Masa powietrza spręŝona przez spręŝarkę Energia spalania mieszanki paliwowo-powietrznej Turbina Wał turbiny Sprzęgło wielowypustowe Wał spręŝarki SpręŜarka PR Rys. F 2 Przebieg [Hz] zmian f p [Hz] częstotliwości chwilowej Rys. 3 f i Zbiory = f(t) t dla [s] charakterystyczne prądnicy Ciąg f i [Hz] silnika prądu przemiennego F i = f(f p ) dla prądnicy prądu przem ĄDNICE LOTNICZE JAKO CZUJNIKI DIAGNOSTYCZNE SILNIKÓW TURBINOWYCH sensors and actuators in mechatronics, sensors and actuators in mechatronics; dr inŝ. Andrzej Gębura Prądnica nr 1 Skrzynia napędów agregatów Agregat nr 1 pompa paliwowa Agregat nr 2 pompa olejowa Agregat nr 3 -... Instytut Techniczny Wojsk Prądnica Lotniczych, nr 2 ul. Księcia Bolesława 6, 01-494 Warszawa, skr. Poczt,. 96 tel. 0-22-6856510 e-mail. andrzej.gebura@itwl.pl Słowa kluczowe: metoda FAM-C, metoda FDM-A, modulacja FM, diagnostyka techniczna, diagnozowanie traktów przenoszenia napędu, skoszenie 1, modulacja częstotliwości, zbiór charakterystyczny, silnik turbinowy, łoŝysko toczne, generator czujnik prędkości kątowej, diagnostyka pokładowa, trybologia, analiza sygnałów. W artykule autor pragnie przedstawić podstawy teoretyczne prototypowych metod diagnostycznych FAM-C i FDM-A. Jako czujnik diagnostyczny słuŝy tu pokładowa prądnica lotnicza sprzęŝona mechaniczne z badanym zespołem napędowym. Prądnica pełni tu rolę przetwornika sygnałów diagnostycznych na sygnał elektryczny realizuje cyfrowe (dyskretne) przetwarzanie sygnałów zawartych w składowych prędkości kątowych napędzających wał danej prądnicy. Pierwotnym sygnałem diagnostycznym jest tu więc prędkość obrotowa niosąca informację diagnostyczną o wadach i uszkodzeniach poszczególnych elementów zespołu napędowego. KaŜdy element zespołu napędowego jest swoistym generatorem lub modulatoerem drgań. Metoda diagnostyczna FDM-A [2] bazująca na pomiarze modulacji częstotliwości składowej pulsacji oraz metoda FAM-C częstotliwości prądu przemiennego została opracowana w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych. Metody te umoŝliwiają określenie poziomu zuŝycia ściernego podzespołu oraz jego lokalizację podczas normalnej pracy zespołu napędowego. Układ diagnostyczny jest przyłączany do dowolnego miejsca (np. złącza elektrycznego) zasilanego napięciem stałym 2 lub przemiennym 3. Jeśli znana jest struktura kinematyczna danego zespołu napędowego, to stosunkowo łatwo moŝna zlokalizować wady poszczególnych jego węzłów i monitorować ich wzrost. 1. WSTĘP 1 Zwane takŝe przekoszeniem. 2 Metodę tę nazwano FDM-A (FM- modulacja częstotliwości, D - prąd stały, A - poziom zaawansowania metody) 3 Metodę tę nazwano FAM-C (FM- modulacja częstotliwości, D - prąd przemienny C - poziom zaawansowania metody- oznacza, są stosowane aplikacje w postaci automatycznego testera ) 1
Silniki turbinowe pojawiły się na pokładach statków powietrznych w niewielkich ilościach dopiero pod koniec drugiej wojny światowej, głównie po stronie niemieckiej (myśliwski Me- 262 Schwalbe niem. Jaskółka - około 300 sztuk, bombowo-obserwacyjny Arado Ar 234 około 200 sztuk). Od początku swego taktycznego zastosowania udowodniły one swoje olbrzymie, wręcz rewolucyjne zalety w stosunku do powszechnie wówczas stosowanych silników tłokowych: duŝo większe moce w stosunku do masy własnej (około trzykrotnie), moŝliwość lotu w warunkach rozrzedzonego powietrza (na wysokości powyŝej 8 km klasyczne silniki z napędem tłokowym znacznie zmniejszały swoją moc; współczesne silniki samolotów wojskowych osiągają pułap