BADANIA PROCESÓW TRIBOLOGICZNYCH WĘZŁÓW ŁOŻYSKOWYCH METODAMI FAM-C I FDM-A MODEL ZWIĘKSZONYCH OPORÓW BIERNYCH

Transkrypt

1 Andrzej Gębura Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 35, s , 2014 r. DOI /afit BADANIA PROCESÓW TRIBOLOGICZNYCH WĘZŁÓW ŁOŻYSKOWYCH METODAMI FAM-C I FDM-A MODEL ZWIĘKSZONYCH OPORÓW BIERNYCH W artykule przedstawiono wybrane rezultaty zastosowania metod FAM-C (prądnica prądu przemiennego) i FDM-A (prądnica prądu stałego) do kompleksowego diagnozowania węzłów łożyskowych zespołu wirnikowego jednowałowego silnika turbinowego. Prądnice prądu przemiennego przenoszą informacje o procesach wolnozmiennych, na podstawie których można monitorować luzy promieniowe, luzy podłużne, przekoszenia wałów. Prądnice prądu stałego przenoszą informacje o procesach szybkozmiennych, na podstawie których można monitorować dynamikę poszczególnych łożysk tocznych: zmiany wartości dobroci mechanicznej, wartość oporów łącznych, współczynnik poślizgu elementów tocznych, szybkość wirowania koszyka względem czopa itp. Blisko dziesięcioletnie obserwacje diagnostyczne prowadzone na licznej próbie silników podczas ich eksploatacji umożliwiły klasyfikację procesów zużywania łożysk w postaci czterech modeli fenomenologicznych. W niniejszym artykule przedmiotem rozważań będzie model zwiększonych oporów biernych. Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, modulacja częstotliwości, zbiór charakterystyczny, silnik turbinowy jednowałowy, TTM (ang. tip timing method), TOA czas przyjścia (ang. time of arrival), prądnica-przetwornik, zużycie ścierne, łożysko toczne, zespół wirnikowy silnika. 1. Wprowadzenie Obecnie w eksploatacji statków powietrznych rezygnuje się z okresowych remontów i przeglądów zespołów napędowych na korzyść ich eksploatacji według stanu technicznego. Do realizacji tego procesu niezbędne są skuteczne metody diagnostyczne umożliwiające wczesne wykrywanie i lokalizowanie zużytych elementów zespołu napędowego, zanim staną się przyczyną zagrożenia bezpieczeństwa lotu. Personel techniczny napotyka często trudności dotyczące identyfikacji, lokalizacji i prognozowania uszkodzeń.

2 106 Andrzej Gębura Metody FAM-C i FDM-A, które wykorzystują prądnice pokładowe jako przetworniki diagnostyczne, umożliwiają nieinwazyjne monitorowanie wielu podzespołów mechanicznych jednocześnie. Identyfikacja zużytych podzespołów z dokładnością do pary kinematycznej nie nastręcza trudności nawet dla dowolnie skomplikowanego i rozbudowanego mechanicznego zespołu napędowego. Zdaniem autora, metoda FAM-C dzięki swojej nieinwazyjności, łatwości pozyskiwania sygnału, szybkiej identyfikacji i kompleksowemu monitorowaniu wielu węzłów mechanicznych jednocześnie może znaleźć znacznie szersze zastosowanie niż ma dotychczas. 2. Prądnica jako przetwornik diagnostyczny Z punktu widzenia idei, FAM-C jest metodą TTM (ang. tip timing method) pośredni pomiar prędkości obrotowej i przemieszczeń elementów wirujących w klasycznym wydaniu za pomocą czujników elektromagnetycznych, optycznych, mikrofalowych, pojemnościowych, prądów wirowych, mikrofalowych. W tej grupie należy umieścić metodę FAM-C, gdyż pomimo że rozwijała się przez dłuższy czas niezależnie od ww., to de facto korzysta z zasady TOA (ang. time of arrival) opisanej przez Campbella [4] w TTM. W odróżnieniu od klasycznego TTM [4, 18], metoda FAM-C nie wymaga montowania dodatkowego czujnika jego rolę odgrywa pokładowa prądnica prądu przemiennego. Każdy nabiegunnik prądnicy pełni funkcję czujnika reluktancyjnego i obserwuje przemieszczanie się żłobków wirnika. Dzięki równomiernemu rozmieszczeniu nabiegunników i różnej ich liczbie w stosunku do liczby żłobków wirnika, tworzy się swoisty noniusz [7], co znacznie podnosi dokładność pomiaru i umożliwia zwiększenie odporności na zjawiska aliasingu. Zęby wirnika prądnicy oraz nabiegunniki stojana mają duży przekrój poprzeczny, w związku z czym stosunkowo rzadko wchodzą w stan nasycenia. Zęby wirnika prądnicy są wykonane z materiałów o wysokim zapasie nasycania prądnica ma w praktycznych warunkach eksploatacyjnych liniowy charakter magnesowania. Jednocześnie prądnica zapewnia dobre odwzorowanie zależności fazowych pierwotnych sygnałów diagnostycznych, na skutek dużej sztywności wirnika (pełniącego funkcję modulatora) rozstaw zębów wirnika prądnicy charakteryzuje się małymi błędami podziałki i jest stabilny podczas pracy prądnicy, zaś dla palisady łopatek ulega zmianom. Rdzenie obwodów magnetycznych prądnicy są pakietowane z blach krzemowych, dzięki czemu zapewniona jest duża odporność na oddziaływanie prądów wirowych. Dzięki tym wszystkim cechom prądnica jest przetwornikiem drgań mechanicznych na drgania elektryczne o znacznie szerszym paśmie przenoszenia niż

