Andrzej GĘBURA Tomasz TOKARSKI Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 25, s. 89 107, 2009 r. DOI 10.2478/v10041-009-0010-1 MONITOROWANIE WĘZŁÓW ŁOŻYSKOWYCH O NADMIERNYCH LUZACH PROMIENIOWYCH METODAMI FAM-C I FDM-A W artykule przedstawiono wnioski z obserwacji podpór łożyskowych o zwiększonych luzach promieniowych za pomocą metod FAM-C 1 i FDM-A 2. Opisano rolę filmu olejowego w tego typu zużyciu łożysk tocznych. Omówiono objawy, parametry i zagrożenia stanu rezonansowego w węzłach łożyskowych oraz możliwości jego diagnozowania przy pomocy metod FAM-C i FDM-A. Przedstawiono hipotezy dotyczące kolejnych etapów zużywania się podpór łożyskowych lotniczego silnika turboodrzutowego z powstawaniem stanu rezonansu włącznie. Opisano mechanizm rezonansu łożysk tocznych, znaczną uwagę poświęcając oddziaływaniu momentów żyroskopowych na podpory łożyskowe, zarówno w skali mikro, jak i makro. Rozważania teoretyczne uzupełniono wynikami badań diagnostycznych autorów oraz danymi weryfikacji mechanicznej silników z ich komisyjnych demontaży. Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, diagnozowanie napędów, modulacja częstotliwości, zbiór charakterystyczny, silnik turbinowy, łożysko toczne, współczynnik toczenia, rezonans, dobroć układu mechanicznego, tłumienie drgań mechanicznych. 1. Wstęp Badania nad tarciem mają swoją długoletnią historię, jednak głębsze badania nad zużywaniem się łożysk tocznych rozpoczęto stosunkowo niedawno, bo w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku [17]. Łożyska toczne są obecnie coraz bardziej obciążone i pracują z dużymi prędkościami, nieraz w bardzo trudnych warunkach. W przypadku łożysk tocznych stosowanych w lotniczych silni- 1 FAM-C: FM modulacja częstotliwości, A prąd przemienny. 2 FDM-A: FM modulacja częstotliwości, D prąd stały, A poziom zaawansowania metody.
90 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI kach turboodrzutowych dodatkowym problemem jest ich niedociążenie, zwłaszcza przy wyższych prędkościach obrotowych. W niektórych łożyskach tocznych po długotrwałej eksploatacji pojawiają się znaczne luzy promieniowe. Ich wielkość podczas badań metodami FDM-A i FAM-C określana jest przez wysokości zbioru charakterystycznego pierwszej harmonicznej kanału pomiarowego prądu przemiennego. Jak wynika z obserwacji autorów, można zauważyć istotne i jednoznaczne relacje pomiędzy zmianami charakterystyki toczenia a zwiększającymi się wielkościami luzów promieniowych. W miarę zwiększania luzów promieniowych łożyska następuje zmiana charakterystyki toczenia w funkcji prędkości obrotowej. Średnia wartość współczynnika toczenia p s (uśredniona ze wszystkich znamionowych prędkości obrotowych wału głównego, stosowanych w czasie badania) zmniejsza się poniżej teoretycznej, określanej dla idealnego obtaczania wzorem: gdzie: D w średnica bieżni wewnętrznej; d w średnica elementu tocznego. p s = D w /2 (2d w +D w ) (1) Równocześnie charakterystyka toczenia w funkcji znamionowej prędkości obrotowej wału głównego p s = f(n) staje się monotonicznie malejąca, przy czym jej gradient (nachylenie) zwiększa się ze wzrostem znamionowej prędkości kątowej wzrasta intensywność oddziaływania sił hydrodynamicznych oddziałujących na elementy toczne, a zanika klasyczne obtaczanie kontaktowe na szczytach mikronierówności pomiędzy powierzchnią elementów tocznych a powierzchniami obydwu bieżni łożyska. Podczas badań zaobserwowano, że w łożysku zbliżającym się do stanu rezonansu zmniejsza się rozrzut prędkości toczenia poszczególnych elementów tocznych względem siebie. W tej sytuacji szczególnego znaczenia nabiera rola filmu olejowego. W literaturze [16] wspomina się o badaniach doświadczalnych Palgmana, który przedstawił wzory empiryczne, umożliwiające obliczenie momentu tarcia z dokładnością wystarczającą dla praktyki inżynierskiej. W tym celu rozdzielił łączne opory tarcia wyrażonego w postaci momentu tarcia M t na dwa składniki: M o moment wywołany stratami brodzenia i tarciem wewnętrznym w środku smarującym, M 1 moment tarcia uwzględniający wielkość styku elementów tocznych z bieżniami, wynikający z obciążenia i intensywności zjawisk przebiegających w tych obszarach. Tak więc łączne opory tarcia M t można określić wzorem:
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 91 M t = M o + M 1 (2) Wraz ze zwiększeniem luzów promieniowych łożyska, następuje zmniejszenie udziału bieżni w przenoszeniu obciążenia, a w wyniku tego znacznie zmniejsza się nośność łożyska [17]. Rozróżnia się luz promieniowy łożyska tocznego: montażowy wprowadzony w czasie montażu nowego łożyska, luz eksploatacyjny powstający w czasie eksploatacji łożyska i uzależniony od stopnia zużycia bieżni i elementów tocznych. Pozornie, im większe są luzy promieniowe łożysk tocznych pracujących w środowisku silnych wibracji, jak np. łożysk tocznych silników turbinowych, tym więcej oleju smarnego powinno się wtłoczyć w ich miejsce. Według autorów niniejszego opracowania byłby to błąd. Większa ilość środka smarnego zwiększyłaby co prawda tłumienie drgań rezonansowych podpór łożyskowych, lecz spowodowałaby jednocześnie wzrost momentu brodzenia M o i związanego z nim łącznego momentu