nawet do 30 km), znacznie większe przyśpieszenia i dynamika lotu. Pojawiły się równieŝ i kłopoty: znacznie większe spalanie paliwa na godzinę lotu, znacznie większe temperatury w komorach spalania konieczność stosowania drogich materiałów odpornych na wysokie temperatury, konieczność długotrwałego chłodzenia silnika po kaŝdym locie, w celu wyrównania temperatur, konieczność zwiększenia prędkości obrotowej (dla silników tłokowych 2000 3000 obr/min, dla turboodrzutowych 7000 40000 obr/min) w celu zapewnienia odpowiednio duŝego ciśnienia powietrza na wejściu do komory spalania, konieczność zastosowania łoŝysk tocznych (w miejsce ślizgowych), które zmniejszyły znacznie opory tarcia w podporach zespołu wirnikowego silnika ale równieŝ wprowadziły liczne problemy jak m. in. zjawiska generacji drgań własnych, konieczność stosowania szerokich zakresów prędkości obrotowej wałów głównych silników dojrzałe wersje tłokowo-śmigłowych zespołów napędowych mają praktycznie stałą prędkość obrotową (siłę ciągu realizowano poprzez zmianę skoku śmigła) zaś turboodrzutowe muszą ją zmieniać w szerokim zakresie od 200% do 300% prędkości minimalnej. W związku z powyŝszymi problemami konstrukcyjnymi pojawił się problem eksploatacyjny konieczność częstych przeglądów oraz remontów silników. Dlatego teŝ, kiedy po kapitulacji III Rzeszy napęd odrzutowy rozpowszechnił się w lotnictwie, to w celu zmniejszenia kosztów i pracochłonności tych prac dla silników turboodrzutowych szczególnie duŝo uwagi i pieniędzy poświęcano na układy diagnostyczne. W historii lotnictwa dla silników turboodrzutowych stosowano (i stosuje się nadal) liczne układy i systemy diagnostyczne jak: a) pomiar parametrów konstrukcyjnych części składowych po demontaŝu, b) kontrola stanu technicznego powierzchni wybranych elementów (przez specjalne wzierniki) z zastosowaniem boroskopu, c) pomiar wibracji, d) badanie produktów zuŝycia ściernego par kinematycznych, e) pomiar chwilowych prędkości kątowych elementów fizykalnych silnika, Zastosowanie metod a) i b) wymaga ingerencji w strukturę obiektu demontaŝu podzespołów. Metoda c), z uwagi na zjawisko interferencji fal dźwiękowych pochodzących z silnych, połoŝonych blisko siebie źródeł zakłócających oraz silne tłumienie sygnału diagnostycznego (warstwy powietrzne, kanały olejowe, warstwy izolacji) wymaga wyrafinowanych metod obróbki, bardzo wysokich kwalifikacji osób wykonujących badania. Aktualnie praktycznie kaŝdy współczesny nam silnik turboodrzutowy ma na korpusie zamontowany czujnik wibracji. SłuŜą one jako sygnalizator przekroczenia niebezpiecznego poziomu wibracji łącznej lecz nie są w stanie wskazać zuŝytych podzespołów zespołu napędowego ani teŝ śledzić ich zuŝycie. Najnowsze konstrukcje lotnicze mają w pobliŝu 2
węzłów łoŝyskowych zamontowane czujniki wibracji. Ich moŝliwość monitorowania stanu technicznego indywidualnych podzespołów jest oczywiści o wiele większa. Metoda d) wymaga częstego pobierania próbek oleju, kosztownego ich badania i znajomość składu stopowego poszczególnych elementów. Aby zwiększyć rozdzielczość metody wiele wytwórni silników lotniczych skaŝa poszczególne części mechaniczne dodatkowymi pierwiastkami stopowymi. Metodą tą moŝna śledzić tylko rozwój zuŝycia par kinematycznych związanych z procesem ściernym (tribologicznym). JeŜeli wada będzie polegała na niepoprawnej geometrii współdziałania podzespołów silnika a nie będzie skutkowała (w danym etapie eksploatacji) wydzielaniem produktów ściernych, to nie zostanie ona wykryta. