционирования объекта. Разность температур отдельных зон характеризует условия теплоотвода от них, и, тем самым, физико-химический состав, толщину, структуру, наличие дефектов и т.д. Пассивный метод представляется более перспективным и может быть использован для определения наиболее информативных точек на поверхности двигателя с целью установки в этих зонах встроенной системы контроля (термодатчиков).
Тепловая диагностика предполагает использование широкого спектра дорогостоящих средств. При визуальном контроле для параллельного съема информации используют электронно-оптические преобразователи — эвапографы, эджеографы, приборы с жидкими кристаллами и фоточувствительными пленками, тепловизоры (рис. 3.) и т.п.
Рис. 3. Тепловизор TVS-200
Несмотря на это, бесконтактная тепловая диагностика является весьма перспективной в силу высокой информативности. Важно, что разработанные средства диагностики позволяют впрямую обнаруживать дефекты и прогнозировать их развитие в процессе испытаний ЛА и АД. Существующие методы обработки инфракрасного термометрирования дают возможность прогнозировать конкретные неисправности.
2.2 Возможности виброакустических методов оценки состояния авиационной техники
Виброакустическая диагностика АТ также в достаточной мере информативна. Она базируется на общих принципах распознавания состояний технических систем по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале. В качестве диагностических признаков здесь используют характеристики виброакустического сигнала, сопровождающие функционирование ГТД. Как правило, уровень вибраций двигателя контролируется с помощью вибропреобразователей, которые сигнализируют о возможной неисправности в полете, но не позволяют определить конкретное место ее развития. При стендовых испытаниях для получения информации о вибронапряженности и колебаниях лопаток рабочих колес компрессора используют бесконтактные дискретно-фазовые методы. Их применение требует жесткого закрепления двигателя на стенде и установки на корпусе и роторе компрессора специальных вибропреобразователей. В настоящее время разрабатываются перспективные устройства и методы виброакустического анализа, не дошедшие пока до стадии массового эксплуатационного применения. Как упоминалось, голографические и акустические методы могут позволить определить наиболее информативные точки на корпусе двигателя (амплитуда, частота и фазовые характеристики вибрации, которые связаны с состоянием отдельных узлов и деталей).
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
... стяжных рёбер статора. курсовая работа, добавлен 24.12.2012 Расчет параметров обмотки статора и ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Расчет механической характеристики асинхронного двигателя в двигательном режиме по приближенной ... Физика и энергетика Вид дипломная работа Язык русский Дата добавления 25.03.2012 Размер файла 200,9 K Отправить свою хорошую работу в базу знаний ...
При обработке информации совокупность упомянутых параметров связывают с состоянием объекта W(t) в момент (период) времени t. При этом множество возможных состояний объекта делят на два подмножества. Подмножество W* представляет собой совокупность работоспособных состояний, которые обладают запасом работоспособности, определяющим близость объекта к предельно допустимому состоянию. Подмножество W** включает все состояния, соответствующие появлению отказов в работе двигателя.
Для постановки диагноза все возможные состояния разбиваются на некоторое число классов Wi, i=1,2, … n , подлежащих распознаванию. Но если число классов в подмножестве W** определяется числом возможных отказов, то практически осуществить классификацию по степени работоспособности в подмножестве W* не представляется возможным в силу непрерывности изменения этих состояний в пространстве диагностических признаков и времени. Кроме того, такая классификация затруднена многопараметричностью объекта, каким и является газотурбинный двигатель.
Если дефект сопровождается повышенной виброактивностью, то важным здесь является локализация источников повышенного уровня колебательной энергии. При этом различают два возможных варианта: источники шума независимы либо статистически связаны. Уровень трудностей, обусловленный необходимостью разделения влияния источников, в значительной степени снижает информативность вибродиагностики ГТД.
К мерам, повышающим ее информативность относят следующие:
- детальный опыт доводки в эксплуатацию двигателя с целью выявления наиболее уязвимых мест, четкое разбиение на конечное множество классов состояний, подлежащих распознаванию — W = {W1 , W2 , … , Wm};
- обоснование эталонных значений вибропараметров;
- локализация источников излучения повышенной колебательной энергии в исследуемом двигателе;
- определение динамических характеристик отдельных узлов, агрегатов и двигателя в целом для построения диагностической модели;
- разработка алгоритмов определения текущего состояния ГТД.
