WYBRANE PROBLEMY ZUŻYCIA TRANSMISJI ŚMIGŁOWCA Mi-24

Transkrypt

1 Andrzej Gębura Krzysztof Zientalski Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 37, s. 5 23, 2015 r /afit WYBRANE PROBLEMY ZUŻYCIA TRANSMISJI ŚMIGŁOWCA Mi-24 Przedstawiono hipotezę wzajemnego destrukcyjnego oddziaływania zużytego łożyska górnego przekładni WR-24 na skrzynkę napędów śmigłowca Mi-24. Mi-24 jest jedynym eksploatowanym w Polsce śmigłowcem, w którym skrzynka napędu agregatów zamontowana jest poza przekładnią główną pośrodku wału transmisji, pomiędzy główną skrzynią napędową a śmigłem ogonowym. Uszkodzenie kół zębatych w skrzynce napędu prądnic jest jednoznaczne z przerwaniem napędu śmigła ogonowego. Takie przerwanie powoduje natychmiastowe obracanie się kadłuba w kierunku odwrotnym do kierunku obrotu śmigła głównego. Wiąże się z tym także utrata siły nośnej oraz sterowności. Może to doprowadzić do katastrofy. Taki przypadek miał miejsce w styczniu 2011 roku w Afganistanie obaj autorzy uczestniczyli w procesie jego badania. Autorzy, uwzględniając bardzo dobre, wręcz legendarne własności bojowe Mi-24 oraz swoje badania nad specyfiką zużywania się elementów transmisji, uważają, że dla tego właśnie śmigłowca w pierwszej kolejności powinny być uruchomione środki na opracowanie i wdrożenie systemu monitorowania zespołu napędowego. Autorzy do tego celu proponują zastosowanie metody FAM-C. Charakteryzuje się ona znaczną ergonomicznością. Za jej pomocą można śledzić jednocześnie wiele par kinematycznych, a więc także obserwować relacje między nimi. Słowa kluczowe: Mi-24, transmisja mocy, łożysko toczne, rezonans mechaniczny, przekładnia zębata, modulacja częstotliwości, zbiór charakterystyczny, metoda diagnostyczna FAM-C. 1. Wstęp Zespoły napędowe współczesnych samolotów i śmigłowców wymagają dobrych układów monitorowania i skutecznych metod diagnostycznych. W zespołach napędowych samolotów zmienia się znacznie (ponad dwukrotnie) prędkość wału głównego w zależności od prędkości przelotowej, zatem bardzo istotną sprawą jest diagnozowanie stanu technicznego podpór łożyskowych oraz geome-

2 6 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski trii wału sprężarki względem wału turbiny. W śmigłowcach natomiast newralgicznym problemem są silne dynamiczne oddziaływania łopat (drgania własne, oddziaływanie sił aerodynamicznych w wyniku nakładania się prędkości postępowej na prędkość w ruchu obrotowym) na system transmisji mocy. Dodać należy, że o ile w samolocie zjawisko tworzenia się siły nośnej oraz zmiany wartości tej siły (przynajmniej przy niewielkiej zmianie wysokości) prawie nie oddziałuje na zespół napędowy, to w śmigłowcu wpływ ten jest duży. Podczas wznoszenia lub zmiany kierunku lotu śmigłowca wzrasta dynamika oddziaływania na liczne węzły zespołu napędowego. Obserwuje się także zależność w drugą stronę jeżeli elementy mechaniczne zespołu napędowego ulegną pozanormatywnemu zużyciu, może dochodzić do nietypowych wibracji płatowca zaburzających aerodynamikę lotu lub do pogorszenia precyzji sterowania. Dotychczas do pomiarów diagnostycznych lotniczych zespołów napędowych, w tym przekładni śmigłowców, stosowano pomiary: a) wibroakustyczne, b) wtrąceń w oleju smarnym, c) pól temperatur, d) prędkości obrotowej i przemieszczeń elementów wirujących (np. łopatek sprężarki) przy pomocy czujników elektromagnetycznych. Wszystkie te metody wymagają montowania dodatkowych czujników. Proponowana metoda diagnostyczna FAM-C wykorzystuje natomiast etatową prądnicę pokładową jako przetwornik diagnostyczny. 2. Dynamika zużywania elementów transmisji śmigłowca Mi-24 Na temat destruktywnego zużycia skrzynki napędów agregatów śmigłowca Mi-24 na skutek oddziaływania górnego łożyska przekładni WR-24 oraz możliwości wczesnego rozpoznawania tego zjawiska opisano już w [2, 10]. Wraz ze zwiększaniem poziomu zużycia tribologicznego tego łożyska zwiększa się częstotliwość zmodulowań prędkości kątowej wału głównego emitowana w kierunku śmigła ogonowego, a więc i w kierunku skrzynki napędu agregatów (SNA). Przy pewnym poziomie zużycia tribologicznego łożyska głównego częstotliwość ta osiąga poziom równy wartości wejściowej prędkości obrotowej SNA. Możliwe więc staje się synchroniczne wzbudzanie zmodulowań tych wejściowych prędkości obrotowych, a stąd powstawania w jednym, ściśle określonym położeniu kątowym nadwyżek dynamicznych i związanych z tym dodatkowych naprężeń