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność systematycznego pobierania próbek w określonych odstępach czasu. Pobieranie to musi być wykonane w określonym czasie po zatrzymaniu silnika. Metoda e) polega w praktyce na pomiarze czasu pomiędzy pojawieniem się kolejnego elementu fizykalnego zespołu wirnikowego np. kolejnej łopatki spręŝarki pod czujnikiem (przewaŝnie reluktancyjnym lub fotooptycznym). Znając załoŝoną konstrukcyjnie odległość pomiędzy kolejnym elementem i mierząc przyrost czasu pomiędzy poszczególnymi ekspozycjami elementu łatwo moŝna obliczyć prędkość liniową i kątową. 2. ANTROPOMORFICZNE CECHY METODY FAM-C W miejsce przedstawionych metod diagnostycznych, z których kaŝda wymaga montowania dodatkowych czujników i jest wstanie śledzić w zasadzie tylko wycinkowe węzły mechaniczne, autor proponuje metodę alternatywną wykorzystania sygnałów z istniejących prądnic pokładowych. Układ pomiarowy jest przyłączany do dowolnego złącza elektrycznego obwodu danej prądnicy, połoŝonego w wygodnym i bezpiecznym dla obsługi miejscu. Silnik turboodrzutowy realizuje przeminę energii chemicznej zawartej w paliwie na energię mechaniczną rys. 1. Przemiana ta odbywa się poprzez spalanie paliwa i oddziaływanie dynamiczne masy spalin na turbinę napędową. Znaczna część energii spalin (około 60%) jest zuŝywana na wytworzenie siły ciągu silnika, część zaś poprzez oddziaływanie na turbinę, jest zuŝywana na napęd spręŝarki (około 30%) oraz agregatów przymocowanych do skrzynki napędów (około 10%). Turbina poprzez wały sztywne połączone między sobą sprzęgłami (przewaŝnie wielowypustowym) i przekładniami zębatymi przekazują ruch obrotowy na róŝne odbiorniki energii mechanicznej: spręŝarkę, prądnice, pompy paliwowe, pompy olejowe i inne. Wszystkie wymienione elementy są ułoŝyskowane (łoŝyska toczne, łoŝyska ślizgowe). Cięgna sztywne, sprzęgła, przekładnie zębate, luzy obwodowe i podłuŝne pomiędzy nimi jak równieŝ węzły łoŝyskowe powodują modulowanie prędkości obrotowej turbiny bądź teŝ generują własną częstotliwość wynikającą z właściwości spręŝystych danego podzespołu zespołu napędowego. Prądnica pokładowa zbiera z całego zespołu napędowego zespół fal mechanicznych odkładając je kompleksowo w postaci wahań wirnika. W prądnicy wahania mechaniczne są zamieniane na sygnał napięcia (stałego lub przemiennego) o zmodulowanej amplitudzie napięcia i częstotliwości. Amplituda napięcia dla prądnic energetycznych jest przewaŝnie stabilizowana przez układ regulacji sieci elektrycznej i nie przedstawia większego znaczenia diagnostycznego. JeŜeli prądnica nie ma takiego układu (np. prądnice tachometryczne) to obwiednia przebiegu napięcia jest obarczona licznymi zniekształceniami i zakłóceniami m. in. elektromagnetycznymi trudnymi do odfiltrowania. Dlatego autor zdecydował się skorzystać do celów diagnozowania zespołów napędowych analizę zmian modulacji częstotliwości. Jak zaznaczono, prądnica pokładowa zbiera z całego zespołu napędowego zespół fal mechanicznych odkładając je kompleksowo w postaci wahań wirnika, które odpowiednio obrobione mogą dostarczyć kompleksowych informacji o stanie technicznym zespołu 3