Важным моментом является формирование эталонов, представляющих собой усредненные для данного класса значения признаков. С помощью набора классифицирующих функций производится распознавание параметров виброакустического сигнала. В подсистеме принятия решения определяется фактическое состояние объекта контроля по текущим значениям параметров, которые могут быть использованы в качестве исходных при построении алгоритмов прогноза возможных отказов.
Транспорт и окружающая среда. Методы защиты атмосферного воздуха ...
... двигателях автомобилей. Углекислый газ остается длительное время в атмосфере в активном состоянии, ... в воздух вместе с выхлопными газами от силовых установок транспортных ... воды, увеличивая поглощение инфракрасного излучения и еще больше нагревая ... веществами являются типичные для объектов газовой промышленности загрязнители: оксиды ... азота, диоксида серы, твердых частиц). Чутко реагируют лесные формации ...
Несмотря на перечисленные меры, все же значительные трудности вызывает решение задачи локализации источников излучения повышенной виброактивности.
В последнее время при вибродиагностике ГТД начал находить применение метод оптической голографии, обладающий повышенной информативностью. Условием его эффективного использования также является создание эталонов (библиотеки вибропортретов дефектных состояний ГТД).
Сначала получают эталонный вибропортрет исправного двигателя, а затем, вводя известные характерные дефекты, получают вибропортреты, соответствующие конкретным дефектным состояниям. Сравнение последних с эталонным может позволить определить информативные точки на поверхности двигателя, чувствительные к определенным дефектам. Для постановки диагноза достаточно идентифицировать вибропортрет исследуемого двигателя с набором, имеющимся в библиотеке. Однако этот метод пока не достаточно практически отработан и обеспечен аппаратурой.
Менее информативной, но более доступной считается диагностика АТ на основе построения диагностических моделей, т.е. связей между пространством состояний и пространством диагностических признаков. При этом не придается значения, в какой форме представлена эта связь.
Считают, что диагностическая модель отвечает своему назначению, если она позволяет выполнить следующие условия:
- сформулировать принципы разбиения множества W на два подмножества — работоспособных W* и неработоспособных W** состояний;
- определить критерий для оценки степени работоспособности объекта и его принадлежности к одному из классов в подмножестве W*;
- установить признаки возникших отказов (различить состояния в подмножестве W**).
В качестве диагностических моделей обычно используют дифференциальные и алгебраические уравнения, логические соотношения, матрицы узловых проводимостей, функциональные, структурные, регрессионные и другие модели, позволяющие связать параметры технического состояния с виброакустическим состоянием объекта. К основным типам моделей можно отнести: структурно-следственные; динамические; регрессионные.
Структурно-следственная модель диагностируемого объекта создается на основе инженерного изучения его устройства и функционирования, статистического анализа показателей надежности и диагностических параметров. Она должна давать наглядное представление о наиболее уязвимых и ответственных элементах, а также связи структурных параметров с диагностическими признаками. Эту задачу необходимо решать при построении модели любого типа. Она решается на основе статистического анализа, что требует значительных затрат времени.
При построении динамической модели диагностирования объект рассматривают как многомерную систему с р входами и n выходами. Уравнение связи вектора входных воздействий
Измерения радиоактивности и ионизирующих излучений
... сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений. По мере открытий учеными радиоактивности и ионизирующих излучений стали появляться и единицы их измерений. ... на них ионизирующих излучений. Возникновение свечения является следствием возбуждения атомов под воздействием излучений: при возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны видимого света различной яркости (сцинтилляции). ...
X(t) = {х1(t) , х2(t) , …. , хn(t)}
и вектора выходных сигналов
Y(t) = { y1(t) , y2(t) , …. , yn(t)}
записывают в операторном виде
Y(t) = BX(t),
где В — оператор системы, содержащий в неявном виде данные о параметрах технического состояния Zi системы.
На рис. 4. показана простейшая модель «черного ящика».
Изменение параметров технического состояния может вызвать изменение оператора при неизменном X(t).
В качестве критерия работоспособности динамического звена принимают степень соответствия действительного оператора Bi оператору нормального функционирования механизма Bio, которую можно оценить значением невязки в соответствии со схемой, приведенной на риc. 5., где X — возмущающее воздействие, Yо — реакция номинальной модели исследуемого динамического звена, Y — невязка, U — диагностический признак.
