Wykorzystanie emisji akustycznej do diagnozowania wtryskiwacza silnika 3Al25/30

Transkrypt

1 DUDZIK Krzysztof 1 CHARCHALIS Adam 2 Wykorzystanie emisji akustycznej do diagnozowania wtryskiwacza silnika 3Al25/30 WSTĘP Emisja akustyczna zaliczana jest do metod nieniszczących uwzględnionych w Normie PN-EN 473:2008, a opisana i zdefiniowana w PN-EN :2009 oraz PN-EN 13554:2011. Zgodnie z definicją emisja akustyczna to zanikająca fala sprężysta, będąca efektem gwałtownego wyzwolenia energii nagromadzonej w materiale przez propagujące się mikro uszkodzenia (wzrost mikro szczelin, ruch grup dyslokacji) w materiale lub przez proces (tarcie, przecieki, itp.) [3, 6]. Zakres częstotliwości typowy dla emisji akustycznej, najczęściej określany jest w przedziale 20 khz 2 MHz [7]. Metoda AE (Acoustic Emission) jest pasywną metodą nieniszczącą. Główne jej zalety to: wysoka czułość metody AE, możliwość prowadzenia badań bez konieczności wyłączania urządzeń z eksploatacji, możliwość prowadzenia badań ciągłych, możliwość lokalizacji źródła sygnałów AE generowanych przez uszkodzenia, przecieki, itp. [2]. Bodźcem wywołującym wyzwolenie energii i powstawanie fal sprężystych może być działanie obciążenia, środowiska czy zmiana temperatury, a procesy którym towarzyszy emisja akustyczna to zarówno zmiany w skali mikro i marko, miedzy innymi: pęknięcia, odkształcenia plastyczne, korozja, przecieki (nieszczelności), przemiany strukturalne i fazowe, reakcje chemiczne, delaminacja, pękanie włókien i osnowy w kompozytach, itd [1, 4]. Fale akustyczne propagują we wszystkich kierunkach od źródła, mogą być wiec rejestrowane przez jeden lub więcej czujników zamocowanych na obiekcie lub elemencie. W czasie propagacji fale AE ulegają wytłumieniu, co ogranicza dystans, na jakim mogą one być wykrywalne. Dystans ten jest uzależniony od wielu czynników, w tym przede wszystkim od własności materiału, geometrii obiektu i poziomu zakłóceń pochodzących z tła akustycznego [5]. Przykładowy sygnał AE przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Przykładowy wykres przedstawiający dyskretny sygnał AE [7] Według PN-EN :2009, sygnał AE można scharakteryzować za pomocą takich parametrów jak: amplituda, energia, czas narastania, czas trwania, liczba przekroczeń progu dyskryminacji. 1 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska 81-87, kdudzik@am.gdynia.pl 2 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska 81-87, achar@am.gdynia.pl 1077

2 Rys. 2. Przykładowy wykres AE z zaznaczonymi charakterystycznymi parametrami opisującymi zarejestrowany sygnał [1, 3] 1. METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na stanowisku badawczym Katedry Siłowni Okrętowych Wydziału Mechanicznego Akademii Morskiej w Gdyni. Stanowisko składa się ze zbiornika, pompy tłokowej, manometru, wysokociśnieniowego przewodu paliwowego oraz wtryskiwacza. Widok stanowiska przedstawiono na rysunku 3. Wtryskiwacz pochodzi z silnika laboratoryjnego 3Al25/30. Podczas badań stosowano dwie końcówki wtryskiwacza. Pierwsza z nich była całkowicie sprawna natomiast w drugiej zaślepiono 2 z 9 otworków (symulacja zakoksowanej końcówki wtryskiwacza). Rys. 3. Widok stanowiska laboratoryjnego służącego do badania wtryskiwacza silnika 3Al25/30: 1 zbiornik paliwa, 2 pompa, 3 manometr, 4 wtryskiwacz Badania emisji akustycznej (AE) towarzyszącej procesowi wtrysku w badanym wtryskiwaczu przeprowadzono za pomocą zestawu składającego się z 4 kanałowego rejestratora sygnału typu AMSY 6 oraz dwóch modułów pomiarowych ASIP-2/S firmy Vallen System. W skład zestawu 1078