napędowego. Tak więc zgodnie z literaturą [5], prądnica ma cechy antropomorficzne w diagnostyce technicznej, gdyŝ zapewnia moŝliwości poznawcze stanu technicznego napędzającego ją zespołu napędowego. Sygnał napięcia wyjściowego odpowiednio obrobiony umoŝliwia śledzenie wielkości zuŝycia poszczególnych par kinematycznych bez wyłączania zespołu napędowego z ruchu. W metodzie FAM-C bazuje się na obserwacji modulacji częstotliwości, które to zgodnie z teorią i praktyką zarówno w mechanice jak i w elektrotechnice są jednakowe we wszystkich punktach obwodu (mechanicznego lub elektrycznego) i odznaczają się znacznie większą odpornością na zakłócenia niŝ modulacja amplitudy. W metodzie FAM-C Rys. 1 Schemat blokowy silnika turbinowego wykorzystywana jest podobna zasada jak przy pomiarze chwilowych prędkości kątowych elementów fizykalnych (metoda e) z poprzedniego rozdziału). O ile jednak w tej ostatnie metodzie jeden czujnik obserwuje przemieszczanie się kół zębatych albo przemieszczanie się palisady łopatek wirnika lub teŝ wygarbienia krzywki na wale, to w metodzie FAM-C zastosowano, a właściwie tylko wykorzystano, do obserwacji prędkości kątowych nabiegunników wirnika prądnicy, równomiernie rozłoŝone nabiegunniki stojana. Tworzy się więc w prądnicy lotniczej swoisty noniusz (urządzenie umoŝliwiające zwiększenie dokładności pomiaru kątów poprzez zastosowanie dwóch róŝnych podziałek o wspólnej krotności), który zapewnia znaczne zwiększenie rozdzielczości i dokładności pomiaru prędkości kątowej. 4
Wszelkie oscylacje prędkości kątowej wirnika (niosące informacje diagnostyczne z wnętrza zespołu napędowego np. silnika turboodrzutowego) są przetwarzane przez precyzyjnie równomiernie rozłoŝone na obwodzie elektromagnesy (nabiegunniki) stojana na sygnał przebiegu napięcia wyjściowego. Precyzyjny pomiar i monitorowanie zmian modulacji częstotliwości i fazy umoŝliwia precyzyjne odtworzenie ruchu całej gamy par kinematycznej zespołu napędowego. Jak wcześniej wspomniano, kaŝda para kinematyczna zespołu napędowego jest generatorem lub modulatorem drgań mechanicznych. W zaleŝności od średniej (znamionowej) prędkości kątowej oraz typu wady częstotliwości te mieszczą się w określonym paśmie. Wszystkie te generowane wahania mechaniczne odkładają się na swoistym węźle sumacyjnym jaki stanowi wirnik prądnicy. KaŜda prądnica lotnicza pełni rolę heterodyny FM generuje bowiem ona bowiem napięcie wyjściowe o pewnej częstotliwości znamionowej f N, której wartość zaleŝy od konstrukcji danego typu prądnicy i od średniej prędkości jej wirnika. Jednocześnie kaŝda prądnica pełni rolę mieszacza częstotliwości następuje w niej mieszanie częstotliwości wahań mechanicznych wirnika z częstotliwością znamionową f N. Analogicznie jak w technice radiowej, pomimo tego przesunięcia, zarówno pasma jak i amplitudy częstotliwości chwilowym odpowiadające pasmom i amplitudom wahań prędkości kątowych poszczególnych podzespołów silnika turbinowego nie zmieniają się. Otrzymane w ten sposób pasma częstotliwości wahań mechanicznych przesunięte do poziomu częstotliwości znamionowej f N podlegają detekcji opisanej w następnym rozdziale 3. OPIS METODY FAM-C Pełny opis metody diagnostycznej zawarto w [1 4]. Warto jednak wymienić najwaŝniejsze jej elementy niezbędne do zrozumienia kontekstu zagadnień poruszanych w niniejszym opracowaniu. KaŜdej wadzie montaŝowej lub zuŝyciowej, np. skoszeniu połączeń wielowypustowych skrzyń napędów towarzyszy zmodulowanie wyjściowej prędkości kątowej. Okres zmodulowań jest, parametrem charakterystycznym dla typu wady i kątowej prędkości znamionowej danej pary kinematycznej. Wartość dewiacji częstotliwości (amplituda zmodulowań) jest natomiast proporcjonalna do wielkości danej wady. Zmodulowania te przenoszone są, poprzez układ transmisji, do wirnika prądnicy. Prądnica lotnicza, będąca maszyną