Рис. 4. Модель «черного ящика»
Рис. 5. Простейшая схема динамического звена
1 — динамическое звено объекта контроля;
2 — формирующее звено;
3 — номинальная математическая модель
С помощью уравнений идентификации можно сформировать модель «черного ящика», диагностические признаки, представляющие собой значения собственных частот, декремент колебаний и т.д. Однако их конкретизация зависит от понимания физики процессов, порождаемых развивающимся дефектом. К этому можно добавить, что использование сложного математического аппарата, необходимого при построении моделей данного типа, для решения практических задач часто представляется затруднительным.
Наиболее эффективным считают метод
В результате анализа определяют характерный диагностический признак, являющийся функцией одного аргумента. Следует отметить, что несмотря на значительный уровень развития вибрационных диагностических моделей и алгоритмов построения диагностических процессов в целом, в большинстве случаев получают оценки состояния типа «норма — не норма», что в ряде случаев является недостаточным.
При решении задач локализации источников вибрации (повышения информативности), а также установления связей между структурными параметрами и параметрами сигнала, важное место отводится расшифровке последнего. Виброакустический сигнал любого механизма имеет сложную структуру, зависящую от динамики функционирования и набора комплектующих узлов. В настоящее время получен ряд зависимостей изменения характеристик виброакустического сигнала от возникающих дефектов типовых элементов различных механизмов, в том числе и применяющихся в авиационных двигателях. Спектры вибрации измеряют на нескольких режимах работы ГТД для более надежного сопоставления расчетных частот с реальным частотным спектром вибрации. При обнаружении в некоторой полосе частот источника интенсивной вибрации место его расположения определяют по пространственному распределению уровня вибраций конструкции.
Для некоторых рабочих процессов была найдена определенная связь режимных и виброакустических параметров. Например, в компрессорах вихревой шум пропорционален 3,5-5-й степени относительной скорости потока среды на лопатке, а сплошной шум подшипников качения в значительно меньшей степени зависит от нагрузки и частоты вращения ротора. Поэтому, если в данном механизме при изменении скоростного режима интенсивность шума нарастает пропорционально, например, 4-й степени частоты вращения ротора, то можно сделать вывод о его аэродинамическом происхождении. В ряде случаев для выявления источников определяют форму колебаний, т.е. измеряют амплитуду и фазу, а также распределение возбуждающих сил.
Методы и средства поверки мегаомметра типа М
... предъявляемые к эталонной мере сопротивления Для проведения поверки омметров применяются однозначные или многозначные меры электрического ... длина всей шкалы, мм. Приложение Протокол поверки Протокол №_____ Поверки мегаомметра типа М1101 № 131632 класса точности 1,0 ... омметров со встроенным электромеханическим генератором с ручным приводом определяют следующим образом. Подготавливают прибор к работе ...
Таким образом, методы виброакустической диагностики ГТД базируются на общих принципах диагностики технических систем по косвенным (в целом малоинформативным) параметрам. К тому же область их применения ограничена возможностью доступа к двигателю, а также несовершенством средств диагностирования и математических моделей, связывающих структурные параметры с диагностическими признаками. Тем не менее в ряде случаев можно получить количественную оценку запаса работоспособности узлов двигателя по результатам измерения виброакустических сигналов, что позволяет прогнозировать величины остаточных ресурсов элементов ГТД.
2.3 Эффективность трибодиагностики элементов ГТД
Процесс разрушения изнашиваемых деталей, как правило, начинается с разрушения поверхностного слоя материала под действием высоких динамических напряжений, что проявляется в виде отрывов частиц материала. Это приводит к повышенной концентрации напряжений в местах отрыва и как следствие к дальнейшему развитию процесса разрушения. При этом продукты износа уносятся маслом, циркулирующим в двигателе. Их наличие и накопление могут служить сигналом о возникновении неисправности.
Масло в данном случае является носителем информации о состоянии трущихся пар. Как показывает опыт, отрезок времени от начала процесса разрушения поверхностного слоя до момента полного разрушения детали, как правило, достаточно велик, что дает возможность обнаруживать неисправности уже на начальном этапе процесса изнашивания.
Количество и форма продуктов износа, поступающих в масло, зависит от скорости накопления частиц износа.
Наиболее распространенными методами трибодиагностики являются: магнитный, спектрального анализа, колориметрический, феррографический, метод радиоактивных изотопов. Каждый из них более информативен, чем методы вибродиагностики.
Магнитный метод (в ГА применяется прибор ПКМ, ранее ПОЖ-М).