tarcia M t. Co gorsza, na skutek oddziaływania filmu olejowego (siły hydromechaniczne), wydłużałyby się odcinki czasu bez kontaktu elementu tocznego z bieżnią. Już w 1974 r. Arhard i Paglina [2, s. 309] stwierdzili, że opory tarcia tocznego M t ulegają znacznemu zmniejszeniu w warunkach pewnego niedoboru smaru, pod warunkiem że jest go na tyle dużo, że niedobór ten nie wpływa wyraźnie na ciągłość warstwy przyściennej smaru na elementach tocznych i bieżniach. W przypadku silników turbinowych prędkość obrotowa łożysk jest duża. Niezbędne staje się więc ograniczenie wydzielania ciepła. Dlatego w eksploatacji szczególnie ważne jest zachowanie czystości łożyska i jego kanałów smarnych. Ponadto stosowany środek smarny powinien mieć bardzo dobre właściwości odprowadzania ciepła. W literaturze spotyka się nawet stwierdzenia, że funkcja odprowadzania ciepła jest ważniejsza niż smarowanie. Wydzielanie ciepła w węźle łożyskowym ściśle związane jest ze wspomnianym wcześniej momentem tarcia. Moment tarcia elementów tocznych będzie największy tam, gdzie elipsa styku ma największą półoś. Dlatego też elementy toczne będą się toczyły po jednej powierzchni, a ślizgały po drugiej. Na ogół poślizg występuje na bieżni wewnętrznej, gdyż bieżnie zewnętrzne zapewniają, na skutek siły odśrodkowej bezwładności, lepsze przyleganie.
92 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI 2. Zjawiska żyroskopowe łożysk tocznych silników turbinowych statków powietrznych Równolegle z siłą odśrodkową, pojawia się moment żyroskopowy działający na element toczny T w, który opisany jest wzorem: T w = I w ω k ω b sinβ (3) gdzie: I w moment bezwładności elementu tocznego; ω k prędkość kątowa koszyka łożyska; ω b prędkość kątowa elementu tocznego; β kąt między podłużną osią symetrii czopa a osią podłużną elementu tocznego. Opisany wzorem (3) moment żyroskopowy powoduje sprowadzenie wektora krętu elementu tocznego do wektora momentu wymuszeń zewnętrznych po najkrótszej drodze, aż do pokrycia się obydwu wektorów. Należy rozpatrzyć dwa rodzaje oddziaływania momentów żyroskopowych: 1) w skali mikro gdzie żyroskopem są elementy toczne lub koszyk, zaś pozostałe elementy łożyska oddziaływają na niego pewnymi momentami sił moment żyroskopowy opisany jest wzorem (3); 2) w skali makro gdzie żyroskopem jest zespół wirnikowy silnika turbinowego, zaś wychylenia elementów sterujących płatowca powodują momenty wymuszeń oddziałujące na węzły mocowania silnika turbinowego moment żyroskopowy w tym przypadku T zs może być opisany wzorem: T zs = I s ω s ω υ sin(k, M ν ) (4) gdzie: K wektor krętu; M ν wektor wymuszeń związany z oddziaływaniem elementów sterujących statku powietrznego, np. steru pochylenia; ω s prędkość kątowa zespołu wirnikowego, np. sprężarki; ω υ prędkość kątowa statku powietrznego, np. prędkość kątowa zmiany kąta pochylenia (υ) osi podłużnej statku powietrznego względem płaszczyzny ziemi; moment bezwładności zespołu wirnikowego silnika turbinowego. I s W przypadku nadmiernych luzów promieniowych oba rodzaje oddziaływań momentów żyroskopowych nabierają szczególnego znaczenia. Jeżeli na zespół wirnikowy będzie działała siła wymuszeń związana z wznoszeniem statku powietrznego, czyli będzie działał moment M ν, to wektor krętu K będzie dążył do pokrycia się z wektorem wymuszeń M ν. Schemat kinematyczny badanego silni-
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 93 ka turbinowego z uwzględnieniem momentów żyroskopowych przedstawiono na rys. 1. Jeżeli prędkość obrotowa silnika będzie na tyle mała, a moc turbiny zbyt niska, aby poprzez pierścień spinający naciągnąć osie obrotu wałów do wspólnej osi, to nastąpi przesunięcie do dołu osi wału wielowypustowego względem osi jego gniazda. Przesunięcie to jest wywołane na skutek oddziaływania wypadkowego wektora siły ciężkości (ewentualnie pod wpływem wypadkowego wektora siły ciężkości i siły odśrodkowej bezwładności wynikającej z manewru przestrzennego statku powietrznego) określonej wzorem: G = P + F r (5) gdzie: G wektor siły wypadkowej oddziaływujący na czop łożyska środkowego; P wektor siły ciążenia oddziaływujący na czop łożyska środkowego; F r wektor siły odśrodkowej bezwładności. Wartości modułów wektorów można opisać zależnościami: P = m g (6) F r = m V 2 / R (7) gdzie: m masa zastępcza czopa środkowego; V prędkość liniowa statku powietrznego w czasie manewru; R promień łuku drogi podczas manewru statku powietrznego. Łożysko środkowe silnia turbinowego jest zazwyczaj wciśnięte w gniazdo łożyskowe przez tłumik sprężysty drgań poprzecznych. Tłumik ten umożliwia znaczne promieniowe przemieszczania się czopa (niektóre tłumiki konstrukcyjnie są przygotowane na przemieszczenia do 1 mm). Jeżeli pod wpływem wektora siły G, oś połączeń przegubu wielowypustowego ugnie się o wartość luzu promieniowego r, to wałki łożyska tocznego mogą być poddane siłom przekaszającym, wywołującym kąt skoszenia o wartości przekraczającej poziom dopuszczalny określony dla danego typu łożyska. Wielkość kąta skoszenia obu części wału (wału sprężarki względem wału turbiny) można wyrazić wzorem: tgβ = r / L (8) gdzie: r wartość luzu promieniowego pod wpływem siły G ; L długość wału turbiny.