3 Badania procesów tribologicznych węzłów łożyskowych metodami FAM-C inne przetworniki korzystające z zasady TTM. Sposób przetwarzania spektrum zmodulowań prędkości kątowej poszczególnych par kinematycznych mechanicznego zespołu napędowego przedstawiono na rys. 1. Każda para kinematyczna generuje spektrum drgań prędkości kątowej z częstotliwością znamionową, zwaną w literaturze (z zakresu telekomunikacji) częstotliwością podnośną. Wiele takich spektrów dociera do wirnika prądnicy. Zachodzi tu sumowanie widm wahań prędkości kątowej i przemiana na sygnał elektryczny prądu przemiennego. Jednocześnie wszystkie te spektra otrzymują częstotliwość nośną jest nią częstotliwość znamionowa prądnicy. W rezultacie spektra prędkości kątowej uzyskują znaczną odporność na zakłócenia. Modulacje częstotliwościowo-fazowe prędkości kątowej poszczególnych par kinematycznych stają się modulacjami częstotliwościowo-fazowymi przebiegu elektrycznego. Elektryczne zmodulowania częstotliwościowo-fazowe nie ulegają wytłumieniu w sieci elektroenergetycznej statku powietrznego. Można je w tej samej formie parametrycznej odbierać w dowolnym punkcie sieci. Para kinematyczna nr 1 PIERWOTNY SYGNAŁ DIAGNOSTYCZNY Para kinematyczna nr k Δω 1 Znamionowa prędkość kątowa pary kinemat. nr 1 Prędkość znamionowa prądnicy n N ω k ± Δω k Znamionowa Δω k prędkość kątowa pary kinemat. nr k 1 z z z Z z4 Źródło prądu stałego U = 28 V Zasilanie obwodu wzbudzeni a prądnicy 2 3 Medium przesyłu elektryczna sieć kablowa statku powietrznego PIERWOTNE ŹRÓDŁO ENERGII MECHANICZNEJ 4 Rys. 1. Prądnica-przetwornik do monitorowania pierwotnych sygnałów diagnostycznych (poszczególnych par kinematycznych) mechanicznego zespołu napędowego: 1 uzwojenie wzbudzenia stojana prądnicy-przetwornika, 2 nabiegunnik stojana prądnicy-przetwornika, 3 uzwojenie wirnika prądnicy-przetwornika, 4 wirnik prądnicy-przetwornika

4 108 Andrzej Gębura 3. Badania podpór łożyskowych silników turboodrzutowych w praktyce eksploatacyjnej metodami FAM-C i FDM-A Zjawiska dotyczące łożysk tocznych doczekały się licznych publikacji naukowych [6 9, 13, 14, 16, 15]. Z materiałów tych wynika, że teoria badań zjawisk dotyczących łożysk tocznych zaczęła się rozwijać dopiero pod koniec XIX w. Jednak zagadnienia przedstawiane przez cytowanych autorów dotyczą wycinkowych aspektów wiedzy. Brak jest opisów literaturowych opartych na wynikach obserwacji węzłów łożyskowych złożonych zespołów napędowych. Autor od 10 lat wraz z grupą współpracowników prowadzi badania węzłów łożyskowych metodami FAM-C i FDM-A [6 9, 15]. Obserwacje umożliwiły zaproponowanie czterech modeli fenomenologicznych zużywania łożysk tocznych. Modele te uwzględniają nie tylko procesy tarcia w samym łożysku, ale również geometrię silnika i jego podzespołów. W pracach dotyczących obserwacji metodami FAM-C i FDM-A procesów tribologicznych węzłów łożyskowych silników SO-3/3W samolotów TS-11 Iskra [6 9] autor wyodrębnił następujące modele: 1) model zwiększonych oporów biernych, 2) model zaciśniętych elementów tocznych pomiędzy bieżniami, 3) model zwiększonych luzów promieniowych z uwzględnieniem aspektu rezonansowego, 4) model zwiększonych luzów podłużnych. Podział ten został dokonany na podstawie wyników pomiarów wykonanych na obiektach rzeczywistych w warunkach normalnej eksploatacji w celu wspomagania decyzji o stanie technicznym i dalszego postępowania użytkowanie z ograniczeniami lub bez, wycofanie z użytkowania. Do podjęcia racjonalnej decyzji nie wystarczy porównanie poszczególnych parametrów z ich wartościami granicznymi, gdyż w realnym silniku turbinowym zachodzą skomplikowane relacje. 4. Empiryczne obserwacje zwiększonych oporów biernych Obserwacje silników w warunkach eksploatacji W czasie eksploatacji silników na lotniskach okresowo wykonywano pomiary modulacji częstotliwości. Każdy z testów polegał na obserwacji tych parametrów