3 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi-24 7 w zazębieniach. Sama skrzynka napędów agregatów jest istnym generatorem mechanicznych drgań samowzbudnych z dodatnim sprzężeniem zwrotnym [2]. Synchroniczne wzbudzanie wejściowej prędkości obrotowej oraz wspomniane nadwyżki dynamiczne mogą powodować podcinanie jednej pary kół zębatych w ściśle określonym położeniu kątowym. Aby tę hipotezę udowodnić, należy prześledzić kolejne elementy układanki od zużytego łożyska górnego przekładni WR-24 do wyłamanego zęba koła zębatego w skrzynce napędu agregatów (rys. 1) Rys. 1. Rozmieszczenie elementów transmisji pomiędzy silnikiem a prądnicą na śmigłowcu Mi-24: 1 silnik napędowy TW3-117MT, 2 wentylator mechaniczny, 3 przekładnia główna WR-24, 4,5,7 wał transmisji mocy, 6 skrzynka napędu agregatów SNA typ (skrzynia napędu prądnic), 8 prądnica GT-40PCz6 lewa (za nią do tej samej skrzynki napędu prądnic przytwierdzona jest prądnica GT-40PCz6 prawa), 9 przekładnia pośrednicząca (kątowa), 10 przekładnia tylna, 11 śmigło ogonowe Wał główny podlega niezrównoważonemu momentowi od niewyważenia wirnika nośnego w górnej swej części [11], a u dołu nie ma żadnego znaczącego momentu bezwładności. W związku z tym wszystkie uderzenia dynamiczne od strony łopat nośnych oraz tarczy i głowicy sterującej przenosi górne łożysko wału głównego. Łożysko to ma konstrukcję półotwartą i jest wciśnięte w górną pokrywę obudowy przekładni WR-24, przez co może być narażone na penetrację wilgoci i pyłu, co dodatkowo komplikuje proces eksploatacji. Łożysko to przenosi większość sił związanych z niewyważeniem łopat nośnych oraz z oddziaływaniem tarczy sterującej. Jest to bowiem jedyne łożysko, które podtrzymuje wał główny wirnika nośnego od strony łopat nośnych. Jego uszkodzenie może spowodować nieobliczalne skutki z katastrofą włącznie. W związku z tym konieczność jego monitorowania jest oczywista. Zastosowanie tradycyjnych metod, np. wibroakustycznych, wydaje się mało skuteczne z uwagi na:

4 8 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski a) znaczną grubość korpusu przekładni i znaczne tłumienie struktury materiałowej (odlew wykonany z tzw. elektronu), w związku z tym korpus może intensywnie tłumić wibracje i sygnały akustyczne z głębi łożyska górnego, b) sąsiedztwo z węzłami mechanicznymi o wyjątkowo wysokim poziomie wibracji i natężenia dźwięku. W związku z tymi relacjami jedyną alternatywną metodą monitorowania wydaje się metoda FAM-C. 3. Wykrycie uszkodzonego górnego łożyska wału głównego oraz innych podzespołów przekładni głównej WR-24 metodą FAM-C W artykułach [2, 10, 11] opisano możliwości wykrycia uszkodzonego górnego łożyska wału wirnika nośnego śmigłowca Mi-24 metodą FAM-C, dzięki obserwacji przebiegu częstotliwości chwilowej napięcia pobieranego z prądnicy pokładowej w funkcji czasu f i = f(t). Zliczając liczbę oscylacji w odcinkach czasu odpowiadających jednemu pełnemu obrotowi wału, można odczytać wartość bieżącą współczynnika toczenia, tj. iloraz prędkości kątowej koszyka łożyska w stosunku do prędkości kątowej wału głównego. Z geometrii tego łożyska można obliczyć, zgodnie ze wzorem wyprowadzonym w [12], wartość znamionową tego współczynnika (p sn = 0,355) [10]. Dzięki temu z przebiegu częstotliwości chwilowej można wstępnie ocenić, czy górne łożysko działa poprawnie [10, 11]. W ten sposób wykryto uszkodzone łożysko toczne na śmigłowcu Mi-24 nr 84 (wzorzec negatywny), co zostało potwierdzono przez jego weryfikację (po uprzednim demontażu). W niniejszym opracowaniu autorzy proponują ponowną analizę wyników opisanych w [2, 10, 11]. Tym razem nie na podstawie obserwacji przebiegów f i = f(t), lecz na podstawie parametrów zbiorów charakterystycznych ΔF = f(f p ). Analizie podlegały zbiory charakterystyczne otrzymane z tego samego źródła pierwotnego, co opisywane w [2, 10, 11]. Informacje uzyskane z analizy parametrów zbiorów charakterystycznych dostarczają znacznie więcej informacji diagnostycznych niż zbiory częstotliwości chwilowych. Każdy zbiór charakterystyczny odwzorowuje dynamikę ruchu innego podzespołu mechanicznego. Dzięki zobrazowaniu ΔF = f(f p ) można więc na jednej płaszczyźnie współrzędnych prostokątnych obserwować stan zużycia wielu podzespołów jednocześnie [14, 15]. Po ponownej analizie parametrów zbiorów charakterystycznych można stwierdzić, że pomiędzy łożyskiem wału głównego a SNA powstał rezonans mechaniczny [2, 10, 11]. Jego wykrycie dzięki analizie przebiegu f i = f(t) byłoby praktycznie niemożliwe. Rezonans ten objawiał się