94 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI 1 2 a) 3 4 K G J s J T b) G M ν T zs K G J s J T Oznaczenia: J s moment bezwładności sprężarki, J T moment bezwładności turbiny, G komutatorowa prądnica prądu stałego GSR-ST-6000WT, K kręt, G wektor siły ciążenia oddziałujący na czop łożyska środkowego, M υ moment sił powstający podczas wznoszenia się samolotu w czasie lotu, 1 korpus sprężarki, 2 korpus turbiny, 3 nakrętka mocująca obie części wału, 4 półpierścienie mocujące obie części wału. Rys. 1. Schemat kinematyczny badanego silnika turbinowego z uwzględnieniem momentów żyroskopowych: a) rzut na płaszczyznę pionową, b) rzut na płaszczyznę poziomą: Wartość luzu promieniowego r, można przedstawić w postaci zależności: r = r w + r łt + r z (9) gdzie: r w luz (wewnętrzny) promieniowy łożyska tocznego; r łt ugięcie tłumika sprężystego drgań poprzecznych; r z luz promieniowy połączenia wielowypustowego wałów silnika.
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 95 W przypadku skoszenia obu części wałów, wałki łożyska tocznego ulegają przekoszeniu, ponieważ oś symetrii podłużnej czopa zostaje kątowo przemieszczona względem osi symetrii gniazda łożyska. Im większy będzie luz (wewnętrzny) promieniowy w łożysku, tym większa tolerancja węzła środkowej podpory na przekoszenie wałów. Tam gdzie bieżnie zbliżają się do siebie (odległości między bieżniami będą minimalne), następuje obtaczanie danej krawędzi po bieżni wewnętrznej i zewnętrznej. Jeżeli środek połączenia obu wałów ma znaczne przemieszczenie promieniowe (zależne od wielkości r), np. w kierunku wektora przyciągania ziemskiego, to zjawisko napędzania wałków łożyska tocznego przez obtaczanie pomiędzy bieżniami następuje tylko wtedy, kiedy wałki znajdą się w dolnej półsferze. Należy zaznaczyć, że wówczas napędzanie będzie realizowane poprzez sprzężenie cierne w punktach styczności. Obtaczanie w powyższych punktach jest realizowane nie tylko przez procesy cierne na powierzchni bieżni i elementów tocznych, ale również poprzez siły lepkości oleju smarnego przylegającego do powierzchni elementów tocznych i bieżni. Warunek znacznego przemieszczenia, czyli takiego, w którym będzie okresowo zanikało obtaczanie elementów tocznych pomiędzy bieżniami, można opisać zależnością: r > 2 h r (10) gdzie: h r grubość warstwy przyściennej filmu olejowego na powierzchni wałka tocznego oraz na powierzchni bieżni łożyska tocznego. Tak więc tylko w dolnym położeniu element toczny będzie napędzany, w pozostałych położeniach będzie się poruszał siłą bezwładności, wytracając energię na pokonanie sił bezwładności oleju smarnego. Kiedy swobodnie wirujący element toczny będzie zbliżał się do dolnego położenia, to jego prędkość obrotowa będzie znacznie zmniejszona. Z chwilą dostania się w strefę oddziaływania ciernego bieżni (m.in. poprzez siły lepkości przylegającego do tychże elementów tocznych i bieżni oleju smarnego), nastąpi intensywne zwiększanie prędkości obrotowej elementu tocznego. Z uwagi na bezwładność bryły elementu tocznego, wystąpi poślizg z wydzielaniem się znacznych ilości ciepła. Ważną cechą generowania ciepła jest wzrost temperatury elementów systemu tribologicznego. Ciepło generowane podczas tarcia może pozostać w obrębie systemu tribologicznego i aktywować zmiany w strukturach materiału elementów tocznych lub może być odprowadzane z systemu drogą przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Stąd też prawdopodobnie w przypadku braku dostatecznej ilości środka smarnego w tym rejonie następuje zukosowanie krawędzi wałków tocznych, stwierdzane w czasie demontażu niektórych silników.