Метод основан на измерении силы взаимодействия ферромагнитных частиц масла с искусственно созданным внешним магнитным полем. Поскольку количество ферромагнитных металлов в работавшем масле двигателей обычно существенно больше, чем других продуктов износа, то их определение может служить интегральной оценкой степени износа трущихся пар двигателя.
Электромагнитный метод контроля, как разновидность магнитного метода, основан на взаимодействии переменного магнитного поля катушки индуктивности с электромагнитным полем, возникающим от вихревых токов металлических частиц в работающем масле. К недостаткам метода следует отнести малую чувствительность анализаторов, их подверженность влиянию внешних переменных полей, а также невозможность определения немагнитных частиц износа.
Эмиссионно-спектральный метод (в ГА применяются установки типа МФС, МОА, Spektrooil).
Специфика формирования технологической части дипломного проекта
... с ограничением сроков реализации и оформления результатов. Роль технологической части дипломной работы Технологический раздел дипломной работы играет важнейшую роль в подготовке и оценке новоиспеченного специалиста. ... инвентаризационные ведомости для оценки степени оснащённости, пригодности оборудования определения износа и пр. Инструкции по эксплуатации отдельных зданий, сооружений, оборудования; ...
Этот метод использует явление свечения газа исследуемого вещества в результате нагревания его до температуры свыше 10000С. При таких температурах энергия движения частиц газа такова, что при их столкновении происходят процессы диссоциации и ионизации, в результате которых, наряду с атомами и молекулами, в газе образуются свободные электрические заряды-ионы и электроны. Нагретый, частично ионизированный, проводящий электрический ток газ-плазма излучает электромагнитные колебания в оптическом диапазоне спектра. Существенной составляющей этого излучения являются линейчатые спектры атомов, в которых каждому элементу соответствует своя длина волны излучения определенной интенсивности. Исследуя спектр, можно определить химический состав образующего его газа, и, следовательно, состав анализируемой пробы.
Интенсивность аналитических спектральных линий (мощность излучения единицы объема плазмы) пропорционально связана с концентрацией соответствующих элементов в пробе. Установка позволяет определить не только качественный, но и количественный состав пробы. Для проведения количественного анализа необходимо выбрать адекватную модель спектроаналитического процесса (связь между сигналом и концентрацией исследуемого элемента) и провести с ее помощью градуирование установки.
Рентгеноспектральный метод (в ГА применяются установки типа БАРС-3, «СПЕКТРОСКАН», БРА-17, «ПРИЗМА»).
Метод основан на регистрации длины волны и интенсивности характеристического флуоресцентного излучения химических элементов, входящих в состав «сухой» масляной пробы. Характеристическое излучение — это квантовое излучение с линейчатым (дискретным) спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атома. Длина волны характеристического излучения зависит от атомного номера химического элемента и уменьшается по мере его возрастания. Явление флуоресценции связано с переходом атомов, молекул или ионов из возбужденных состояний в нормальное состояние под действием характеристического излучения. Излучение возбуждается рентгеновскими лучами, направленными на масляную пробу. Характеристическое излучение определяемых элементов выделяется из вторичного излучения образца кристалл-анализатором и регистрируется с помощью шести селективных рентгеновских фильтров и шести пропорциональных счетчиков («Спектроскан»).
авиационный диагностика виброакустический технический
Рис. 6. Энергодисперсионный анализатор «Спектроскан Макс»
Анализ начинается сустановки анализируемой пробы в пробо-загрузочное устройство спектрометра и продолжается от 10 до 1000 сек. в зависимости от анализируемого материала и требуемой точности анализа. Кванты излучения преобразуются в импульсы напряжения, скорость поступления которых измеряется и выводится на дисплей, и сохраняются в памяти компьютера, значения распечатываются на принтере. Спектрометр полностью управляется компьютером.
Рис. 7. Рентгеноспектральный анализатор «ПРИЗМА»
Сцинтилляционный метод. Метод регистрации заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Еще в 1903 г. Крукс и другие ученые показали, что если рассматривать экран из сернистого цинка, облучаемый частицами через увеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появление отдельных кратковременных вспышек света — сцинтилляций. Было установлено, что каждая из этих сцинтилляций создается отдельной частицей, попадающей на экран. Круксом был построен простой прибор, названный спинтарископом Крукса, предназначенный для счета частиц. Визуальный метод сцинтилляций был использован в дальнейшем в основном для регистрации частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электрон-вольт. Отдельные быстрые электроны регистрировать не удалось, так как они вызывают очень слабые сцинтилляции. Иногда при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки, но это происходило лишь тогда, когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов. Гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение. Это позволяет регистрировать частицы в присутствии сильного излучения. Визуальный метод сцинтилляций позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту. Конечно, метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора. Несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики. С помощью него Резерфорд регистрировал частицы при их рассеянии на атомах. Именно эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра.