5 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi-24 9 zmniejszeniem wysokości zbioru charakterystycznego łożyska górnego oraz rozdzieleniem na dwa podzbiory: A 21 oraz A 22 (rys. 2 i 3, tab. 1 i 2) [13]. Obserwuje się jednocześnie zmniejszenie szerokości pasma częstotliwości zajmowanego przez taki podzbiór w stosunku do zbioru przed wystąpieniem rezonansu (wzór (1)). Jednocześnie zbiór charakterystyczny zwiększa wartość dobroci (wzór (2)). Dla porównania dla wzorca pozytywnego (rys. 3) analogiczny zbiór przyjmuje znacznie wyższe wartości (tab. 1 i 2). Podobne relacje związane ze stanem rezonansowym zaobserwowano dla łożyska tocznego pewnego silnika na samolocie TS-11 Iskra [13]. Dokonana wówczas weryfikacja udowodniła istnienie długotrwałego rezonansu mechanicznego, objawiającego się tzw. fałszywymi odciskami Brinella. Odciski te jednoznacznie świadczą o promieniowym rezonansie wewnętrznym łożyska tocznego. Jednocześnie dla takich właśnie łożysk autor obserwował (podczas eksploa-tacji silnika turbinowego) zwiększającą się względną wysokość zbiorów charakte-rystycznych otrzymywanych metodą FDM-A (względna wysokość zbioru chara-kterystycznego iloraz wysokości zbioru charakterystycznego A= { F i } max + { F i } min do jego szerokości, tj. do szerokości pasma częstotliwości zajmowanego przez ten zbiór charakterystyczny Δf pj = f pmaxj - f pminj (1) Wzrastała także wartość dobroci zbiorów charakterystycznych Q = f oj / Δf poj (2) gdzie: f oj częstotliwość nośna danego zbioru charakterystycznego (f o p s f N ) łożyska nr j, Δf pj szerokość pasma zbioru charakterystycznego danego łożyska nr j. Jednakże z punktu widzenia problemów eksploatacyjno-tribologicznych łożyska wału głównego samolotu TS-11 Iskra mają inny charakter pracy niż łożysko główne wirnika nośnego w przekładni WR-24. W silniku SO-3 samolotu TS-11 Iskra prędkość obrotowa jest nieporównywalnie większa (n = obr/min) niż w wolnoobrotowym górnym łożysku przekładni głównej śmigłowca Mi-24, gdzie prędkość obrotowa wynosi n = 240 obr/min). W związku z tym dla łożysk tocznych wału głównego silnika SO-3 problemem jest tzw. niedociążenie łożyska [13, 14, 9, 19], zaś w łożysku górnym przekładni WR-24 jego przeciążenie. Zatem wartości dobroci mechanicznej (otrzymane metodą FAM-C) dla łożyska TS-11 Iskra były znacznie większe (dopiero osiągnięcie wartości dobroci Q 10 kwalifikowało łożysko do wymiany, a silnik do wycofania z eksploatacji). Łożysko górne przekładni WR-24 podpiera wał główny obciążony potężnym momentem bezwładności wirnika nośnego. W związku z tym zbiór charakterystyczny

6 10 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski tego łożyska ma zmniejszoną (wytłumioną) częstotliwość średnią i wartość dobroci kwalifikująca łożysko do wymiany (wycofania przekładni z eksploatacji) szacowana jest już na poziomie Q = 4 (tab. 1). Różnice w wartościach momentów bezwładności łożysk obu konstrukcji są znaczne (TS-11 Iskra i Mi-24). W przypadku Mi-24 rezonans łożyska górnego nie spowodował wprowadzenia drgań zsynchronizowanych sąsiednich węzłów mechanicznych. Na rys. 2 można zauważyć, że tylko jeden zbiór charakterystyczny A 2 dla wzorca negatywnego (Mi-24 nr 84) ulega rozpadowi na dwa podzbiory (A 21 oraz A 22 ) o znacznej wartości dobroci Q. Efektem przeciążenia łożyska są złuszczenia (rys. 4, szczegół 6). Wywołuje je prawdopodobnie rezonans o podobnym mechanizmie jak opisany w [13], polegający m.in. na promieniowych odbiciach elementów tocznych od bieżni łożyskowych. Elementy toczne, uderzając synchronicznie w te same miejsca bieżni, powodują uszkodzenia powierzchniowe zwane fałszywymi odciskami Brinella. Wydaje się jednak, że tu wchodzi w grę także drugi mechanizm powstawania złuszczeń z uwagi na niską wartość prędkości obrotowej, bardzo duże naciski punktowe elementu tocznego na bieżnię wewnętrzną, i stosunkowo małą sztywność tej bieżni mogą powstawać sfalowania powierzchniowe opisane w [3]. A 1 = 1,25 Hz ΔF [Hz] A 21 = 0,8 Hz A 22 = 0,9 Hz A 3 = 0,77 Hz A 4 = 0,6 Hz f p [Hz] Rys. 2. Zbiory charakterystyczne otrzymane dla zespołu napędowego wzorca negatywnego śmigłowca Mi-24 nr 84 z uszkodzonym górnym łożyskiem przekładni WR-24