synchroniczną, odzwierciedla zmiany chwilowej prędkości kątowej w postaci modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego. Mierząc przyrosty czasu pomiędzy kolejnymi przejściami przez poziom zerowy i odkładając podwojoną ich odwrotność na płaszczyźnie współrzędnych prostokątnych (t, f i ), otrzymuje się zbiór odzwierciedlający, w sposób dyskretny, przebieg zmian prędkości wirnika prądnicy. Dla kaŝdego odchylenia moŝna przyporządkować dwa parametry: - czas odchylenia t odi, - amplitudę odchylenia F. Czas odchylenia moŝna zastąpić częstotliwością procesu f p zgodnie ze wzorem: f pi =1/(2t odi ) (1) KaŜde odchylenie moŝe być przedstawione na płaszczyźnie współrzędnych prostokątnych w postaci punktów (f p, F). W czasie licznych prac badawczych stwierdzono, Ŝe punkty te mają tendencję do skupiania się w zbiory. Nazwano je zbiorami charakterystycznymi, gdyŝ charakteryzowały zuŝycie poszczególnych podzespołów. Stwierdzono, Ŝe mają róŝne kształty, wysokości i połoŝenia względem osi odciętych. 5
Stwierdzono równieŝ, Ŝe ze zmianą wielkości wady zmienia się wysokość danego zbioru {/ F max/ + / F min /}, zaś pasmo zajmowane przez zbiór względem osi odciętych 0-f p było charakterystyczne dla danego typu podzespołu. W czasie licznych aplikacji metody autor stwierdził, Ŝe utworzone, w opisany powyŝej sposób, zobrazowania w postaci zbiorów charakterystycznych są korzystne dla dobrze poznanego obiektu, o dobrze znanych relacjach pomiędzy zmianą wielkości wady mechanicznej, a zmianą wysokości zbioru charakterystycznego. Posługiwanie się tymi zobrazowaniami ma wiele zalet: a) łatwość obróbki nie jest potrzebna (w przeciwieństwie do metod wibroakustycznych) demodulacja amplitudowa ani czasowa procesy demodulacji odbywają się w sposób naturalny w samej prądnicy pokładowej, która to stanowi jednocześnie naturalny filtr środkowo przepustowy w procesie obserwacji zjawisk mechanicznych, b) analizowany sygnał elektryczny otrzymywany z prądnicy pokładowej jest w naturalny sposób zsynchronizowany z obserwowanymi zjawiskami mechanicznymi, gdyŝ wirnik prądnicy-obserwatora jest sztywno połączony z diagnozowanymi mechanicznymi parami kinematycznymi), c) łatwość automatyzowania procesu diagnozowania: - dla kaŝdego typu wady kaŝdego podzespołu zarezerwowane są wcześniej wyznaczone pasma charakterystyczne na osi odciętych, - w kaŝdym paśmie wyznaczone są (zwykle cztery: A, B, C, D) poziomy diagnostyczne na osi rzędnych w zaleŝności od wysokości danego zbioru, podzespół klasyfikowany jest do określonej klasy diagnostycznej; d) łatwość obserwacji na jednej płaszczyźnie dowolnie długich przebiegów czasowych ma to szczególnie duŝe znaczenie przy sygnałach pojawiających się stochastycznie; e) łatwość wyodrębniania składowej pulsacji z sygnałów silnie zmodulowanych; co prawda takie wydzielanie dokonuje takŝe cząstkowa analiza Fouriera, lecz (w przeciwieństwie do metod FAM-C oraz FDM-A) ma ona dwie wady: - prąŝki dla realnych zespołów napędowych są zwykle rozmyte, co czyni obraz diagnostyczny mało przejrzystym i trudnym do zautomatyzowania, - analiza taka nie uwzględnia procesów stochastycznych. Pomimo wszystkich wymienionych zalet zobrazowania zuŝycia na płaszczyźnie (f p, F), jednak dla obiektów nieznanych 4 zaleca się stosowanie do celów diagnostycznych przebiegów 5 f i = ƒ(t). Doświadczony diagnosta, na bazie takiego przebiegu, przeprowadzi bardziej skuteczny, chociaŝ i bardziej pracochłonny, proces rozpoznania stanu diagnozowanego obiektu. MoŜna tu śledzić procesy stochastyczne jak np. chwilowe zahamowania elementu tocznego w ruchu po bieŝni na skutek punktowego pojawienia się produktu ścierania. 4 O nieznanych związkach pomiędzy wadą zespołu a zmianami w głębokości modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy. 5 Właściwie zobrazowanie f i = ƒ(t) jest w postaci dyskretnej (jako zbiór punktów). W praktyce diagnostycznej korzysta się ze zobrazowań o duŝym zagęszczeniu takich punktów, które sprawiają wraŝenie przebiegu ciągłego. 6