Сцинтилляционный метод регистрации возродился в конце сороковых годов XX в. на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 108 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и гамма-лучи.
Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).
В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод).
Принцип работы сцинтилляционного счетчика состоит в следующем. Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул, которые через очень короткое время (10-6—10-9 сек.) переходят в стабильное состояние, испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция).
Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны. Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ. В качестве фосфоров используются: органические кристаллы, жидкие органические сцинтилляторы, твердые пластмассовые сцинтилляторы, газовые сцинтилляторы. Основными характеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора. Очень важно, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования.
ОАО «НПО «Сатурн» стало первым российским предприятием, которое вложило серьезные финансовые средства в разработку технологии диагностирования по результатам сцинтилляционных измерений ГТД серий Д-30КП/КУ/КУ-154. В рамках бюллетеней 1756БД-Г и 1772БД-Г специалистами разработан экспрессный количественный способ получения максимально возможной диагностической информации о параметрах частиц износа, находящихся в масле, в смывах с маслофильтра, магнитных пробок, фильтров-сигнализаторов и др. Использование сцинтилляционного анализатора масла позволило в диагностической авиационной практике оперативно оценивать не только общее техническое состояние двигателя по критерию «исправен» — «не исправен», но и раздельно оценивать техническое состояние подшипников трансмиссии и коробок приводов авиадвигателей.
Колориметрический метод (в ГА используются приборы типа КФК-2, ФЭК-М).
В основу метода положен закон Ламберта-Бера и принцип измерения коэффициента пропускания света через исследуемую среду. На фотоприемник поочередно направляются световые потоки: полный и прошедший через эталонную и затем масляную среду, далее определяется отношение этих потоков. В качестве эталона используется либо дистиллированная вода, либо масло, соответствующее нормам ТУ. По значениям оптико-цветовых характеристик исследуемых проб масла и судят о состоянии узлов трения, омываемых маслом.
Отношение световых потоков, есть коэффициент пропускания или степень прозрачности исследуемого раствора
= (F/Fm)·100%.
Оптическая плотность (D) определяется по формуле:
D = 2 — lg .
Органолептический метод. При этом методе степень частиц износа выявляется визуально или с использованием каких-либо устройств и приспособлений (магнитные пробки, фильтры, сигнализаторы).
Как известно [41], на двигателях применяются сигнализаторы стружки различного типа (электронные, электромеханические и др.).
Эти сигнализаторы имеют один принципиальный недостаток, который связан с возможностью ложного срабатывания из-за накопления смолистых веществ в масле и различного рода посторонних загрязнений, не имеющих отношения к развитию дефекта. Сигнализаторы только фиксируют наличие износа, но не позволяют отслеживать скорость процесса накопления стружки в масле. Таким образом, этот метод недостаточно информативен с точки зрения точности выявления морфологии частиц износа.
Феррографический метод (в ГА используются феррографы типа PF, DR в основном импортного производства).
Феррография — это метод микроскопического анализа частиц, отделенных от жидкостей. Метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методами, упомянутыми выше, главным из которых является низкая погрешность измерений.
Для оценки состояния трущихся пар пользуются двумя типами феррографов. Это аналитический феррограф и прямопоказывающий феррограф. Последний оценивает массовую концентрацию примесей в пробе; с помощью аналитического феррографа изучаются морфологические признаки частиц износа с целью установления «адреса» дефекта.
Частицы, которые вместе с маслом стекают по наклонной поверхности пластины, изготовленной из кварцевого стекла, подвергаются воздействию градуированного магнитного поля, под воздействием которого Fe-частицы оседают в порядке убывания своего размера. Минимальный размер частиц — 3,0-5,0 мкм.
Концентрация частиц «улавливается» в двух областях: на входе в зону отложения и на расстоянии 4 мм от этой зоны. В этих точках производится измерение интенсивности прохождения света через отложения, которая пропорциональна концентрации частиц в пробе.