7 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi Parametry otrzymane z pomiarów FAM-C wykonanych na Mi-24 nr 84 dnia r. Tabela 1 Oznaczenie robocze testu Wartość bieżąca współczynnika toczenia MAX Wartość częstotliwości średniej fpo odczytanej jako średnia z przebiegu fi=f(t) A1 dla fp=2 5 Hz A2 dla fp=10 25 Hz Dobroć mechaniczna zbioru A2 Q2 A2 dla fp=10 25 Hz Dobroć mechaniczna zbioru A2 Q2 A3 dla fp=39 45 Hz A4 dla fp=49 60 Hz LS1_84 0, ,7 1,25 0,80 2,43 0,90 2,4 0,77 0,60 LS2_84 0, ,0 1,20-5,50 0,95 3,1 0,75 0,60 LS3_84 0, ,0 1,10 1,02 4,67 1,05 4,4 0,65 0,68 LS1_84 0, ,0 1,10 0,8 6,61 0,76 3,3 0,65 0,67 PS2_84 0, ,7 1,15-5,4 1,00 4,0 0,60 0,55 PS3_84 0, ,3 0,50 0,55 2,50 0,4 3,0 0,32 0,30 Średnia arytm. 0, ,4 1,05 0,79 4,52 0,84 3,4 0,62 0,58 Parametry otrzymane z pomiarów FAM-C wykonanych na Mi-24 nr 465 dnia r. Tabela 2 Oznaczenie robocze testu Wartość bieżąca współczynnika toczenia MIN Wartość częstotliwości średniej fpo odczytanej jako średnia z przebiegu fi=f(t) A1 dla fp=2 5 Hz A2 dla fp=10 25 Hz Dobroć mechaniczna zbioru A2 Q2 A2 dla fp=10 25Hz Dobroć mechaniczna zbioru A2 Q2 A3 dla fp=39 45 Hz A4 dla fp=49 60 Hz LSAB1 0, , ,45 0,9 0,35 0,32 LS AB2 0, , ,60 0,9 0,60 0,65 LS AB3 0, , ,10 0,7 0,35 0,26 PS AB1 0, , ,77 1,1 0,25 0,27 PS AB2 0, , ,90 1,4 0,40 0,40 PS AB3 0, , ,67 1,8 0,40 0,47 Średnia arytm. 0, , ,58 1,1 0,55 0,39

8 12 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski A 1 = 1,4 Hz ΔF [Hz] A 2 = 1,6 Hz A 3 = 0,6 Hz A 4 = 0,65 Hz f p [Hz] Rys. 3. Przebieg zmian częstotliwości chwilowej lewego silnika z Mi-24 nr 56 wzorzec pozytywny Oprócz łożyska górnego, metoda FAM-C umożliwia monitorowanie wielu innych podzespołów przekładni WR-24 (rys. 3 i 4). Wstępnie można przyjąć, że dla śmigłowca Mi-24 powinny być mierzone wysokości zbiorów charakterystycznych: 1) A 1 dla f P1 = 2 5 Hz, 2) A 2 dla f P2 = 5 25Hz, 3) A 3 dla f P3 = Hz, 4) A 4 dla f P4 = Hz, W czasie trwania testów pilot ustawiał różne prędkości znamionowe wału głównego. W związku z tym zaproponowano wprowadzenie pojęcia prędkości standaryzowanej zgodnie ze wzorem: f pjst = f pj (f sr / f NG ) (3)

9 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi a) b) 7 8 Rys. 4. Uszkodzone łożysko górne wzorca negatywnego (przekładni WR-24 śmigłowca Mi-24 nr 84): a) łożysko górne WR-24 przed wymontowaniem, b) łożysko górne po częściowym wymontowaniu: 1 nakrętka wału głównego dociskająca pierścień wewnętrzny łożyska, 2 elementy toczne łożyska (kule), 3 pierścień wewnętrzny, widoczny tylko górny półpierścień, 4 koszyk (separator), 5 pierścień zewnętrzny, 6 złuszczenia bieżni wewnętrznej, 7 pierścień wewnętrzny, widoczny tylko dolny półpierścień (górny został zdemontowany), 8 czop łożyska ze śladami zerwania pasowania (wciskowego) z pierścieniem wewnętrznym łożyska