5 Badania procesów tribologicznych węzłów łożyskowych metodami FAM-C dla zbioru charakterystycznych prędkości obrotowych silnika, w przypadku TS-11 Iskra wyznaczono siedem takich prędkości (rys. 2 i 3). Dzięki temu możliwe było zaobserwowanie zmian dynamiki ruchu w złożonych powiązaniach oddziaływania sił hydromechnicznych działających na łożyska toczne [6 8]. Wiodącym zjawiskiem są opory tarcia, zaś głównym parametrem, przy zastosowaniu metody FDM-A, wysokość zbiorów charakterystycznych gdy wysokość ich rośnie, to oznacza, że zwiększają się opory łączne (rys. 2 i 3) [9, 15]. 45,0 40,0 35,0 A [%] 39,7 40,2 33,5 41,3 34,7 35,5 42,3 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, n [obr/min] Rys. 2. Wysokość zbioru charakterystycznego FDM-A łożyska środkowego silnika nr 215 po remoncie A [%] 3000,0 2733,3 2500,0 ΔF[kHz] 2126,7 2350,0 2703,3 32 po Hamownia remoncie po 3H h eksploatacji ,0 1616,7 1500,0 1000,0 734,0 874,3 500,0 0,0 39,7 40,2 33,5 41, n [obr/min] Rys. 3. Diagram wysokości zbioru charakterystycznego DC (dla siedmiu znamionowych prędkości silnika) łożyska środkowego dla silnika nr 215 wg FDM-A 34,7 35,5 42,3

6 110 Andrzej Gębura Wzrost może być tak intensywny jak na rys. 3, gdzie przedstawiono wysokości zbiorów charakterystycznych łożyska środkowego (dla siedmiu znamionowych prędkości silnika) dla silnika po remoncie oraz po 30 h eksploatacji. Obserwacja kontrolowanego zacierania łożyska środkowej podpory silnika w hamowni ITWL W celu określenia granicznego poziomu oporów łącznych łożyska, niezbędnego do zachowania odpowiedniego zapasu bezpieczeństwa diagnozowanych silników, przeprowadzono w hamowni ITWL eksperyment kontrolowanego zacierania łożyska środkowej podpory na dwóch silnikach [9, 15]: o małych luzach, o średnich luzach. Wcześniej oba silniki były poddane jednakowemu okresowi magazynowania bez konserwacji (około dwóch lat), co zapoczątkowało znaczne procesy korozyjne. Do instalacji olejowych obu silników wprowadzano proszek ścierny drobnoziarnisty granulat stalowo-srebrny otrzymany z procesu frezowania powierzchni koszyka łożyskowego. Silnik o bardzo małych luzach nie wykazywał oznak destrukcji po 6 h próbę przerwano ze względów ekonomicznych. Silnik o średnich luzach uległ uszkodzeniu w ciągu 3 h pracy nastąpiło blokowanie niektórych elementów tocznych, co spowodowało przejście ruchu tocznego w ruch ślizgowy. Następnie zaobserwowano znaczny wzrost temperatury w rejonie łożyska środkowej podpory, który doprowadził do uplastycznienia czopa. Na początku próby [15] wprowadzanie proszku ściernego wywołało spadek wartości siły tarcia (rys. 4, etap 1op). Zgodnie z [11] proszek ścierny powoduje usuwanie produktów korozji w łożysku, jak również usuwanie tlenkowych warstw powierzchniowych środków smarnych, jednakże na tym etapie mają one możliwość szybkiego regenerowania. Bruzdowanie powierzchni bieżni łożysk tocznych jeszcze nie poczyniło na tym etapie istotnych zmian utrudniających ruch elementów tocznych. Granulat proszku ściernego często wywołuje dodatkowe lokalne dostawanie się drobin pod elementy toczne, co także mogło zmniejszyć opory toczenia. Obserwacje wykonane metodą FAM-C wykazały zmniejszanie się wysokości zbiorów charakterystycznych. W drugim etapie (rys. 4, etap 2op) w wyniku zwiększania koncentracji opiłków metalicznych w oleju smarnym następowało już intensywne zwiększanie sił tarcia w łożyskach powierzchnie pozbawione warstwy tlenków ulegały adhezji.