Метод радиоактивных изотопов
Использование метода радиоактивных изотопов заключается в установке на двигатель активированной детали, износ которой требуется определить. В процессе работы двигателя радиоактивные частицы вместе с остальными продуктами износа попадают в масло. Степень износа детали определяют на основе измерения радиоактивности масла. Метод высоко информативен, т.к. впрямую указывает «адрес» дефекта. Основными способами активации масла являются: установка радиоактивных вставок на заданных участках поверхности детали; облучение деталей нейтронами; введение изотопов в металлы во время их плавки; электролитическое покрытие деталей радиоактивным элементом.
Применение радиоактивных изотопов для исследования износа обладает рядом преимуществ. Этот метод обладает высокой чувствительностью и возможностью непрерывной регистрации измерений непосредственно при работе двигателя. С его помощью можно определять износ заданного участка детали. Кроме того, метод позволяет исследовать ряд вопросов, связанных с работой и износом двигателя: приработку деталей при пусках, характер изнашивания (коррозионный, механический и т.п.), расход масла и др.
Однако определение износа деталей методом радиоактивных изотопов представляет известную сложность. К этому необходимо добавить, что применение метода ограничено необходимостью специальной подготовки двигателя перед испытаниями, а также биологической защиты обслуживающего персонала от излучения. Метод позволяет оценивать износ только одной детали (или группы деталей).
Одновременное раздельное определение износа нескольких деталей весьма сложно, т.к. требует применения изотопов с различными энергиями излучения и специальной аппаратуры для раздельной регистрации этих излучений.
2.4 Эффективность диагностики жидкостных систем ЛА и АД
При диагностировании жидкостных систем АТ в условиях эксплуатации используют переносные и встроенные средства. Большинство параметров, характеризующих состояние жидкостных систем, являются неэлектрическими величинами (давление, температура, расход рабочей жидкости и др.).
Для удобства измерения и обработки диагностических параметров необходима их трансформация в электрические сигналы.
Для этого используются различные преобразователи, которые классифицируются по своему принципу действия следующим образом, причем их функциональные возможности измерения параметров отмечены в скобках:
- ультразвуковые (расход, параметры рабочей жидкости);
- пьезоэлектрические (пульсации давления, вибрации);
- индукционные (частота вращения);
- трансформаторные (перемещение, давление, расход);
- фотоэлектрические (частота вращения, интенсивность излучения);
- индуктивные (давление, линейные перемещения);
- термопары, термосопротивление (температура);
- тензорезисторные (относительные перемещения);
- потенциометрические (давление, линейные и угловые скорости) и др.
Приемлемую точность измерения расхода имеют турбинные расходомеры типа РТСМ. В них измеряемые объемы жидкости отсекаются вращающейся крыльчаткой, а частота ее вращения свидетельствует о значении объемного расхода.
Простыми и надежными приборами для измерения избыточного давления являются пружинные манометры, для степени разряжения — т.н. вакуумметры. В качестве чувствительных элементов в этих приборах используются различного рода мембраны, сильфоны, сельсины и т.п.
Рис. 8. Течеискатель ИВУ-002:
1 — электронный блок-преобразователь;
2 — ультразвуковой щуп с кабелем;
3 — программное обеспечение;
4 — соединительный шнур подзаряда аккумулятора;
5 — аккумулятор; 6- футляр
Для регистрации утечек рабочей жидкости применяются регистраторы особого типа, называемые термисторами (полупроводниковые микротермосопротивления).
Термисторы применяют для оценки внутренней негерметичности жидкостных систем. Они устанавливаются в сливные магистрали. Причиной внутренней негерметичности является обычно износ золотников, уплотнительных втулок и других элементов в агрегатах жидкостных систем, образующих пары трения. Пульсации давлений жидкости передаются на корпус агрегатов с ультразвуковой частотой. Наибольшая амплитуда колебаний возникает в том месте корпуса агрегата, где расположены изношенные пары трения. Для измерения колебаний и преобразования их в электрический сигнал в ГА применяют ультразвуковые индикаторы типа ТУЗ-1, ИКУ-1, ИВУ-002/5-МП, Т-2001 и др., называемые течеискателями (рис. 8).
Метод течеискания достаточно информативен, однако заключение о неисправности агрегатов жидкостно-газовых систем АТ делается на основе косвенных признаков, что в некоторой степени снижает информативность.
