Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Степанов Виктор Александрович. Разработка и исследование методов и средств комплексной диагностики смазываемых узлов трения газотурбинных двигателей по параметрам продуктов износа в масле : диссертация ... доктора технических наук : 05.04.12, 05.02.04.- Москва, 2000.- 363 с.: ил. РГБ ОД, 71 01-5/396-4

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Перечень условных обозначений 6

Введение 10

Глава 1.

Обзор литературы и современное состояние трибодиагностики

технического состояния авиационных двигателей и агрегатов 18

1.1 Теоретические основы трибодиагностики технического состояния

авиационных двигателей и агрегатов 18

1,1.1 .Уравнение связи концентрации частиц износа в масле и скорости

изнашивания поверхностей трения без учета эффективности фильтрации 19

1.1.2. Классификация частиц износа, образующихся при изнашивании

смазываемых узлов трения 36

  1. Нормальное изнашивание - изнашивание отслаиванием 37

  2. Образование частиц изнашивания при микрорезании 40

  3. Частицы износа, образующиеся в результате усталостного выкрашивания при трении качения 43

  4. Частицы износа, образующиеся при задире 48

  5. Распределение размеров частиц износа - один из возможных критериев оценки технического состояния смазываемых узлов трения 51

1.2. Методы и средства лабораторной трибодиагностики смазываемых узлов
трения 52

1.2.1. Спектральные методы исследования продуктов износа в смазочных
маслах 53

1.2.1.1 Методы калибровки спектральных средств лабораторной

трибодиагностики 58

1.2.2. Феррографический метод исследования продуктов износа в смазочных

маслах 61

1.3. Встроенные системы предупреждения аварийного износа 73

  1. Магнитные пробки и фильтры сигнализаторы - простейшие системы предупреждения аварийного износа 73

  2. Электронные системы предупреждения аварийного износа смазываемых узлов трения 79

  1. Методы исследования смазывающей способности авиационных масел 95

  2. Цель и задачи исследования 99

Глава 2. Некоторые теоретические аспекты прооессов изнашивания и
трибодиагностики смазываемых узлов трения авиаыионных двигателей и
агрегатов 101

  1. Уравнение динамики загрязнения маслосистемы ГТД продуктами износа,.101

  2. Уравнение связи концентрации и скорости образования частиц износа

для авиационных агрегатов с фитильной системой смазки 106

  1. Гипотетическая модель образования сферических частиц износа в усталостных микротрещинах 114

  2. Кавитационная модель развития усталостного изнашивания смазываемых

** поверхностей трения авиационных двигателей и агрегатов 120

Глава 3. Развитие средств и методов лабораторной трибодкагностики 144

  1. Испытание первых опытных образцов модифицированного для целей трибодиагностики рентгено-флуоресцентного анализатора БАРС-ЗД 144

  2. Испытания рентгено-флуоресцентного спектрометра «Спектроскан» 151

  3. Методика приготовления градуировочных образцов для рентгено-флуоресцентного анализа 159

  4. Развитие средств феррографического анализа масла. Методика оценки

"*' интенсивности износа 166

3.5. Обоснование необходимости комплексного подхода к трибодиагностике..,176
Глава 4. Разработка и испитания элекоронной системы

* предупреждения аварийного износа с магнитоуправляемым

\

контактным датчиком СПАИ-2 , 180

  1. Анализ особенностей работы датчика 182

  2. Расчет датчика и оценка сил магнитного притяжения частиц 189

  3. Лабораторные испытания первоначального вартанта СПАИ 198

  4. Разркботка конструкции системы предупреждения аварийного износа

СПАИ по результатам предварительных испытаний 211

Глава 5. Опыт применения трибодиагностики для оценки технического
состояния авиационных двигателей и агрегатов 229

  1. Резутьтаты оценки технического состояния подшипника КВД двигателя ПС-90А методами трибодиагностики при его ресурсных испытаниях 229

  2. Применение трибодиагностики при доводке механизма перестановки стабилизатора самолета ЯК-42 244

  3. Применение методов трибодиагностики для оценки технического состояния авиационных турбохолодильников 253