3 wchodzi przedwzmacniacz o zakresie częstotliwości 20 khz 1 MHz i wzmocnieniu 34dB oraz czujnik pomiaru sygnału AE, typu VS 150M, o zakresie częstotliwości khz. Układ zawiera moduł nagrywający dane po 8MB na każdy kanał oraz oprogramowanie do rejestracji i analizy danych AE. Czujnik zamontowano na powierzchni wtryskiwacza za pomocą uchwytu magnetycznego MAG4M - dedykowanego do używanego czujnika. Pomiędzy czujnikiem a powierzchnią zastosowano ciecz sprzęgającą. Widok stanowiska przedstawiono na rysunku 4. a) b) Rys. 4. Widok stanowiska do badania AE towarzyszącej procesowi wtrysku we wtryskiwaczu; a) widok całego stanowiska, b) widok umiejscowienia czujnika AE na wtryskiwaczu; 1 rejestrator, 2 komputer, 3 przedwzmacniacz, 4 uchwyt magnetyczny, 5 czujnik AE 2. WYNIKI BADAŃ W czasie badań emisji akustycznej (AE) generowanej w trakcie wtrysku za pomocą wtryskiwacza silnika 3Al25/30, realizowanym na stanowisku badawczym, zarejestrowano szereg parametrów, które poddano analizie. Do tych parametrów należą między innymi: amplituda sygnału, liczba zdarzeń, całkowity czas wtrysku, wartość skuteczną sygnału (RMS). Analizę wspomnianych wcześniej wielkości przeprowadzono przy użyciu programu Vallen Vizual AE. Próbę powtarzano trzykrotnie, zarówno dla wtryskiwacza ze sprawną końcówką jak i z zasymulowaną awarią polegającą na zakoksowaniu 2 z 9 otworków końcówki wtryskiwacza (w dalszej części tekstu zastosowano zapis skrócony wtryskiwacz zakoksowany ). Przykładowe wykresy przedstawiające liczbę zdarzeń oraz ich amplitudę w funkcji czasu, zarejesrtowane podczas badań, zaprezentowano na rysunku 5. W czasie wtrysku, we wtryskiwaczu sprawnym, po otwarciu iglicy amplituda sygnału osiąga wartości maksymalne a następnie obserwuje się spadek amplitudy sygnału do wartości progu dyskryminacji. We wtryskiwaczu z zakoksowanymi otworkami początkowa faza wtrysku jest identyczna jak we wtryskiwaczu sprawnym, a różnice pojawiają się w końcowej fazie wrtysku - następuje charakterystyczny wzrost amplitudy do wartości maksymalnej, a dopiero po nim jej spadek do wartości na granicy progu czułości zestawu pomiarowego AE. 1079

4 a) b) Rys. 5. Przykładowe wykresy obrazujące liczbę zdarzeń oraz ich amplitudę w czasie wtrysku a) wtryskiwacz sprawny, b) wtryskiwacz zakoksowany Rysunki 6 i 7 przedstawiają przykładowe kształty sygnału generowanego w końcowej fazie wtrysku wraz z ich interpretacją po analizie FFT (Fast Fourier Transformation). a) 1080

5 b) Rys. 6. Przykładowy sygnał zarejestrowany w końcowej fazie wtrysku wtryskiwacza sprawnego: a) kształt sygnału AE w funkcji czasu, b) kształt sygnału po analizie FFT (w funkcji częstotliwości) a) b) Rys. 7. Przykładowy sygnał zarejestrowany w końcowej fazie wtrysku wtryskiwacza zakoksowanego: a) kształt sygnału AE w funkcji czasu, b) kształt sygnału po analizie FFT (w funkcji częstotliwości) Na wybranych wykresach można zauważyć, że amplituda sygnału w przypadku wtryskiwacza zakoksowanego jest znacznie większa w porównaniu do wtryskiwacza sprawnego. Kształt sygnału 1081