10 14 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski Dla konfiguracji pomiarowej jednofazowej zacisków siłowych prądnicy GT-40PCz6 częstotliwość znamionowa (nośna) wynosi f NG1f = 400 Hz, dla konfiguracji pomiarowej trójfazowej częstotliwość znamionowa (nośna) wynosi f NG3f = 1200 Hz. Przy wykorzystaniu podwzbudnicy prądnicy GT-40PCz6 częstotliwość znamionowa (nośna) wynosi f NG1fw = 800 Hz, dla konfiguracji pomiarowej trójfazowej częstotliwość znamionowa (nośna) wynosi f NG3fw = 2400 Hz. Stosując wzór (3), można korygować położenie częstotliwości kinematycznej zbioru charakterystycznego przy odchyleniu prędkości silników głównych śmigłowca od prędkości znamionowej. Ułatwi to identyfikację poszczególnych zbiorów charakterystycznych z konkretnymi podzespołami mechanicznymi. Jednocześnie można wstępnie przyjąć następującą interpretację częstotliwości bazowych poszczególnych zbiorów charakterystycznych: 1) A 1 dla f P1 = 2 5 Hz luz promieniowy (mimośród) wału łożyska górnego przekładni WR-24 wstępne progi diagnostyczne: klasa A p s = 0,2 0,4> następny test po 400 h lotu, klasa B p s = <0,4 0,5) następny test po 200 h lotu, klasa C p s = <0,5 0,6) następny test po 100 h lotu, klasa D p s = <0,6 0,7) następny test po 50 h lotu, klasa E p s = <0,7 1) natychmiastowe przerwanie eksploatacji i demontaż. 2) A 2 dla f P2 = Hz zbiór charakterystyczny (obrazujący dynamikę przyhamowań elementów tocznych) łożyska górnego przekładni WR-24: dla idealnego stanu łożyska (p sn = 0,355, n = 4 obr/s, N = 16) f P = 22,7 Hz, dla łożyska silnie zużytego, tj. mieszczącego się w klasie diagnostycznej E (p sn = 0,799, n = 4 obr/s, N = 16) f P = 51,1 Hz. Pasmo tego zbioru charakterystycznego B = f P i częstotliwość charakterystyczna f PN umożliwiają obliczenie dobroci zbioru Q, które umożliwiają metryczną ocenę stopnia zagrożenia rezonansowego. Wartość Q 10, zgodnie z literaturą [20] oraz doświadczeniami praktycznymi dla silników turboodrzutowych samolotu TS-11 Iskra [12, 14, 15, 3, 17, 6], dyskwalifikuje łożysko; zazwyczaj przy zbliżaniu się (w funkcji czasu nalotu) do stanu rezonansowego łożyska występuje zmniejszanie się wysokości jego zbioru charakterystycznego, rozpad na dwa oddzielne zbiory i zwiększanie wartości Q [12, 14, 15]. 1) A 3 dla f P3 = Hz częstotliwość znamionowa wału wyjściowego (pierwsza harmoniczna prędkości obrotowej wału) skrzynki napędu prądnic (skrzynki agregatów typ ); częstotliwość znamionowa tego wału wynosi f PN3 = 43 Hz. Należy pamiętać o tym, że przy zmianach prędkości obrotowej silnika przesunie się zbiór charakterystyczny, tj. f P3 przemieści się względem

11 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi f PN3, dlatego też należy śledzić zmianę częstotliwości znamionowej prądnicyprzetwornika GT-40PCz6 jeśli dla pomiaru jednofazowego zmniejszy się np. o 10% w stosunku do 400 Hz, to wartość f P3 przemieści się względem f PN3 także o 10%; zwiększona wartość wysokości zbioru charakterystycznego może świadczyć o zwiększeniu luzu promieniowego lub bicia wału wyjściowego. 2) A 4 dla f P4 = Hz częstotliwość znamionowa (pierwsza harmoniczna prędkości obrotowej wału) wału wejściowego skrzynki napędu prądnic (skrzynki agregatów typ ); częstotliwość znamionowa tego wału wynosi f PN3 = 54 Hz. Zwiększona wartość wysokości zbioru charakterystycznego może świadczyć o zwiększeniu luzu promieniowego lub bicia wału wejściowego skrzynki agregatów typ Można zauważyć, że częstotliwość znamionowa wału wejściowego SNA jest równa częstotliwości własnej silnie zużytego łożyska górnego przekładni WR-24 (patrz p. 2, gdzie f p = 51,1 Hz) istnieje możliwość wystąpienia rezonansu przestrzennego [2, 6, 1, 16]. Część z opisanych zbiorów charakterystycznych dotyczy SNA, tj. skrzyni napędów agregatów typ (skrzyni napędu prądnic). Dlatego też należy pokrótce omówić jej konstrukcję. Poza tym, pewne elementy przekładni WR-24, gdy ulegną zużyciu, wchodzą w rezonans ze zużytymi podzespołami skrzyń napędów [10]. 4. Diagnozowanie skrzynki napędów prądnic Mi-24 W poprzednim podrozdziale skrzynka napędu prądnic (formalnie zwana skrzynką napędu agregatów SNA) traktowana była jako jeden z wielu elementów przekazujących ruch obrotowy z przekładni głównej WR-24 do prądnicyprzetwornika GT-40PCz6. Zakładano przy tym ciągłość przekazu prędkości kątowej pomiędzy monitorowanym łożyskiem głównym przekładni WR-24 a prądnicąprzetwornikiem. Zastosowano pomiar jednofazowy napięcia wyjściowego (115 V, 400 Hz) prądnicy GT-40PCz6. Rozdzielczość pomiaru FAM-C opartego na tej konfiguracji pomiarowej jest ograniczona do dosyć niskich mechanicznych częstotliwości pierwotnych. Jest ona idealna do monitorowania wolnobieżnych łożysk (np. łożyska głównego, gdzie n = 4 obr/min, 16 elementów tocznych), lecz daleko niewystarczająca do oceny wielkości (z założenia niewielkich, bo wynoszących 0,03 0,05 wartości modułu koła zębatego) luzów międzyzębnych lub obserwacji szybkoobrotowych łożysk.