5.4. Комплексная трибодиагностика авиационных двигателей 260

Глава 6. Применение методов трибодиагностики для оценки

смазевающей способности авиационных месел 265

6.1. Мдтоды и сревства исслеиования смазывающей способности масел 265

6.2.Сущность комплексного метода оценки смазывающей способности

авиационных масел, использующего припципы трибодиагностики 271

6.3.Мдтоды оценки противоизносных и противозадирных свойств масел на

приборе ПТВР 273

6.3.1.Прибор трения валик-ролик ПТВР 278

6.3.2.Контактные напряжения в зоне трения прибора ПТВР 285

6.4. Сущность метода сравнительной оценки способности авиационных месел

противостоять кавитационной эризии поверхностей трения в тонкой
смазочной пленке 292

^*г

  1. Метод оценки противоизносных и противозадирных свойств масел на редукторной установке Ш-3 296

  2. Резутьтаты экспериментальных исследований 305

6.6.1 .Результаты исследования маеел на приборе трения валик-ролик ПВВР 306

6.6.2. Резутьтаты экспериментальных исследований способности масел
противостоять кавитационной эризии поверхностей трения в тонких

смазочных пленках 316

6.6.3. Результаты экспериментальных исследований смазывающих свойств
масел на редукторной установке Ш-3 по концентрации продуктов износа

в масле 321

6.6.4. Анализ результатов оценки смазывающей способности масел по

комплексному методу 329

Основные выводы 332

Литература 335

Приложения. Акты внедрения

Перечень условных обозначений

АКЧ - автоматизированный контроль количества и размеров

частиц износа; ВТД - вихретоковой датчик; ГТД - газотурбинный двигатель; МИД - магнитоиндукционный датчик; МКД - магнитоуправляемый самоочищающийся контактный

датчик; ПК - повышенная концентрация металлов в масле; ПДК - предельно-допустимая концентрация металлов в масле; ТРДД - двухкынтурный турборыактивный двигатель; ТРДФ - турборыактивный двигатель с форсажом; Al - оптическая плотность в месте осаждения крупных частиц

размером более 5 ммм;
As - оптическая плотность в месте осаждения мелких
^ частиц размером менее 2 ммм;

А = AL + As

Вм - магнитная индукция магнита; Вг - остаточная индукция материала магнита; Вц - значение индукции, соответствующее максимальной проницаемости материала магнитопровода;

В - среднее значение индукции в зазоре;

С - концентрация продуктов износа в масле;

Со - начальная концеитрация продуктов износа в масле;

Ср - равновесная концентрация продуктов износа в масле;

і,

с - концентрация продуктов износа в масле после доливки

масла в маслосистему; Ci - коэффициент переноса;, равный длле частиц, дошедших из

мест своего образования в место расположения датчика; Сг - коэффициент захвата датчика, раыный отношению числа частиц, захватываемых датчиком, к общему числу частиц, поступающих на воод в сепаратор; Сз - коэффициент отдачи чувствительного элемента, равный отношению числа частиц, образующих замыкающую заоор цепочку, к обмему числу частиц, захваченных датчиком; Dl - концентрация больших частиц износа размером более

5 ммм; Ds - концентрация малых частиц износа размером менее 2 ммм;

d - средний размер частиц износа;

dl, dl - средние диаметры рабочих зазоров;

dM - приыятый по конструктивным соображениям диаметр

магнита; F - магнитная сиаа; f - частота срабатывания датчика; Ф - магнитный поток в рабочем зазоре; Фм - магнитный поток магнита; G - магнитная проводимость рабочего зазора датчика; G' - магнитная проводимость путей потоков рассеяния; Нм - свободная м.д,с.( магнитная движущая сила)на единицу длины магнита;

Нсв - коэрцитивная сила магнитного материала;

К - коэффициент заполнения онна обмотки медью провода;

l(t) - средняя длина часыицы;

1м - длнна магнита;

m - массовая скорость образования частиц износа;

п - количество контактов триния в маслосистеме двигателя;

q - уткчка масла из маслосистемы;

q' = q/Vo - относительная утечка масла;