2.5 Эффективность диагностики ГТД по термогазодинамическим параметрам
В соответствии с общепринятыми концепциями к термогазодинамическим параметрам относят: давление, температуру, отношение давлений и температур, скорость течения, расход топлива и масла, проходные площади сечений проточной части, тягу, а также частоту вращения роторов. Информативность термогазодинамической диагностики ГТД невысока.
Общие подходы здесь не отличаются от подходов, применяемых при вибро- или модельном диагностировании, рассмотренных выше. Имеются лишь некоторые специфические отличия. Обычно при термогазодинамическом диагностировании ГТД применяется метод математического моделирования «поведения» вышеперечисленных параметров в процессе работы двигателя. Различают детерминированные, вероятностные и комбинированные модели ГТД. В детерминированных моделях все взаимосвязи, переменные и константы задаются точно (что весьма сложно при профилактике отказов).
Данное условие обеспечивает возможность однозначного определения результирующей функции. В вероятностных моделях задаются соответствующие законы распределения случайных величин, что приводит к вероятностной оценке этой функции. Чаще применяют детерминированные модели. Здесь признаками состояния двигателя могут быть: тяга R, расход топлива Cr , температура газов перед (Т) или за турбиной (Тг), параметры рабочего тела по тракту, параметры топливной, масляной систем и т.д. Примерами возможных неисправностей могут служить: прогары лопаток турбины, жаровой части камер сгорания, деформация элементов проточной части и т.п. Решения принимают по критическим отклонениям термогазодинамических параметров.
Изменение температуры газа за турбиной сравнивают с эталонной математической моделью. Эталонная модель строится по исходным формулярным данным двигателя. Температура контролируется на взлетном режиме, которому соответствует контрольная температура за турбиной. В некоторых случаях температуру Т, а также параметры Тн и Рн используют для подсчета тяги двигателя и сравнивают ее с той тягой, которая должна быть в конкретно заданных условиях.
Определенные возможности заложены в диагностический параметр «расход топлива». Опыт показывает, что повреждение проточной части ГТД увеличивает расход топлива на 120-150 кг/ч при одновременном изменении других термодинамических параметров. Расход топлива достаточно хорошо отражает состояние камер сгорания и сопловых аппаратов турбин. Однако точное измерение расхода затруднено из-за погрешностей расходомеров, вызванных необходимостью учета плотности керосина при разных температурах.
В определенных условиях диагностику ГТД можно осуществлять и по давлению топлива перед форсунками Рф, но и здесь погрешности измерений могут играть решающую роль.
Для минимизации погрешностей оценки состояния ГТД по результатам измеренных термогазодинамических параметров, значения параметров приводят к стандартным условиям, а их измерение должно проводиться на одних и тех же высотах и режимах работы двигателя.
Результаты исследований в области термогазодинамической диагностики ГТД позволили установить, что самым чувствительным и информативным показателем состояния проточной части двигателей является адиабатический КПД турбины т. Конечно, непосредственно замерить т невозможно, однако, его можно выразить через частоту вращения роторов, степень повышения давления к и температуру газов перед турбиной Тг*. Эта зависимость будет эмпирической и специфичной по отношению к данному типу двигателя.
Детерминированные модели диагностирования ГТД могут выражаться через систему уравнений состояния двигателя, решив которую можно сформировать диагноз, осуществить прогноз и дать рекомендации по предупреждению или устранению возможного отказа. Диагностические уравнения представляют собой конечное множество выражений, построенных для приращения расхода воздуха, температуры газа перед турбиной, удельного расхода и других термогазодинамических параметров. В правой части этих уравнений содержатся отклонения параметров, которые определяют путем сравнения текущих значений с эталонными значениями (при определенном режиме работы двигателя).
Наиболее ответственным этапом термогазодинамического диагностирования ГТД является составление диагностических уравнений. Число диагностических уравнений определяется классами возможных состояний ГТД.
В последнее время для диагностики ГТД предлагается использовать комплексные параметры, которые в аналитической форме связывают между собой несколько параметров и, тем самым, наиболее полно характеризуют рабочие процессы, происходящие в двигателе. Так, для диагностирования ТВД в ряде предприятий используют отношение температуры газов за турбинной Тг к давлению масла в измерителе крутящего момента Рикм. При этом в качестве критерия оценки состояния двигателя по комплексному параметру используют относительное отклонение контролируемого параметра от эталонного:
К=Взам-Вэ,
где Взам = Тг/Рикм — комплексный параметр, приведенный к стандартным атмосферным условиям. Использование данной величины для контроля технического состояния ТВД в процессе проведения стендовых испытаний, а также в условиях эксплуатации оказалось эффективным для оценки работоспособности двигателя.