12 16 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski W niniejszych rozważaniach skrzynka napędu prądnic będzie postrzegana jako model mechaniczny nieciągły, w którym będą obserwowane m.in. luzy międzyzębne skrzynki napędu agregatów. Aby to było możliwe, autorzy wykorzystali do pomiaru metodą FAM-C konfigurację trójfazową, przy podłączeniu się do napięcia wewnętrznego prądnicy GT-40PCz6 do tzw. podwzbudnicy (o częstotliwości znamionowej 800 Hz). W ten sposób uzyskuje się dwukrotny wzrost rozdzielczości ruchu kątowego podzespołów mechanicznych. 2 4 n = 6104 obr/min=100obr/s Z70 Do śmigła ogonowego (5 segmentów wału) Z66 n = 3237 obr/min = 54obr/s Do przekładni głównej n = 2742obr/min = 43 obr/s Kierunek lotu n = 6104obr/min=100obr/s 1 3 Z31 Z35 Rys. 5. Schemat poglądowy kompletnej skrzynki napędu agregatów (SNA) typ z prądnicami w systemie transmisji mocy śmigłowca Mi-24: 1 prądnica trójfazowa GT-40PCz6 nr 1; 2 skrzynka napędu prądnic; 3 wentylator prądnic; 4 prądnica trójfazowa GT-40PCz6 nr 2; Z66 koło zębate wału wejściowego (napęd od przekładni WR-24); Z70 koło zębate na wyjściu (przekazywanie mocy w kierunku śmigła ogonowego); Z35 koła zębate pośredniczące Na rys. 5 przedstawiono budowę skrzynki napędu prądnic ze śmigłowca Mi-24. Moc wejściowa jest podawana na koło zębate Z66. Stąd odbywa się przepływ mocy, poprzez koła zębate Z35, na dwie prądnice TG-40PCz6 oraz w kierunku napędu śmigła ogonowego. Analizując schemat, można zauważyć, że wejście mocy odbywa się z przekładni głównej WR-24. Kołem czynnym jest Z66, które napędza symetrycznie dwa bierne koła Z35 i jest jednocześnie przez nie podpierane. Natomiast na wyjściu mocy nie ma takiego symetrycznego podparcia koło zębate Z70 jest podparte jednostronnie przez koło Z31. Jeżeli więc w łożyskowaniu (rys. 5) osi koła zębatego Z70 wystąpią luzy promieniowe, to będą one powodowały nietłumione ruchy promieniowe tej osi. Wzajemne ruchy promienio-

13 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi we osi obrotu koła Z31 względem osi obrotu koła Z70 przełożą się na oscylacje prędkości kątowej śmigła ogonowego. Przesyłanie mocy mechanicznej pomiędzy kołami zębatymi Z31 a Z70 odbywa się okresowo z pewnymi nadwyżkami mocy. Może to także skutkować zwiększeniem tempa zużycia tribologicznego pary kół zębatych Z31 i Z70. Zwiększa się także prawdopodobieństwo rozerwania więzi kinematycznej pomiędzy kołami zębatymi Z31 i Z70. Siły odpychające pomiędzy kołami zębatymi Z31 i Z70 powodują wahania kątowe obu osi obrotu. Przekoszenie wału powoduje wytworzenie szczególnego układu sił na wałku napędowym tej prądnicy. Takie oddziaływanie przedstawiono na rys. 6, a jego skutki na rys. 7. Aby potwierdzić tę koncepcję zużycia, wykonano pomiary podziałki modułowej wielowypustów wałka napędowego prądnicy GT-40PCz6. Rys. 8 przedstawia płaszczyzny (A-A, B-B, C-C) wykonywania tych pomiarów. Długotrwała praca kół zębatych przy periodycznych ruchach kątowych, powoduje ubytki materiałowe na krawędziach przyporu wielowypustów wałka prądnicy GT-40PCz6 (rys. 9). P DN dpr β P Rys. 6. Przekrój podłużny połączenia wałka prądnicy w tulei napędowej przy przekoszeniu połączenia o kąt β: DN średnica wewnętrzna tulei zębatej napędu, dpr średnica wałka podzespołu napędzanego np. prądnicy punkt styku krawędzi zęba wałka prądnicy z krawędzią zęba tulei napędowej strzałką oznaczono kierunek przemieszczania tego punktu, tj. koncentracji sił ściernych na krawędzi styku wypustów Na wykresie biegunowym zużycia płaszczyzny przyporu wałka wielowypustu prądnicy GT-40PCz6 nr 1 ze śmigłowca Mi-24 (rys. 9) można zauważyć zużycie materiałowe płaszczyzny przyporu zębów wielowypustu. Wykres obrazuje stożkowy kształt ubytków materiałowych wielowypustów średnica linii biegunowej A-A jest wyraźnie mniejsza niż pozostałych linii. Taki sposób zużywania się płaszczyzn przyporu świadczy o znacznym przekoszeniu tulei napędowej prądnicy względem osi symetrii wałka prądnicy i jednoczesnym przesunięciu mimośrodowym osi symetrii elementów połączenia. Taka sytuacja występuje dopiero