S« - среенее значение зазора;

Snp.min - минимальное сечение провода;

Sm - площадь сечения магнита;

Т - общее время работы двигателя;

t - врямя;

tp - время достижения равновесной концентрации;
w Atp - период размагничивания датчика;

V Ate - период времени, требуемый для образования

замыкающей цепочки в датчике;

V - объем масла в маслосистеме;

Vo - начальный обеем масла в маслосистеме;

Vgm - обеем масла, долиыаемый в маслосистему при регламентных доливках;

Уд - общий объем масла, доливаемого в маслосистему за время эксплуатации;

V'gm = Vgm/Vo - относительный расход масла, доливаемого в маслосистему при

регламентных доливках;

У д = Vд/Vо - относительный обеем масла, доливаемого в маслосистему за врммя

эксплуатации;

ь-

^*V-

V рЗСХОд MdCJlа HvJJCo MctWlUwJdCTcIu.y?

v *~ V/ ^() - ОТНОСИТСЛЬНЫй раС/ХОд МаСЛа ЧСОсз МлСЛОСИСТСМу;

5 - ширина рабгчего зазора чувствительного элетента датчика;

у - эффективность фильтрации - доля частиц, теряемая в элементах

м ас л оси сте мы ;

цxo - магнитная постоянная;

v(t) - частота образования частиц износа.

\

і.

Введение к работе:

Актуальності», Безопасность полетов авиационной техники в значиоельной стенени определяется уровнем надежности, заложенной при ее проектировании и производстве, а также эффективностью средств и методов диагностики ее технического состояния, обеспеиивающих раннее обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации.

Опыт эксплуатации газотурбинных двигателей (ГДД) в России показывает, что до 31%, а по данным фмрмы Роллс-Ройс до 55%, от общего числа отказов двигателей приходится на уллы триния и диагностируется методами трибодиагностики по параметрам продуктов износа в масле.*

Это обстоятельство обуславливает важную роль, которую должна играть трибодиагностика (контроль параметров продуктов износа в масле) в общей системе диагностики ГДД.

Трибодиагностику условно можно разделить на две составные части -бортовую и лабораторную. Бортовая трибодиагностика необходима для предупреждения о дефекте узлов трения во время работы двигателя за небольшой пеоиод времени до возникновения опасности их разрушения, тее. является средством контроля состояния.

Лабораторная трибодиагностика предназначена для долгосрочного прогнозирования дефекта и определения его местонихождения в системе смазки,

В качестве бортовых средств трибодиагностики в основном используются сигнализаторы стружки в масле, фильтры сигнализаторы и магнитные пробки, которые не обеспечивают достаточной достоверности информации о состоянии смазываемых узлов триния из-за накопительного припципа действия, выбранного при их разработке.

* далее пртсто трибодиагностика.

'С

в последнее время в качестве бортовых средств трибодиагностики находят все большее распространение автоматизированные системы предупреждения аварийного износа, основанные на различных физических принципах. Наибольший интерес представляют исследования и разработки фирм Vikers (Tedeco), GasTOPS, НПО «Сатурн», ГННГ им. И.МиГубкина.

До недавнего времени для лабороторной трибодиагностики в эксплуатации авиационной техники применялся только спектральный анилиз масла. В качестве критерия оценки технического состояния смазываемых узлов трения используется концентрация металлов в масле, для которой устанавливаются значения повышенной концентрации (П)), при достижении которой двигатель ставится на осыбый контроль, и предельно-допустимая концентрация (П)К), при которой двигатель снимается с эксплуатации.

Большой вклад в развитие спектрального анализа для трибодиагностики смазываемых узлов трения в России внесли работы, проведенные во ВНИИЖТ, 13-м институте ВСС, ЦИАМ им. П.И.Баранова, ГННГ им. Й.М.Губкина, ГОСНИИГА, НИИ ВСС, НПО «Сатурн», ОАО «Авиадвигатель», ОАО «Аэрофлот».