96 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI Przy średnim poziomie przemieszczenia promieniowego (zależnego od wielkości r), określonego zależnością: h r < r 2 h r (11) istnieje zawsze co najmniej jeden punkt styczny wałka tocznego z co najmniej jedną bieżnią łożyskową. Wałki toczne w ten sposób są skośnie frezowane (punktowo obrabiane ) przez krawędź okna koszyka łożyska tocznego. Podobnie jak dla sprzęgieł wielowypustowych, pracujących z przekoszeniem [6, 14], punkt styczności powierzchni cylindrycznej wałka tocznego z krawędzią koszyka, w czasie jednego pełnego obrotu koszyka, przemieszcza się dwukrotnie wzdłuż wałka tocznego. Powoduje to zwiększenie intensywności zużycia powierzchni cylindrycznej wałka tocznego i okien koszyka. Podczas ewolucji statku powietrznego, np. wykonywania figury wyższego pilotażu, przemieszczenie osi czopa może się odbywać nie tylko do dołu, ale też w każdym innym kierunku. Teoretycznie siła dociskająca może zmienić kierunek oddziaływania. Wówczas opisane zużywanie się elementów tocznych oraz okien koszyka może przebiegać szczególnie szybko. Dlatego też, jeżeli w lotniczym silniku turbinowym stwierdzono (np. przy pomocy metody FAM-C) znaczny poziom luzów promieniowych w podporze łożyskowej, czyli poziom określony wzorem (10), to taki silnik nie może być eksploatowany na samolotach akrobacyjnych. Aby zapobiec zjawiskom nadmiernego przemieszczania się osi elementów przegubu wielowypustowego w miejscu połączenia obu części wałów, należy w czasie remontów przestrzegać ogólnych procedur regeneracji wielowypustów. Wielkości luzów promieniowych wielowypustów r z, po remoncie, powinny mieścić się w dolnym polu tolerancji określonej w normie. Ogólnie biorąc, wśród kadry inżynieryjno-technicznej zakładów remontowych panuje opinia, że im większe luzy w tym miejscu, tym mniejsze niebezpieczeństwo pęknięć dla struktury materiałowej obu części wału głównego w miejscu jego połączenia. Autorzy tego opracowania mają odmienne zdanie przestrzeganie ścisłych procedur minimalizacji luzów połączenia wielowypustowego spowodowałoby zmniejszenie wartości luzu promieniowego r. To z kolei umożliwiłoby minimalizację kąta przekoszenia obu części wału głównego w miejscu ich połączenia, skutkując zmniejszeniem momentów skręcających połączenia, w konsekwencji zmniejszając ryzyko pęknięć struktury materiału. Równie istotną rolę, z tego punktu widzenia, odgrywają także dokładności pasowań półpierścieni spinających (obie części wału głównego) z rowkami w wale turbiny oraz przestrzeganie reżimu technologicznego (wartości i kierunku) momentu siły przy skręcaniu nakrętki mocującej wał turbiny z czopem sprężarki.
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 97 3. Stany rezonansowe w łożyskach tocznych Przy stałej prędkości ruchu względnego trących się ciał, w zakresie małych wartości tych prędkości, rzeczywista prędkość ślizgania może zmieniać się w sposób skokowy. Taki ruch skokowo-poślizgowy nazywany jest z angielskiego stick-slip (utwierdzenie-poślizg). W systemach tribomechanicznych o takim ruchu powstają drgania rezonansowe, które mogą w wielu wypadkach zakłócić ich prawidłowa pracę. Głównymi warunkami pojawienia się drgań rezonansowych podczas tarcia są wyższa wartość siły tarcia statycznego od wartości siły tarcia kinematycznego oraz istnienie więzi sprężystej w systemie tribomechanicznym (tj. w każdym podsystemie związanym z elementem węzła tarcia). Stany rezonansowe w łożyskach tocznych mogą być spowodowane różnymi przyczynami, m.in. zwiększonymi luzami promieniowymi, wadliwym montażem łożysk lub nieodpowiednim ich przechowywaniem czy eksploatacją, zwłaszcza w kompletnym urządzeniu, np. silniku (brak okresowego obracania zespołu wirnikowego). Nieprawidłowa eksploatacja może spowodować, że na obwodzie bieżni łożyska dojdzie do utworzenia tzw. fałszywych odcisków Brinella. W dalszej eksploatacji stają się one swoistymi basenami przyciągania [1] elementów tocznych. Zdaniem autorów, lotnicze łożyska toczne są poprawnie przechowywane i montowane, zaś fałszywe odciski Brinella są raczej spowodowane silnym dociskiem czopa do bieżni zewnętrznej pod wpływem zjawisk opisanych w poprzednim rozdziale. Autorzy niejednokrotnie uczestniczyli w demontażu silników, w których wcześniej w czasie eksploatacji obserwowano, dzięki metodom FAM-C i FDM-A, stan rezonansu. Zawsze stwierdzano istnienie na bieżni zewnętrznej fałszywych odcisków Brinella, których liczba była równa liczbie elementów tocznych danego łożyska tocznego. Przykładem jest powierzchnia bieżni zewnętrznej łożyska tocznego przedstawiona na fot. 1. Elementy toczne koszyka, obracając się po bieżni wewnętrznej, powodują kątowe przemieszczanie koszyka. Stosunek prędkości kątowej koszyka do prędkości kątowej czopa (przy założeniu idealnego, tzn. bez poślizgów, obtaczania się elementów tocznych po bieżni), można obliczyć ze wzoru (1). Dla typowych łożysk tocznych lotniczych silników turbinowych, diagnozowanych przez autorów, wartość tego współczynnika wynosi przeważnie p s = 0,3 0,4. W związku z tym wydawałoby się, że liczba odcisków na bieżni zewnętrznej powinna być równa iloczynowi elementów tocznych N i wartości współczynnika toczenia p s. W rzeczywistości liczba odcisków na bieżni jest równa dokładnie liczbie elementów tocznych danego łożyska.