14 18 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski w przypadku zużycia łożysk tocznych. Wówczas to możliwe są ruchy kątowe osi obrotu koła zębatego Z31 o kąt β (rys. 6). W przypadku dozorowania skrzynki napędów prądnic śmigłowca Mi-24 istotne jest, aby odpowiednio wcześnie sygnalizować zwiększone przekoszenie wałka napędowego prądnicy względem tulei napędowej. Jeszcze bardziej istotne jest wczesne wykrycie powstawania nadmiernych luzów międzyzębnych pomiędzy kołami zębatymi Z31 i Z70. Utrata więzi kinematycznej pomiędzy tymi kołami grozi zatrzymaniem pracy śmigła ogonowego. Skutkiem tego jest zwykle obrót całego kadłuba śmigłowca wokół osi pionowej w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu śmigła głównego. Jeśli czas zatrzymania śmigła ogonowego jest odpowiednio długi, to zwykle kończy się to rozbiciem śmigłowca, a przy mniej zaawansowanym zużyciu trudnością z utrzymaniem kursu lotu. Rys. 10 przedstawia przebieg częstotliwości chwilowej uzyskany z pomiaru, który został wykonany na skrzynce napędu prądnic GT40PCz6 metodą FAM-C. Przebieg świadczy o zużyciu materiałowym niektórych segmentów kół zębatych w skrzynce napędu prądnic. Nadmierny luz obwodowy pomiędzy zębami powoduje nadwyżki dynamiczne prowadzące do wyłamania zębów (rys. 11). 1 Rys. 7. Wałek wielowypustowy prądnicy prądu przemiennego GT-40PCz6 po długotrwałej pracy z przekoszeniem i przesunięciem mimośrodowym: 1 ślad ubytków materiałowych na wielowypustach wałka napędowego w kształcie stożkowych ubytków na płaszczyźnie przyporu

15 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi Rys. 8. Pomiary wielowypustów wałków napędowych prądnicy GT-40PCz6: A-A, B-B, C-C kolejne płaszczyzny prowadzenia pomiarów wartości podziałki modułowej r [mm] r [mm] Rys. 9. Wykres biegunowy zużycia wielowypustów prądnicy prawej: A-A, B-B, C-C kolejne wartości podziałki modułowej (na wykresie odzwierciedlone w postaci promienia wiodącego r) dla kolejnych płaszczyzn prowadzenia pomiarów wartości podziałki modułowej

16 20 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski f i [Hz] t [s] Rys. 10. Przebieg f i = f(t) kanału pomiarowego AC dla nadmiernych luzów międzyzębnych pary kół zębatych w zużytej skrzynce napędów prądnic śmigłowca Mi-24 widoczne pojedyncze impulsy szpilkowe Rys. 11. Uszkodzone koło zębate w skrzynce napędów śmigłowca Mi-24

17 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi Zakończenie Metoda FAM-C, oparta na idei TTM, wykorzystująca prądnice pokładowe jako przetworniki diagnostyczne, jest tanią, kompleksową, łatwą do automatyzacji, metodą diagnostyczną monitorowania zespołu napędowego śmigłowca. Prądnica przenosi pierwotne sygnały diagnostyczne w pasmo względnie wysokich częstotliwości i sygnały te uzyskują znaczną odporność na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Dzięki opracowaniu metody sterowania pasmem obserwowalności procesów mechanicznych ( oknem widzialności ) prądnicy [14], można obserwować prawie wszystkie ogniwa kinematyczne zespołu napędowego danego śmigłowca. Metodą tą obserwowano stan techniczny łożyska głównego i stan kół zębatych skrzynki napędu agregatów dwóch śmigłowców Mi-24. Podczas obserwacji drgań łożyska górnego przekładni głównej śmigłowca Mi-24 stwierdzono, że gdy zbiór charakterystyczny łożyska rozpadnie się na dwa podzbiory i wartość dobroci wzrośnie do poziomu Q = 4, należy to łożysko natychmiast wycofać z eksploatacji. Podczas badań stwierdzono, że pogarszający się stan powierzchni bieżni wewnętrznej łożyska głównego powoduje zwiększenie prędkości kątowej koszyka. W związku z tym zwiększa się częstotliwość drgań prędkości kątowej generowanej w kierunku transmisji śmigła ogonowego. Dla pewnego poziomu zużycia bieżni wewnętrznej łożyska głównego przekładni WR-24 (takiego jakie zaobserwowano na wzorcu negatywnym) częstotliwość tych drgań zbliża się do częstotliwości zazębiania wału łączącego WR-24 ze skrzynką napędu agregatów pary kół zębatych Z31 i Z70. Takie synchroniczne drgania mogą wpływać na podcinanie dwóch przeciwległych zębów w kole zębatym Z31 na skutek synchronicznie powtarzającego się przyśpieszenia kątowego podczas jego zazębiania z kołem Z70. Opisany proces intensyfikuje się przy zużyciu łożyskowania osi koła zębatego Z31 skrzynki napędów. Wówczas to podcinany jest tylko jeden ząb, gdyż częstotliwość zazębiania pary kół zębatych Z31 i Z70 spada o połowę. Aby stwierdzić, czy SNA osiągnęła poziom destrukcji klasyfikujący ją do wymiany, zaproponowano pomiar wielowypustów wałka prądnicy dla trzech przekrojów poprzecznych z chwilą powstania zużycia w kształcie stożka należy wnioskować, że wałki prowadzące kół zębatych Z31 i Z70 mają dynamiczne przekoszenia. Z uwagi na zamiany egzemplarzy prądnic GT-40PCz6 należałoby dodatkowo przeprowadzać podobne badania stanu technicznego wielowypustów wewnętrznych tulei napędowej (wielowypustów drążonego wału koła zębatego Z31). Podsumowując: Metoda diagnozowania FAM-C umożliwia szczegółowe monitorowanie wielu węzłów mechanicznych jednocześnie, zaś zmiana konfiguracji pomiarowej z jednofazowej na trójfazową umożliwia przemieszczenie pasma