Однако, при применении для трибодиагностики только спектрального анализа, из-за ограниченности информации, имеют место случаи необоснованного съема двигателя иии, наоборот, пропуска неисправности.

Можно привести следующий пример, когда применение только спектрального анализа может привести к необоснованному съему двигателя. При попадании в маслосистему песка возрестает интенсивность гидроабразивного износа, что естественно приводит к быстрому росту концентраций металлов в масле, значения которых могут достигать предельно-допустимых. Если исслеиование пооб масла проводится на спектральных приборах, не определяющих содержание кремния (рентгеновские), то двигатель межет бтть сяят с эксплуатации, хття его уллы трения находятся в удовлетворительном

^e

техническом состоянии. В этом случае для дальнейшей эксплуатации двигателя достаточно осуществить промывку маслосистемы и смену масла.

Случай пропуска неисправности из-за недостатка информации при применении для трибодиагностики только спектрального анализа можно продемонстрировать на следующем примере.

Одним из самых распространенных и опасных видов износа узлов трения при качении является питтинг (усталостное выкрашивание) контактных поверхностей. Началом процесса питтинга является пластическая деформация поверхности и образование на поверхностях трения усталостных микротрещин. При этом, вплоть до появления первой каверны усталостного выкрашивания, единственным видом образующихся частиц износа, попадающим в масло, являются сферические частицы размером 2-5 мкм, весовой вклад которых в общую массу образующихся при нормальном износе частиц составляет несколько процентов, что соизмеримо с ошибкой измерения используемого при диагностике спектрального оборудования поэтому процесс образования на поверхностях трения усталостных микротрещин не может контролироваться спектральным анализом.

Дальнейшее неконтролируемое развитие усталостных микротрещин приводит к усталостному выкрашиванию поверхностей , которое может быстро привести к разрушению подшипников качения. Причем период времени между моментом образования первой язвины усталостного выкрашивания и разрушением подшипника может быть меньше периода между отборами проб масла для трибодиагностики, установленного регламентом, и, следовательно, такое разрушение в некоторых случаях не диагностируется спектральным анализом. Это, в частности, относится к межвальному подшипнику двигателя типа Д-ЗОКУ.

Из приведенных примеров следует, что частицы износа, находящиеся в смазочном масле, несут гораздо больше информации о процессах износа в узлах

трения, чем ее используется при применении для трибодиагностики только спектрального анализа масла.

К параметрам, несущим эту информацию, относятся распределение размеров частиц износа, форма, соотношение размеров и состав отдельных частиц, состояние их поверхностей, наличие в масле различных механических примесей неметаллического происхождения, образующихся в процессе работы узла трения или попадающих в маслосистему из вее.

Решение проблемы повышения надежности двигателей и агрегатов путем наиболее полной регистрации и анализа веех этих параметров, заложенное в комплексном подходе к трибодиагностике, позволит значительно повысить достоверность результатов оценки технического состояния смазываемых узлов триния ГТД и приоеретает особую важность и актуальность при переходе к эксплуатации авиационной техники по техническому состоянию.

Большое влияние на долговечность смазываемых узлов триния оказывает

качество смазочных материалов, применяемых в авиационных двигателях и

агрегатах, особенно его смазочные свойства. Автором решена проблема

v численной оценки смазывающей способности масел путем разработки методов с

применением опыта трибодиагностики.

Разркботка методов и средств комплексной трибодиагностики технического состояния смазываемых узлов триния и численной оценки смазывающей способности масел вемьма актуальна.

Актуальность тммы диссертации подтверждается тем, что она связана с выпоенением планов работ по:

1. Программе развития Гражданской авиации до 2000 г., утвержденной Правительством РФ 1.1.06.92 г. >ЇГ4-Ш4-4-756.

2. Цеоевой комплексной программе по разработке и внедрению отраслевой
системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования
v компрессорных станций РАО "ГАМПРОМ" до 2000 г.

Научной новизной обладают следующие результаты, полуденные в диссертации:

1. Математическая модель, устанавливающая соотношение между
интенсивностью изнашивания смазываемых узлов трения двигателя и
концентрацией частиц износа в масле, учитывающая эффективность
фильтрации, параметры маслосистемы и ее тип.