98 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI 2 1 Oznaczenia: 1 bieżnia zewnętrzna, 2 fałszywe odciski Brinella Fot. 1. Elementy łożyska środkowej podpory silnika turboodrzutowego Wydaje się, że zanim wystąpi stan rezonansu elementów tocznych w węźle łożyskowym, musi dojść do zwiększenia wymiarów okien w koszyku (na skutek tarcia ślizgowego między elementami tocznymi a krawędzią okna koszyka). Następnym etapem jest opadnięcie koszyka na bieżnię wewnętrzną. Obserwacje wykonywane za pomocą metod FAM-C i FDM-A zdają się ten scenariusz potwierdzać, gdyż widoczne są kolejne etapy zmian parametrów otrzymanych z napięcia wyjściowego prądnic: przed wystąpieniem stanu rezonansu występuje systematyczne zwiększanie wartości składowej pulsacji na przebiegu f i = f(t) (tor pomiarowy prądnicy prądu przemiennego metoda FAM-C), które świadczy o zwiększeniu wymiarów okien koszyka; pojawiają się symptomy opadnięcia koszyka na charakterystyce toczenia p s = f(n) pojawia się lokalne ekstremum dodatnie (tor pomiarowy prądnicy prądu stałego metoda FDM-A); z chwilą opadnięcia koszyka przestaje on być napędzany przez elementy toczne (uzyskujące w normalnym stanie napęd od bieżni łożyskowych), lecz zyskuje napęd bezpośrednio od bieżni wewnętrznej, zwiększa w ten sposób swoją prędkość kątową i zaczyna sam napędzać elementy toczne, powodując ich poślizgi po bieżni.
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 99 Po opadnięciu koszyka na bieżnię wewnętrzną jego prędkość zwiększa się z: poziomu prędkości określonej wzorem: ω k = p s ω cz (12) do poziomu prędkości kątowej czopa (przy założeniu braku poślizgu) określonej wzorem: gdzie: ω k prędkość kątowa koszyka; ω cz prędkość kątowa czopa; p s współczynnik toczenia; D k średnica wewnętrzna koszyka; D w średnica bieżni wewnętrznej. ω k = ω cz D w /D k (13) Średnica D k jest w praktyce większa od średnicy D w o kilka procent. Uwzględniając ruchy obwodowo-sprężyste koszyka i oddziaływanie elementów tocznych pomiędzy koszykiem a bieżnią wewnętrzną, można dojść do wniosku, że istnieje możliwość zrównania się prędkości kątowej koszyka z prędkością kątową czopa. Ruch elementu tocznego w czasie rezonansu odbywa się promieniowo. Jeżeli z jakichkolwiek przyczyn prędkość koszyka zmniejszy się poniżej prędkości czopa, to element toczny uderzy w element separujący koszyka i przekaże mu część swej energii, powodując zwiększenie jego prędkości kątowej. Następuje wówczas synchronizacja prędkości kątowej koszyka z prędkością kątową czopa. Oczywiście zjawisko to działa i w drugą stronę jeżeli prędkość koszyka przekroczy prędkość czopa, to nastąpi uderzenie drgającego elementu tocznego w przeciwbieżną krawędź okna koszyka i nastąpi jego przyhamowanie. Z powyższych rozważań wyłaniają się pytania dlaczego elementy toczne w czasie rezonansu promieniowego elementów łożyska żłobią i pogłębiają fałszywe odciski Brinella w ściśle określonym miejscu i jaki jest związek ich geometrycznego położenia ze zjawiskiem synchronizacji prędkości kątowej koszyka z prędkością kątową czopa? Otóż zdaniem autorów, elementy toczne wpadające stochastycznie do zagłębień w bieżni zewnętrznej wyhamowują część swej prędkości obrotowej, przez co odbywa się pewna standaryzacja prędkości obrotowej koszyka. Jeżeli element toczny wytraci w fałszywym odcisku Brinella zbyt wiele energii, nie zdąży wówczas odbić się wystarczająco szybko od bieżni zewnętrznej i zostanie pociągnięty po bieżni zewnętrznej przez nadbiegający element koszyka. W ten sposób element toczny nabierze większej prędkości obrotowej. Jeżeli odwrotnie element toczny ma zbyt dużą energię obrotową, to zamiast od razu
100 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI odbić się od fałszywego odcisku Brinella, przetacza się po jego dnie w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotu koszyka. Wówczas, poprzedzający element koszyka uderza element toczny w kierunku przeciwnym do dotychczasowego kierunku obrotu tegoż elementu tocznego, powodując zmniejszenie energii kinetycznej elementu tocznego. Powyższy opis zachowania się elementów tocznych w czasie rezonansu jest hipotezą autorów jej pełne udowodnienie wymaga wielu badań eksperymentalnych i analiz. Jednakże faktem jest, że na zniszczonych łożyskach o nadmiernych luzach promieniowych podczas demontażu stwierdzano fałszywe odciski Brinella fot. 1, co zgodnie z literaturą jednoznacznie świadczy o promieniowym rezonansie wewnętrznym łożyska tocznego. Diagnoza omawianego rezonansu łożyska tocznego w czasie eksploatacji silnika turbinowego możliwa jest przy zastosowaniu metod FDM-A i FAM-C. Parametrami wykorzystywanymi we wspomnianych metodach, świadczącymi o wystąpieniu rezonansu są: zwiększająca się względna wysokość zbiorów charakterystycznych otrzymywanych metodą FDM-A (względna wysokość zbioru charakterystycznego iloraz wysokości zbioru charakterystycznego do szerokości zajmowanego przez niego pasma częstotliwości), wzrost wartość dobroci zbiorów charakterystycznych. Ponadto autorzy obserwowali, w miarę pogłębiania się stanów rezonansowych, rozseparowywanie się zbiorów charakterystycznych (przestawały łączyć się z sobą), a następnie w trakcie dalszej eksploatacji, rozpadały się w pionie i w poziomie na oddzielne podzbiory. Na rys. 2 przedstawiono przykład zbioru charakterystycznego silnika turbinowego bez rezonansu, a na rys. 