7 Badania procesów tribologicznych węzłów łożyskowych metodami FAM-C Pomiędzy elementem tocznym łożyska a bieżnią nie ma już oddziaływania sił hydromechanicznych warstwy oleju smarnego. W praktyce pomiędzy tymi elementami występuje połączenie mechaniczne poprzez zwartą warstwę opiłków metalicznych następuje wyraźne wypiętrzenie wysokości zbioru charakterystycznego dla trzeciej znamionowej prędkości obrotowej. Następują połączenia adhezyjne na styku powierzchni koszyka łożyska z powierzchnią elementu tocznego. Niektóre elementy toczne na tym etapie są więc trwale lub okresowo zablokowane lokalnie zamiast ich toczenia się po bieżni odbywał się ich poślizg, czyli zamiast styku tocznego powstawał styk ślizgowy. W miejscach takich styków występuje wzmożona dyssypacja energii następuje wydzielanie się znacznie zwiększonej (w stosunku do tarcia tocznego) energii cieplnej. W drugim etapie następują także połączenia adhezyjne powodujące tarcie skokowo-poślizgowe (ang. stick-slip) [6, 16], a w rezultacie intensywny wzrost drgań obwodowych zespołu wirnikowego. W trzecim etapie następowało zmniejszanie sił tarcia w łożyskach średnia liczba sczepień adhezyjnych spada zmniejszają się wysokości zbiorów charakterystycznych. Na skutek istotnego zwiększenia temperatury na powierzchni bieżni łożyskowych warstwa w obszarze styku przechodzi w stan ciekły, co wydatnie zmniejsza opory tarcia, pomimo że na tym etapie zużycia większość elementów tocznych była w stanie zablokowanym. Po około 30 min temperatura czopa wzrosła tak istotnie, że spowodowała jego skrośne uplastycznienie (rys. 5). Doprowadziło to do zmiany geometrii mocowania zespołu wirnikowego na środkowej podporze i w rezultacie do znacznych drgań silnika wywołanych niewyważeniem zespołu wirnikowego. Można wyróżnić następujące efekty skrajnego zużycia: a) efekty termiczne: wzrost temperatury połączenia wielowypustowego wału turbiny z wałem sprężarki (rys. 5), w dalszej eksploatacji uplastycznienie czopa łożyska środkowej podpory, rozłączenie obu części wału, spadek siły ciągu, wybudowanie turbiny, katastrofa lotnicza; b) efekty dotyczące geometrii silnika narastanie niewyważenia zespołu wirnikowego na skutek trwałego odkształcania elementów związanych z geometrią łożyskowania zespołu wirnikowego silnika; c) efekty geometrii toczenia w łożysku zanikanie procesu toczenia niektóre elementy toczne mają płaskie zeszlifowania powierzchni (rys. 6) świadczące o ustaniu ruchu tocznego.

8 112 Andrzej Gębura f [khz] 1. n=7000 obr/min 3. n=11500 obr/min 5. n=13500 obr/min 7. n=15600 obr/min 2. n=9500 obr/min 4. n=12250 obr/min 6. n=15100 obr/min Rys. 4. Zmiany wysokości zbiorów charakterystycznych DC łożyska środkowego i tylnego podczas kontrolowanego zacierania silnika turboodrzutowego: O2 stan wyjściowy, 1op etap I wsypywania proszku ściernego, 2op etap II wsypywania proszku ściernego 62 O2 n 0 1op n 0 2op n [obr/min] 274 Uplastyczniony czop łożyska Rys. 5. Uplastyczniony czop łożyska