6 w przypadku wtryskiwacza sprawnego jest charakterystyczny dla równomiernego rozpylenia paliwa (emisja akustyczna ciągła) w przeciwieństwie do wtryskiwacza uszkodzonego, gdzie mamy do czynienia z emisją akustyczną dyskretną pojedyncze źródła AE, prawdopodobnie spowodowane wzrostem ciśnienia paliwa i interferencją fal sprężystych zarówno w paliwie jak i w materiale końcówki wtryskiwacza, powstałą w wyniku niedrożnych otworków. Wyniki badań emisji akustycznej sprawnego i uszkodzonego wtryskiwacza, w postaci wartości średnich wybranych parametrów chrakteryzujących sygnały AE, zaprezentowano w tabeli 1. Tab. 1. Wartości średnie wybranych parametrów sygnału AE wtryskiwacz A RMS T [db] [µv] [s] Sprawny, pom. 1 59,7 8,76 0,878 Sprawny, pom. 2 67,56 8,63 0,638 Sprawny, pom. 3 55,38 8,58 0,846 Sprawny, średnia 60,88 8,65 0,787 Zakoksowany, pom.1 76,36 3,22 1,492 Zakoksowany, pom.2 84,5 2,87 0,96 Zakoksowany, pom.3 77,67 2,71 0,926 Zakoksowany, średnia 79,51 2,93 1,126 Wartość amplitudy sygnałów zarejestrowanych w obu rozpatrywanych przypadkach jest większa w przypadku uszkodzonego wtryskiwacza. Może to być spowodowane między innymi wzrostem ciśnienia paliwa w samej końcówce wtryskiwacza z powodu ograniczonej drożności kanałów rozpylających. Całkowity czas wtrysku był krótszy przy zastosowaniu sprawnego wtryskiwacza w porównaniu do uszkodzonego. Sprawność procesu wtrysku, najlepiej jest oddawana za pomocą parametru wartości skutecznej sygnału zarejestrowanego jako RMS (root mean square). Analiza tego parametru wykazuje, że wartości osiągane dla wtryskiwacza sprawnego są blisko trzykrotnie większe w porównaniu do wtryskiwacza uszkodzonego. Dotyczy to zarówno wartości średnich jak i maksymalnych zarejestrowanych podczas badań. WNIOSKI Analiza wyników badań emisji akustycznej generowanej podczas procesu wtrysku we wtryskiwaczu sprawnym i z zasymulowanym uszkodzeniem, w postaci zakoksowanych 2 z 9 otworków pozwoliła wyciągnąć następujące wnioski: zakoksowana końcówka wtryskiwacza powoduje wzrost amplitudy sygnału podczas wtrysku. Wzrost amplitudy podczas wtrysku, spowodowany jest prawdopodobnie zwiększeniem ciśnienia i interferencją fal sprężystych zarówno w paliwie jak i w materiale końcówki wtryskiwacza, zakoksowana końcówka wtryskiwacza powoduje wydłużenie całkowitego czasu wtrysku, przepływ paliwa na wszystkich 9 otworkach sprawnej końcówki wtryskiwacza w porównaniu do wtryskiwacza uszkodzonego z drożnymi 7 otworkami powoduje zauważalnie większą wartość zarejestrowanej wartości RMS zarówno wartości średniej jak i maksymalnej, w czasie wtrysku we wtryskiwaczu sprawnym po otwarciu iglicy następuje spadek amplitudy sygnału podczas gdy we wtryskiwaczu z zakoksowanymi otworkami następuje charakterystyczny wzrost amplitudy, a dopiero po nim jej spadek. Przeprowadzone badania na stanowisku laboratoryjnym mogą być podstawą, do późniejszej identyfikacji ewentualnych uszkodzeń na pracującym silniku, przy wykorzystaniu emisji akustycznej jako skutecznego narzędzia diagnostycznego. Streszczenie Metoda emisji akustycznej (AE) może być stosowana do diagnostyki części maszyn takich jak np. 1082