Istotą ich dokładności metody jest zsynchronizowanie sygnału próbkującego z prędkością kątową obserwowanych ogniw kinematycznych. W związku z tym nie zachodzi m. in. obawa maskowania częstotliwości podczas obserwacji badanego obiektu w warunkach nieustalonych polegających na tym, Ŝe prędkość obrotowa wirnika diagnozowanej maszyny zmienia się w szerokim zakresie [17]. Jak wiadomo z literatury łoŝyska toczne są równoległym połączeniem biernego i czynnego elementu mechanicznego, są więc równieŝ generatorem drgań. JeŜeli dołączymy do rozpatrywanego modelu szerokopasmowego oddziaływania udarowe występujące w łoŝysku od uderzeń w parach kinematycznych, luzów oraz od uszkodzeń powierzchni roboczych, to wywołane tymi oddziaływaniami krótkotrwałe impulsy w ośrodku z tłumieniem moŝna rozpatrywać jako fazową i amplitudową modulację drgań o częstotliwości roboczej Θ x(t) = C(t) cos[θt + φ(t)] (2) gdzie: C(t) wolnozmienny, w tym przypadku, losowy proces modulujący amplitudę, φ(t) szybkozmienny losowy proces modulujący fazę. Wzór ten doskonale moŝna odzwierciedlić dla metody FAM-C i FDM-A w postaci analogicznej zaleŝności dla x(t) = f i (t). Dotyczy to zarówno toru prądu stałego i przemiennego. Na rys 2 przedstawiono przebieg zmian częstotliwości chwilowej f i = f(t) dla n = 11500 obr/min otrzymany z toru prądnicy prądu przemiennego. Wartość średnia amplitudy przebiegu jest równa wartości wyraŝonej wzorem: f N = n/60 p w p s i S gdzie: n prędkość obrotowa wału głównego [obr/min], p w liczba par biegunów wirnika prądnicy prądu przemiennego, p s - liczba par biegunów stojana prądnicy prądu przemiennego, i wartość przełoŝenia pomiędzy wałem głównym silnika a prądnicą prądu przemiennego, S liczba faz. Z tego przebiegu czasowego moŝna określić takie parametry węzłów łoŝyskowych, jak: - wartość względna pulsacji całkowitej wprost proporcjonalna do poziomu zuŝycia na styku okno koszyka element toczny, - głębokość pulsacji obwiedni wprost proporcjonalną do błędu prostopadłości czopa w stosunku do płaszczyzny wirowania tarczy spręŝarki, - wielkość luzów w transmisji pomiędzy wałem głównym silnika a wirnikiem prądnicy. Po obróbce przebiegów czasowych tj utworzeniu zbiorów charakterystycznych (rys. 3) moŝna określić takie parametry jak: - wysokość zbioru charakterystycznego pierwszej harmonicznej proporcjonalna do wielkości łącznego luzu promieniowego i niewywaŝenia zespołu wirnikowego, - szerokość zbioru charakterystycznego proporcjonalna do niewywaŝenia zespołu wirnikowego, - odległość podzbiorów charakterystycznych pierwszej harmonicznej proporcjonalna do błędu kształtu (owalizacji) gniazd łoŝyskowych, - wysokość zbioru charakterystycznego pierwszej harmonicznej wału głównego proporcjonalna do wartości przekoszenia osi symetrii części zespołu wirującego (wału spręŝarki względem wału turbiny), (3) 7