3 takiego zbioru z rezonansem. W miarę dochodzenia do stanu rezonansu wartość bezwzględna wysokości zbiorów charakterystycznych, ogólnie biorąc, zmniejszała się. Jednocześnie, wyraźnie zwiększała się wartość wysokości względnej. Równocześnie zwiększała się wartość dobroci Q zbiorów charakterystycznych. Jeżeli przekroczony jest poziom Q > 11, to badany silnik należy odsunąć od eksploatacji. Praktyka eksploatacyjna autorów potwierdza tę zależność. Nasuwa się pytanie czy stany rezonansowe wewnątrz łożysk tocznych są groźne dla ich trwałości i kiedy należy odsunąć lotniczy silnik turbinowy od eksploatacji. Zdaniem autorów, na podstawie obserwacji eksploatacyjnych i kontrolnych demontaży, długotrwałe stany rezonansowe mogą doprowadzić do przerwania elementu separującego koszyk. Brak elementu separującego jest obserwowany przez autorów przy pomocy metody FAM-C na przebiegach częstotliwości chwilowej f i = f(t) w postaci paczek impulsów szpilkowych rys. 4 liczba impulsów w paczce odpowiada liczbie przerwanych elementów separujących koszyka. Na
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 101 podstawie trzyletnich badań eksploatacyjnych, popartych kilkoma demontażami, autorzy uważają, że długotrwałe stany rezonansowe są groźne dla bezpieczeństwa lotów. F [Hz] Rys. 2. Zbiory charakterystyczne dla łożysk bez rezonansu f p [Hz] F [Hz] Rys. 3. Zbiory charakterystyczne dla łożysk z rezonansem f p[hz]
102 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI Paczka A impulsów f i [Hz] Paczka B impulsów ilk h 450.00 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 11.0 11.05 11.15 11.25 11.35 11.45 11.50 t [s] Rys. 4. Przebieg częstotliwości kanału AC dla łożyska z przerwanymi pięcioma elementami separującymi koszyka impulsy szpilkowe 4. Możliwości metod FAM-C i FDM-A w wykrywaniu nadmiernych luzów promieniowych w łożysku Zgodnie z pewnymi wskazówkami zawartymi w literaturze [7] oraz na podstawie obserwacji własnych, zostały opracowane parametry kwalifikacyjne stanów rezonansowych (wywołanych nadmiernymi luzami promieniowymi) silnika turbinowego jednowałowego trójpodporowego, diagnozowanego metodami FDM-A i FAM-C, których zestawienie przedstawiono w tabeli 1. Z obserwacji eksploatacyjnych autorów wynika, że efektem końcowym długotrwałego oddziaływania stanów rezonansowych łożyska tocznego zazwyczaj jest destrukcja łożysk: następuje przerwanie elementów separujących koszyka i rozerwanie jego obwodu. Długotrwałe stany rezonansowe powodują bowiem dynamiczne krótkookresowe ugięcia przegubu wielowypustowego łączącego obie części wału głównego. Powoduje to niekorzystne oddziaływanie sił dynamicznych na elementy separujące koszyka. Stan rezonansu obserwowany za pomocą metody FDM-A jest sygnalizowany wysokim poziomem dobroci i wysokości względnej zbioru charakterystycznego. Jak wynika z obserwacji metodą FAM-C, zanim dojdzie do objawów stanu rezonansu, wcześniej występuje systematyczne zwiększanie poziomu luzów promieniowych, zwiększanie wymiarów okien koszyka oraz zmniejszanie się
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 103 wartości średniej p śr współczynnika toczenia i na koniec pojawienie się lokalnego ekstremum dodatniego na charakterystyce p s = f(n), spowodowanego przez opadniecie koszyka na bieżnię wewnętrzną. Tabela 1 Zestawienie parametrów kwalifikacyjnych stanów rezonansowych silnika turbinowego jednowatowego trójpodporowego diagnozowanego metodami FDM-A i FAM-C Poziom zagrożenia Kwalifikacja diagnostyczna Częstość sprawdzeń FDM-A w czasie eksploatacji Jeśli następuje rozdzielenie zbiorów charakterystycznych danego łożyska tocznego Dobroć zbiorów Q Względna wysokość zbiorów Jeśli nie występuje rozdzielenie zbiorów charakterystycznych danego łożyska tocznego Dobroć zbiorów Q Względna wysokość zbiorów h - Hz/Hz - Hz/Hz Bardzo niski A 100±20 <2 <20 <2 <200 Niski B 50±10 2 4 20 50 2 4 200 500 Średni C 25±5 4 6 50 100 4 6 500 1000 Znaczny D 12,5±2,5 6 8 100 200 6 8 1000 2500 Wysoki E 5±1 8 11 200 300 8 11 2500 4000 Bardzo Natychmiastowe wycofanie F wysoki 11 >300 11 >4000 Jednak nie każde łożysko o zwiększonych luzach promieniowych wchodzi w stan rezonansu. Autorzy mogą przedstawić wyniki badań dwóch silników turbinowych, w których obserwowano nadmierne luzy promieniowe łożysk i jednocześnie bardzo niski współczynnik toczenia. Wartość współczynnika toczenia p s dla omawianych przypadków była znacznie niższa, niż wynikałoby to z wzoru (1), czyli p s << p sn. Żaden z tych silników nie wykazał oznak rezonansu wewnętrznego łożyska. Jednocześnie nie wystąpiło uszkodzenie koszyka. Zdaniem autorów, pomimo nadmiernych luzów promieniowych nie doszło do wibracji rezonansowych elementów tocznych łożysk środkowych na skutek nadmiernego tłumienia wewnętrznego. Wzrost tego tłumienia mógł być spowodowany np. przez produkty korozji (moment tarciowy) albo nadmierny dopływ oleju (moment brodzenia). Prawdopodobnie nastąpiło zwiększenie energii strat tłumienia (tarciowego lub brodzenia) w stosunku do poziomu energii kinetycznej elementów tocznych poruszających się (odbijających sprężyście) promieniowo pomiędzy bieżniami. Tak więc przez analogię do teorii generatorów elektronicznych, w rozpatrywanym łożysku tocznym nie został spełniony warunek amplitudy drgań rezonansowych, gdyż energia strat przewyższyła energię drgań odbić sprężystych elementów tocznych.