7 wtryskiwacze. W artykule przedstawiono metodykę oraz wyniki badań wtryskiwacza silnika 3Al25/30. Badano wtryskiwacz sprawny i z zasymulowaną awarią polegającą na zakoksowaniu 2 z 9 otworków końcówki wtryskiwacza. Badania przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym za pomocą zestawu do rejestracji i analizy emisji akustycznej Vallen System. W skład zestawu wchodzi: 4 kanałowy rejestrator sygnału typu AMSY 6, dwa moduły pomiarowe ASIP-2/S, przedwzmacniacz o zakresie częstotliwości 20kHz - 1MHz i wzmocnieniu 34dB oraz czujnik pomiaru sygnału AE, typu VS 150M, o zakresie częstotliwości kHz. W czasie badań emisji akustycznej (AE) generowanej w trakcie wtrysku rejestrowano między innymi parametry: amplituda sygnału, liczba zdarzeń, całkowity czas wtrysku, wartość skuteczna sygnału (RMS). Analiza wyników badań wykazała wyraźnie dłuższy czas całkowity wtrysku w przypadku wtryskiwacza uszkodzonego w porównaniu do wtryskiwacza sprawnego. Amplituda sygnału była większa jednakże RMS sygnału osiągnęła około 3-krotnie mniejszą wartość dla wtryskiwacza z zakoksowaną końcówką. Oznacza to niższą jakość rozpylania paliwa. Przeprowadzone badania mogą być podstawą, do późniejszej identyfikacji ewentualnych uszkodzeń na pracującym silniku, przy wykorzystaniu emisji akustycznej jako skutecznego narzędzia diagnostycznego. Słowa kluczowe: emisja akustyczna, AE, diagnostyka, wtryskiwacz, układ paliwowy The use of acoustic emission for the diagnosis of 3Al25/30 engine fuel injector Abstract Acoustic emission method (AE) can be used for the diagnosis of machine parts such as, for example: fuel injectors. This paper presents the methodology and research results of 3Al25/30 engine fuel injector. During research was studied one injector in good condition and second with simulated failure involving the closing 2 of 9 holes of the injector tip. Research was carried out on a laboratory test stand using a set of acoustic emission Vallen System. The kit includes: 4 channel signal recorder AMSY 6, two measurement modules ASIP-2/S, preamplifier with a frequency range 20 khz - 1 MHz and the strengthening of 34dB and AE signal measurement sensor type VS 150M, with a frequency range kHz. During the study, the acoustic emission (AE) generated during the injection was recorded parameters: amplitude, number of events - hits, the total injection time, the effective value of the signal (RMS). Analysis of the results showed significantly longer total time of the injection in the case of damaged injector compared to the injector in good conditions. Signal amplitude was higher, however, the RMS signal reached approximately 3-times lower value for the injector with damaged tip. This means lower quality fuel atomization. The study can be the basis for subsequent identification of possible damages of the engine equipment while the engine is running, using acoustic emission as an effective diagnostic tool. Keywords: acoustic emission, AE, diagnostics, injector, fuel system BIBLIOGRAFIA 1. Baran I., Identyfikacja uszkodzeń korozyjnych zbiorników na paliwa płynne metodą emisji akustycznej. Rozprawa doktorska, Kraków Baran I., Nowak M., Schmidt J., Ono K., Potentials of AE application in testing industrial pipelines. Advances in Acoustic Emission, USA Praca zbiorowa pod redakcją: Malecki I., Ranachowski J., Emisja Akustyczna, źródła, metody, zastosowania. Pascal Publications, Warszawa Ziegler B., Contribution of acoustic emission into optimal bearing lubrication. Journal of KONES, Warszawa Ziegler B., Zastosowanie emisji akustycznej do identyfikacji warunków smarowania łożysk ślizgowych. Rozprawa doktorska, Koszalin Ziegler B., Miszczak A., Acoustic emission as a friction force indicator after test stands experiments. Journal of KONES, Warszawa Vallen Systeme, AMSY-6 Handbook, System description, Germany