- przekoszenia, wartość luzów osiowych innych elementów wirujących silnika np. pomp, wałów transmisji i innych elementów wirujących. Wartość średnia amplitudy przebiegu prądnicy prądu stałego jest równa wartości wyraŝonej wzorem: f N = n/60 Z w i gdzie: n prędkość obrotowa wału głównego [obr/min], ś liczba Ŝłobków wirnika prądnicy prądu stałego. Z tego przebiegu czasowego moŝna określić takie parametry węzłów łoŝyskowych, jak: - dynamikę ruchu łoŝyska, - wartość impulsów zanikowych ich czas trwania jest wprost proporcjonalny do kąta geometrycznego zerwania (chwilowego poślizgu) czopa względem bieŝni wewnętrznej lub (4) 8
4. CZUŁOŚĆ METODY, OKNA WIDZIALNOSCI POSZCZEGÓLNYCH RODZAJÓW PRĄDNIC, Aktualnie w metodzie FAM-C pomiar wartości chwilowych częstotliwości realizuje się poprzez kaŝdorazowe uruchamianie i zamykanie generatora impulsów szpilkowych w chwili przejścia sygnału napięciowego przez poziom odniesienia (umowny poziom zerowy)impulsy szpilkowe są pobierane z generatora podstawy czasu. Jego częstotliwość powinna być dopasowana do dynamiki (do pasma częstotliwości) obserwowanego sygnały. Dla prądnic prądu stałego w praktyce pomiarowej dobiera się częstotliwość generatora podstawy czasu z przedziału od 10 MHz do 100 MHz, zaś dla przemiennego od 0,5 do 4 MHz. Na tym etapie obróbki sygnału jest jeszcze wiele zoptymalizowania próbkowania, tak aby wierniej (dokładniej) odtworzyć interesujące diagnostę przebiegi i procesy mechaniczne. Autor zamierza zastosować w tym celu m. in.: - równoległą detekcję wielotorową - równoległą obróbkę (pomiar wartości chwilowej częstotliwości) z róŝnymi częstotliwościami generatorów podstawy czasu w ten sposób powinna być uzyskana większa rozdzielczość i selektywność poszczególnych zjawisk; w ten sposób jedne tory obróbki umoŝliwią precyzyjne śledzenie procesów mechanicznych szybkozmiennych, inne średnio-zmiennych, jeszcze inne wolnozmiennych, - detekcja z częstotliwością zmieniającą się w czasie zgodnie z określonym algorytmem dopasowanym do dynamiki rezonatorów lub modulatorów mechanicznych szerokopasmowych, dla których wartość chwilowa częstotliwości prędkości kątowej zmienia się w szerokim zakresie, np. z częstotliwością związaną z dynamiką pracy poszczególnych łoŝysk tocznych silnika turbinowego; umoŝliwi to, bardziej precyzyjne niŝ obecnie, śledzenie zachowywania się poszczególnych elementów danego łoŝyska tocznego. Jednocześnie zwiększy to moŝliwość rozróŝniania sygnałów pochodzących od łoŝysk o jednakowych (lub zbliŝonych) prędkościach obrotowych czopa i jednakowej konstrukcji mechanicznej dotychczas, przy aktualnie stosowanych generatorach podstawy czasu (o stałych częstotliwościach) w takich przypadkach zbiory charakterystyczne obu łoŝysk często nachodziły na siebie, co zmuszało diagnostę do wydawania opinii o ich łacznych wadach. Takie obserwowanie sklejonych dwóch zbiorów charakterystycznych mogło doprowadzić do pewnych błędów interpretacyjnych m. in. do błędnego obliczenia dobroci mechanicznej danego łoŝyska tj. do błędnego oszacowania jego odporności na rezonans mechaniczny. Na zakończenie warto zwrócić uwagę, na bazie porównań przebiegów, na zjawisko przesuwania się okna widzialności przy zwiększaniu liczby par biegunów lub liczby Ŝłobków wirnika, które objawiają się wzrostem widzialności przebiegów szybkozmiennych i brakiem widzialności przebiegów wolnozmiennych. Analogiczny efekt moŝna uzyskać jeŝeli zamiast obróbki jednofazowej dokonamy obróbki trójfazowej sygnału wyjściowego prądnicy (na jednej osi czasu odkładane są jednocześnie przebiegi napięcia z trzech faz). Przykładem mogą być obserwacje przebiegów wolnozmiennych dokonane na promie Polonia i Pomerania [6]. Na Polonii prowadzono pomiary jednofazowe, na Pomeranii trójfazowe. Przy pomiarach jednofazowych obserwowano tylko przebiegi wolnozmienne i średnio-zmienne, zaś dla trójfazowej średnio-zmienne i szybkozmienne. 5. ZAKOŃCZENIE Metoda FAM-C to zarówno sposób na pozyskiwanie danych diagnostycznych silnika turbinowego przez prądnicę pokładową jak i metoda obróbki sygnału napięcia wyjściowego tej 9