2.6 Методы диагностики проточной части ГТД
Наряду с описанными выше методами контроля и диагностики АТ наиболее общую и оперативную информацию о состоянии ответственных узлов и деталей двигателя, таких как лопатки компрессора и турбины, камеры сгорания, диски, сварные швы корпусов и т.д., дают оптические методы контроля с использованием бороскопов, фиброскопов и эндоскопов. Этими приборами успешно выявляется обширная группа дефектов типа: трещин, прогаров, короблений (нарушение макрогеометрии деталей), коррозии, эрозии, выработки контактных поверхностей, износа элементов лабиринтных уплотнений, нагарообразования и др.
На сегодняшний день на российском рынке предлагают свою продукцию ряд отечественных и зарубежных фирм — изготовителей эндоскопов: «Интек», «Карл Шторц», «Намикон», «Олимпас», «Оптимед», «Рихард Вольф», «Мачида», «СиМТ», «Казанское оптико-механическое объединение», «Точприбор», «Эверест-ВИТ» и др. Существующие оптические приборы для обнаружения указанных дефектов условно можно разделить на три группы.
Первая группа приборов — это прямые эндоскопы с линзовой оптикой, торцовым и боковым зрением, с прямыми и угловыми окулярами. Эти приборы различаются по диаметру и длине рабочей части. У них различные оптические характеристики и различная механизация. К этой группе относятся такие приборы, как Н-200, УСП-8М, РВП-491 и ряд других.
Эндоскопы предназначены для осмотра и выявления поверхностных дефектов (трещин, забоин, рисок и т.д.) на рабочих лопатках всех ступеней компрессора и турбины двигателей в эксплуатации. Конструкция прибора позволяет оператору, не меняя своего положения, осматривать все поверхности, расположенные вокруг рабочей части эндоскопа. При подготовке к работе прибор подключают к источнику электрического тока и вводят через смотровой лючок в корпусе в проточную часть двигателя.
Эндоскоп УСП-8М служит для осмотра и выявления дефектов на сопловом аппарате турбины первой ступени, форсунках и стенках камеры сгорания. Конструктивно он состоит из трубы с объективом, осветительным устройством и окуляра.
Эндоскоп РВП-491 предназначен для осмотра рабочих лопаток турбины и по конструкции аналогичен эндоскопу УСП-8М. Для фиксации объектива на определенном расстоянии от объекта, а также для удобства работы с прибором во время осмотра имеется упор, которым прибор устанавливается на кромку осматриваемой лопатки.
Ко второй группе приборов можно отнести эндоскопы с одним или несколькими подвижными звеньями, соединенными между собой универсальными оптическими шарнирами. Их отличительной чертой является возможность осмотра криволинейных каналов.
Эндоскоп Н-185 предназначен для обнаружения трещин на промежуточном кольце соплового аппарата первой ступени турбины двигателя косвенным методом, заключающемся в осмотре задней внутренней оболочки турбины с целью обнаружения на ней цветов побежалостей, образующихся от газов, выходящих из внутреннего контура двигателя через трещины (при наличии таковых) на промежуточном кольце соплового аппарата. Конструктивно прибор представляет собой трубу, состоящую из объективной части с поворотными и неподвижными звеньями («коленами») основной, промежуточной, трех удлинительных труб и окуляра. На подвижном звене объективной части укреплено осветительное устройство. Все части прибора легко собираются и разбираются без применения инструмента. Эндоскоп H-170 предназначен для осмотра и выявления дефектов на сопловом аппарате первой ступени турбины, форсунках и деталях камеры сгорания. Прибор представляет собой довольно сложную шарнирно-линзовую систему, состоящую из головного звена с объективом и осветительным устройством, нескольких промежуточных звеньев и звена окуляра, соединенных между собой при помощи оптических шарниров. Благодаря большому числу степеней свободы прибор проникает через сложный криволинейный канал — смотровые лючки в оболочках двигателя и кольцевую камеру сгорания, обеспечивая тем самым контроль нижней части соплового аппарата, форсуночной плиты и элементов камеры сгорания на двигателях, которые не имеют нижних лючков.