18 22 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski obserwowalności procesów mechanicznych w kierunku wyższych częstotliwości f p. FAM-C nie wymaga żadnych czujników ich rolę odgrywa prądnica pokładowa. Dzięki FAM-C możliwe jest szybkie wykrywanie awarii oraz uszkodzeń. Zły stan techniczny przekładni głównej WR-24, a w szczególności jej łożyska górnego wpływa na szybkość zużycia skrzynki napędu agregatów. Wymiana łożyska głównego w przekładni WR-24 powinna się wiązać z wymianą współpracującej z nią skrzynki napędu agregatów. W przypadku gdy łożysko górne przekładni WR-24 zostanie wymienione na nowe, a zużyta (mająca znaczne luzy promieniowe łożysk) skrzynka napędów pozostanie, proces destrukcyjny podcinania zęba koła Z31 będzie trwał nadal. Proces podcinania jednego zęba koła zębatego Z31 może powodować utrudnienie utrzymania kierunku lotu: w efekcie może nastąpić wyłamanie podciętego zęba, dynamiczne ścięcie sąsiednich i przerwanie transmisji mocy mechanicznej na śmigło ogonowe. Łożyska toczne wolnoobrotowe, stanowiące podpory wałów obciążonych znacznymi momentami bezwładności, gdy osiągną stan rezonansu, powinny być odsuwane od eksploatacji przy znacznie niższych wartościach dobroci (dla Mi-24 autorzy zaproponowali poziom graniczny Q = 4) niż łożyska wysokoobrotowe silników turboodrzutowych (Q = 10). Podwzbudnica prądnicy prądu przemiennego może wykrywać nadmierne międzyzębne luzy obwodowe (zagrażające bezpieczeństwu eksploatacji śmigłowca) kół zębatych w skrzynce napędu agregatów (SNA). Literatura 1. Andrejewicz J.: Drgania deterministyczne układów dyskretnych, WNT, Warszawa Augustyn S., Gębura A.: Możliwości diagnozowania skrzyń napędów i zespołów transmisji śmigłowca Mi-24 metodą FAM-C. Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2010, nr 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

19 Wybrane problemy zużycia transmisji śmigłowca Mi Campbell W.: Elastic fluid turbine rotor and method of avoiding tangential bucket vibration threin. Patent US (1924). 6. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT, Warszawa Duan F., Fang Z., Sun Y., Ye S.: Real Time Vibration Measurement Technique Based On Tip-Timing For Rotating Blades. Opto-Electronic Engineering 2005, 30(1): http// 8. Flotow A., Drumm M.J.: Engine Sensing Technology Hardware & Software To Monitor Engine Rotor Dynamic Using Blade Time-Of-Arrival And Tip Clerance. Hood River, USA, 2002, 9. Furmanek S., Kraszewski Z., Niezawodność łożysk tocznych. Wydawnictwa Przemysłowe WEMA, Warszawa Gębura A., Karczmarek K.: Mi-24 requires transmition monitoring system (Mi-24 wymaga systemu monitorowania transmisji) Journal of KONBiN 2011, No 4(20). 11. Gębura A., Kurdelski M.: Diagnozowanie tarcz sterujących śmigłowców Mi-17 i Mi-24 metodą FAM-C. Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2013, nr Gębura A., Tokarski T.: Zastosowania metody FDM-A do oceny poślizgu łożysk tocznych i niewspółosiowości podpór łożyskowych. Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2007, 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. Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa Gębura A.: Metoda modulacji częstotliwości napięcia prądnic pokładowych w diagnozowaniu zespołów napędowych. Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa Karaś K.: Analiza modalna użyteczna metoda rozwiązywania problemów drganiowych. Nowa Energia 2012, nr 4(28). 17. Kocańda D., Mierzyński J., Śnieżek L.: Podstawy konstrukcji maszyn. Wydawnictwo Przemysłowe WEMA, Warszawa Momentomierz, Patent USA nr , Orłowski Z.: Diagnostyka w życiu turbin parowych. WNT, Warszawa Robinson W.W., Washburn R.S.: A Real Time Non-Interference Stress Measurement System (NSMS) for Determining Aero Engine Blade Stress. Instruments Society of America, 1991.

20 24 Andrzej Gębura, Krzysztof Zientalski