prądnicy w celu otrzymania szybkiej i wiarygodnej diagnozy o jego stanie technicznym. Autor opracowania odkrył, Ŝe na wirniku prądnicy, niczym w centrum informatycznym, odkładane są jednocześnie róŝne zmodulowania oraz częstotliwości własne róŝnych podzespołów zespołu napędowego. Stanowi on więc element osobliwy [5], w którym niczym w dnie oka ludzkiego lekarz moŝe otrzymać informacje o stanie zdrowia wielu organów pacjenta. JeŜeli na podstawie danych konstrukcyjnych przed diagnozowaniem człowiek badający stan techniczny obiektu jest w stanie sporządzić tablicę częstotliwości drgań własnych i częstotliwości zmodulowań poszczególnych podzespołów, to analiza danych pomiarowych staje się później prosta i szybka. JeŜeli częstotliwości te są trudne do obliczenia pozostaje metoda prób i błędów na podstawie parametrów zbiorów charakterystycznych i parametrów przebiegów wartości chwilowych częstotliwości oraz wycinkowych badań laboratoryjnych szacuje się podejrzenia co do zagroŝenia diagnozowanego silnika. Następnie dokonuje się ewentualnego demontaŝu diagnozowanego obiektu. W czasie demontaŝu podejrzenia diagnosty co do stanu poszczególnych węzłów są obalane lub potwierdzane przynosząc przy analizie następnego obiektu nowy pakiet poziomów odniesienia. KaŜda prądnica ma swoje pasmo widzialności poszczególnych ogniw kinematycznych zespołu napędowego. Przypomina to szerokość pasma radiowej anteny odbiorczej. Pasmo to przesuwa się w górę jeŝeli zwiększamy liczbę par biegunów lub liczbę Ŝłóbków wirnika. Pasmo to moŝna przesunąć w górę równieŝ w inny sposób - jeŝeli zamiast obróbki jednofazowej dokonamy obróbki trójfazowej sygnału prądnicy. References 1. Gębura A.: Związki modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy z wybranymi wadami układu napędowego str od 75 do 74 monografii pod redakcją naukową prof. M. Orkisza p.t. Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym ; Polskie Naukowo- Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin 2000, ISBN 83-912861-2-6. 2. Gębura A., Falkowski P, Kowalczyk A.: Airborne generators as Diagnostic Sensors of a Power Transmission System (lotnicze prądnice pokładowe czujnikiem diagnostycznym układu napędowego), Materiały 5-th International Conference Aircraft and Helicopters Diagnostic AIRDIAG 97, Warsaw 1997. 3. Gębura A.: Diagnostic of aircraft power transmission track based on the analysis of generator s frequency, Journal of Technical Physics IPPT PAN, Vol. XLIII No. 43, 1 61-68 Warszawa 2002, ISSN 0324-8313. 4. Gębura A., Lindstedt P.: Diagnozowanie napędów prądnicy w oparciu o analizę parametrów napięcia prądnicy. 5-th International Conference Aircraft and Helicopters Diagnostic AIRDIAG 97, Warsaw 1997. 5. Lindstedt P.: Antropomorficzne układy badawcze w diagnostyce technicznej. Prace naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Zeszyt nr 4, Warszawa 1999. 6. Gębura A., Tokarski T.: Diagnosing the power plants on the basic of observations of changes in alternator s output-voltage frequency, III International Scientific-Technical Conference EXPLO-DIESEL&GAS TURBINE 03, 2003, ISBN 83-914776-1-4. 10