104 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI W trakcie dalszej eksploatacji jednego ze wspomnianych silników w czasie lotu na płatowcu wystąpiły wibracje o średniej amplitudzie i na wniosek personelu latającego został wycofany z eksploatacji. Jego parametry zebrane w czasie badań metodami FDM-A i FAM-C (przedstawione w tabeli 2) zostały przez autorów oznaczone jako parametry niedopuszczalne. Należy zaznaczyć, że podczas demontażu tego silnika stwierdzono przekroczenie wartości luzów promieniowych powyżej dopuszczonych w Wymaganiach Technicznych Remontowych. Tabela 2 Zestawienie parametrów kwalifikacyjnych silnika turbinowego jednowałowego trójpodporowego mającego nadmierne luzy promieniowe środkowej podpory, diagnozowanego metodami FDM-A i FAM-C Poziom zagrożenia Kwalifikacja diagnostyczna Częstość sprawdzeń FDM-A w czasie eksploatacji Wartość współczynnika toczenia dla n = nmax Psn = nmax Wartość pierwszej harmonicznej toru AC ho Owalizacja gniazda łożyskowego Wartość pierwszej podharmonicznej (0,5*ho) toru AC h0,5 Wartość średnia ilorazu pierwszej podharmonicznej do pierwszej harmonicznej AC (h0,5/ h0)śr Wartość względna pulsacji całkowitej przebiegu toru pomiarowego AC Głębokość modulacji amplitudy AC (Amax- Amin) (A max - A min ) - - h - Hz % Hz - % Hz/Hz bardzo niski A 100±20 >0,385 0 2,4 0 5 0 5 0 1 0 1 0 2 niski B 50±10 0,350 0,385 2,4 6,55 5 10 5 10 1 2 1 1,5 2 6,5 średni C 25±5 0,300 6,55 0,350 13,1 10 20 10 20 2 5 1,5 2 6,5 11 znaczny D 12,5±2,5 0,210 13,1 0,300 39,3 20 30 20 30 5 10 2 3 11 19 wysoki E 5±1 0,160 39,3 0,210 52,4 30 40 30 40 10 40 3 10 19 30 bardzo wysoki F Natychmiastowe wycofanie 0,160 >52,4 >40 >40 >40 >10 >30 W opisanym przypadku prawdopodobnie wraz ze wzrostem poziomu luzów promieniowych łożyska wzrasta tendencja do przemieszczania się środka przegubu wielowypustowego przy niższych znamionowych prędkościach kątowych rys. 1. Przemieszczenie to będzie wymuszane wektorem siły G określonej wzorem (5). W następstwie tego zjawiska na krawędziach wielowypustów środka przegubu wielowypustowego pojawią się intensywne siły skrawające, powodujące zwiększanie się luzów obwodowych. W trakcie dalszego procesu zużycia luzy te mogą stać się tak duże, że będą wywoływać drgania obwodowe nawet dla wyż-
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 105 szych znamionowych prędkości obrotowych. Jednocześnie, w wyniku przemieszczania się osi przegubu wielowypustowego oraz drgań obwodowych, ścieraniu ulegać będą powierzchnie boczne półpierścieni spinających wał turbiny z wałem sprężarki rys. 1 ich przekrój poprzeczny z prostokątnego zmieni się na trapezowy. Tak więc w czasie eksploatacji procesy ścierne na wielowypustach przegubu wielowypustowego i półpierścieniach mocujących będą powodować zwiększenie amplitudy drgań obwodowych. Drgania te zmniejszają siłę tarcia występującą na połączeniu gwintowanym łączącym nakrętkę (mocującą wał turbiny) rys. 1 z czopem sprężarki. Ponieważ w trakcie pracy sprężarki obserwuje się obwodowe wahania prędkości obrotowej, może dojść do odkręcenia (a właściwie wykręcenia) gwintowanego czopa sprężarki z nakrętki mocującej. Zdaniem autorów, takie rozkręcenie tego połączenia może przynieść katastrofalne skutki. Aby się od tego ustrzec, należałoby zastosować dodatkowe zabezpieczenie zakładane na czop przed montażem. 5. Podsumowanie W artykule przedstawiono doświadczenia diagnostyczne i poglądy autorów na zjawiska związane z eksploatacją silników turbinowych jednowałowych trójpodporowych, w których łożyska mają nadmierne luzy promieniowe. W skrajnych przypadkach, luzy promieniowe w łożyskach mogą być tak duże, że mogą spowodować przycieranie końcówek łopatek turbiny lub sprężarki o korpus silnika. Z pewnością będą wówczas wykryte przez obsługę naziemną, a silniki zostaną wycofane z eksploatacji. Jeżeli jednak luzy promieniowe nie będą na tyle duże, aby mogły być wykryte przez dotychczas stosowane metody, a będą z kolei na tyle groźne, że staną się przyczyną poważnych uszkodzeń łożyska, to może dojść do katastrofy samolotu. Przedstawione przez autorów metody FAM-C i FDM-A umożliwiają precyzyjne śledzenie zużycia podpór łożyskowych ze zwiększonymi luzami promieniowymi. Przy zastosowaniu tych metod możliwe jest śledzenie takich parametrów jak: wielkość luzów promieniowych, kształt charakterystyki toczenia w funkcji prędkości obrotowej, wielkość kąta przekoszenia obu części wału, wartość względna pulsacji całkowitej świadcząca o wielkości powiększenia (w wyniku tarcia) okien separatorów, głębokość modulacji amplitudy częstotliwości chwilowej AC w funkcji czasu, wartość dobroci Q poszczególnych węzłów łożyskowych.