9 Badania procesów tribologicznych węzłów łożyskowych metodami FAM-C Ślady zeszlifowań elementów tocznych Rys. 6. Łożysko toczne rolkowe po pracy przy podwyższonej zawartości opiłków w układzie smarowania 5. Podsumowanie Metoda FAM-C oparta na idei TTM wykorzystująca prądnice pokładowe jako przetworniki diagnostyczne jest tanią, kompleksową, łatwą do automatyzacji metodą diagnostyczną monitorowania turbinowych zespołów napędowych. Dzięki temu, że prądnica przenosi pierwotne sygnały diagnostyczne w pasmo względnie wysokich częstotliwości, to sygnały te uzyskują znaczną odporność na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Proponowana metoda umożliwia jednoczesne monitorowanie wielu węzłów mechanicznych i obserwowanie różnych mechanizmów zużywania podpór łożyskowych. Te mechanizmy zostały usystematyzowane w postaci czterech modeli fenomenologicznych. W niniejszym artykule omówiono jeden z nich model zwiększonych oporów biernych. W czasie obserwacji zużytych łożysk tocznych o zwiększonym poziomie zanieczyszczenia oleju smarnego, np. na skutek procesów korozji elementów podpór łożyskowych obserwowano wyraźne zwiększenia wysokości zbiorów charakterystycznych dla wszystkich charakterystycznych prędkości obrotowych wirnika. Kiedy zanieczyszczenia oleju osiągały ekstremalny poziom (pomiędzy elementem tocznym a bieżnią łożyska były tylko opiłki bez oddziaływania hydromechanicznego oleju smarnego), dla średnich prędkości obrotowych wału silnika następował wyraźny wzrost wysokości zbiorów charakterystycznych, podczas gdy dla minimalnych i maksymalnych prędkości obrotowych pozostawały one prawie bez zmian. Podziękowanie Autor składa podziękowanie dr. inż. Henrykowi Borowczykowi za dyskusje i uwagi przekazane podczas przygotowywania artykułu.

10 114 Andrzej Gębura Literatura 1. Barwell F.T.: Łożyskowanie. WNT, Warszawa Biarda D., Falkowski P., Gębura A., Kowalczyk A.: Opis patentowy PL B1, Sposób diagnozowania technicznego elementów sprzęgających silnik, a zwłaszcza lotniczy silnik spalinowy, z prądnicą prądu przemiennego, zgłoszenie , udzielenie patentu r. 3. Biarda D., Falkowski P., Gębura, A. Kowalczyk A.: Opis patentowy PL B1, Sposób diagnozowania technicznego elementów sprzęgających silnik, a zwłaszcza lotniczy silnik spalinowy, z prądnicą prądu stałego, zgłoszenie , udzielenie patentu r. 4. Campbell W.: Elastic fluid turbine rotor and method of avoiding tangential bucket vibration therein. Patent US , Carington I.B., Wright J.R., Cooper J.E., Dimitriadis G.: A comparison of blade tip timing data analysis methods. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G, Journal of Aerospace Engineering 2001, Volume 215, Number Gębura A., Tokarski T.: Metody FDM-A i FAM-C w wykrywaniu i monitorowaniu silnie zaciśniętych łożysk tocznych, Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2008, nr Gębura A., Tokarski T.: Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach podłużnych metodami FAM-C i FDM-A, Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2010, nr Gębura A., Tokarski T.: Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych metodami FAM-C i FDM-A, Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2009, nr Gębura A.: Dozorowanie stanu technicznego węzłów łożyskowych i wybranych elementów transmisji zespołu napędowego z wykorzystaniem modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego, Wydawnictwo ITWL, Warszawa Hermans L., Van der Auweraer H.: Modal Testing and Analysis of Structures under Operational Conditions. Mechanical Systems and Signal Processing 1990, Vol. 1`3, No Kostecki B.I.: Trienie, iznos i smazka w maszinach. Technika, Kiev Lawrowski Z.: Tribologia, tarcie, zużywanie i smarowanie. PWN, Warszawa Ma G.J., Wu C.W., Zhou P.: Influence of Wall Slip on the Dynamic Properties of a Rotor-Bearing System. Tribology Transactions 2008, no Sawalhi N., Randall R.: Effects of limiting the bandwidth of the vibration signal on bearing fault detection and diagnosis using state of the art techniques, AIAC-13 Thirteenth American International Aerospace Congres; Sixth DSTO, Spychała S., Majewski P., Szczekala M., Gębura A.: Badania silnika SO-3 nr 308 w hamowni WZL-3, Warszawa 2006, niepublikowane. 16. Sung-HoonJedhg, Seok-Ju Yong: Friction and wear characteristic due to stick-slip under fretting condition, Tribology Transactions, 50: , Urządzenie do pomiaru momentu skręcającego, Patent USA nr , Wang W.: Damage Detection of Gas Turbine Engine By Analysing Blade Tip Timing Data. Proc. Of HUMS Conference, DSTO, Australia 2003.