106 Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI Wszystkie te parametry można ująć w postaci wymiernych, stabelaryzowanych wartości, jak przykładowo przedstawiono w tabelach 1 i 2. Dla każdego z parametrów określono kryteria diagnostyczne. W artykule podjęto próbę opisania: zjawisk zużywania się wielowypustów przegubów łączących wał turbiny z wałem sprężarki, zjawisk oszlifowania stożkowego wałków tocznych łożyska środkowej podpory silnika, znaczenia zjawiska żyroskopowego dla intensyfikacji procesu zużywania łożysk, znaczenia zjawiska opadnięcia koszyka łożyska (obserwowane metodą FDM-A) dla zapoczątkowania zjawisk sprzyjających powstaniu rezonansu wewnętrznego łożyska, zjawiska rezonansu wewnętrznego łożyska tocznego wraz z przedstawieniem możliwości metody FDM-A w jego diagnozowaniu. Podjęte próby zdaniem autorów, mogą przyczynić się do wytłumaczenia związków przyczynowo-skutkowych wielu zjawisk związanych z eksploatacją silników turboodrzutowych z łożyskami o zwiększonych luzach promieniowych. Literatura 1. Andrejewicz J.: Chaos i synchronizacja w układach fizycznych. Monografie, Łódź 1993. 2. Barwell F.T.: Łożyskowanie. WNT, Warszawa 1984. 3. Berhard M. i inni: Mały poradnik mechanika. Tom II. Podstawy maszyn. Maszynoznawstwo, WNT, Warszawa 1994. 4. Biarda D., Falkowski P., Gębura A., Kowalczyk A.: Opis patentowy PL 175674B1 Sposób diagnozowania technicznego elementów sprzęgających silnik, a zwłaszcza lotniczy silnik spalinowy, z prądnicą prądu stałego. 5. Biarda D., Falkowski, P., Gębura A., Kowalczyk A.: Opis patentowy PL 175664B1: Sposób diagnozowania technicznego elementów sprzęgających silnik, a zwłaszcza lotniczy silnik spalinowy, z prądnicą prądu przemiennego. Zgłoszenie 08.07.1996, udzielenie patentu 29.01.1999. 6. Borgoń J., Stukonis M., Szymczak J.: Czy uszkodzenia połączeń wielowypustowych w silnikach lotniczych mogą spowodować wypadki lotnicze. Informator wew. ITWL nr 311/93, Techniczne problemy eksploatacji i niezawodności wojskowych statków powietrznych, Kiekrz 1993. 7. Cempel Cz.: Diagnostyka wibroakustyczna maszyn. PWN, Warszawa 1989. 8. Cempel Cz.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT, Warszawa 1982. 9. Dietrich M.: Podstawy konstrukcji maszyn. T2, WNT, Warszawa 1999.
Monitorowanie węzłów łożyskowych o nadmiernych luzach promieniowych... 107 10. Furmanek S., Kraszewski Z.: Niezawodność łożysk tocznych. Wydawnictwa Przemysłowe WEMA, Warszawa 1989. 11. Gębura A., Tokarski T.: The diagnostic of technical condition of turbine engine s bearing by means of method of alternator frequency modulation. Journal of Polish Cimac Explo-Diesel&Gas Turbine 2007, s. 123 131. 12. Gębura A.: Diagnostic of aircraft power transmission track based on the analisys of generator s frequency. Journal of Technical Physics 2002, No. 1. 13. Gębura A.: Przekoszenia połączeń wielowypustowych a modulacja częstotliwości prądnic. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 1999, z. 4 (120). 14. Gębura A.: Pulsacje napięcia wyjściowego prądnicy pokładowej prądu stałego źródłem informacji diagnostycznej o stanie układu napędowego. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 2003, z. 1(133). 15. Gębura A.: Związki modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy z wybranymi wadami układu napędowego [w:] Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym, red. M. Orkisz. Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin 2000. 16. Krzemiński-Freda H.: Łożyska toczne. PWN, Warszawa 1985. 17. Lawrowski Z.: Tribologia, tarcie, zużywanie i smarowanie. PWN, Warszawa 1993. 18. Mazanek E.: Zagadnienia konstrukcyjne i wytrzymałościowe w wielkogabarytowych łożyskach tocznych wieńcowych. Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2005.