Получено выражение для равновесной концентрации частиц износа в масле. Указанная модель является основополагающей при разработке методов трибодиагностики для различных систем смазки.

2. Модель процесса образования сферических частиц износа в усталостных
микротрещинах. Появление сферических частиц размером 2-Ю мкм в масле -
первый признак образования усталостных микротрещин на поверхностях трения
при качении. Экспериментально установлено, что сферические частицы
образуются не только при развитии усталостных микротрещин в подшипниках
качения, но и в зубчатых зацеплениях в области делительной окружности
шестерен. Диаметр этих частиц в зубчатых зацеплениях составляет 5-15 мкм, в

4 то время, как в подшипниках качения диаметр сферических частиц,

появляющихся в масле при образовании на телах качения усталостных микротрещин, не превышает 5 мкм.

3. Модель, объясняющая влияние кавитации в зоне контакта трущихся пар
на усталостное выкрашивание поверхностей, а также влияние кавитационных
явлений в усталостных микротрещинах на расклинивающее действие смазочных
масел.

4. Принцип действия системы предупреждения аварийного износа
смазываемых узлов ірения ГТД с самосбрасывающим датчиком, исключающая
«ложные срабатывания», на котором была разработана система СПАИ-2 (Патент
№ 2131552 от 10.06.99).

Ч^

  1. Способ подачи масла на предметное стекло в аналитической феррографии (А.А. № 1691714 от 15.07.91), исключающий потерю информации из-за неполного поступления частиц износа на феррограмму или их разрушения в процессе подачи масла, позволивший разработать аналитические феррографы ОМ-1 и ФАН-1.

  2. Метод сканирования феррограмм, позволяющий оценивать изменение интенсивности изнашивания узлов трения, на базе которого разработано устройство анализа феррограмм ДКС-1.

7. Методы оценки противоизносных, противозадирных и
противопиттинговых свойств масел с применением принципов
трибодиагностики, позволяющих проводить инструментальную, количественную
оценку смазывающей способности масел (А.С. № 422112 от 08.05.88, А.С. №
635068 от 15.11.90), для реализации которых разработано, изготовлено и
испытано соответствующее оборудование.

По результатам исследований реализованы:

бортовая система предупреждения аварийного износа узлов трения ГТД; прошла испытания в АО «Авиадвигатель» и ЛИИ им. М.М.Громова;

аналитический феррограф ОМ-1; внедрен в АО «Аэрофлот»,

АО «Авиадвигатель», НИИ ВВС, НПО им. В.Я.Климова, МВЗ им.М.Л.Миля, ИТЦ «Оргтехдиагностика» РАО «ГАЗПРОМ»;

- аналитический феррограф ФАН-1; внедрен в а/к «Внуковские
авиалинии»;

- автоматическое устройство считывания феррограмм ДКС-1; внедрено в
АО «Авиадвигатель», АО «Аэрофлот», а/к «Внуковские авиалинии», ИТЦ
«Оргтехдиагностика» РАО ГАЗПРОМ;

- атласы частиц износа для двигателей АЛ-31, ПС-90А, Д-30-КУ, КП;

- методика расшифровки феррограмм с помощью автоматического
считывающего устройства;

методика МЦ-22-87 сравнительной оценки способности авиационных масел противостоять кавитационной эризии поверхностей триния в тонкой смазочной пленке;

методика оцкнки противоизносных свойств масел на установке Ш-3 с применением комслекса приборов "Феррограф";

методика оценки противоизносных свойств авиационных масел на приборе триния валик-ролик (ГГГВР).

По результатам работы опубликовано 24 печатных ратот, получено 3 авторских свидетельства, оиин патент. Аотор награжден сереоряной медалью ВДНХ СССР (1990 г.).

Работа содержит 6 глвв.

В первой глвве представлен обзор литературы и анализ современного состояния трибодиагностики смазываемых узлов триния авиационных двигателей и агрегатов, сформулированы цлль и задачи исследования.

Во второй глвве приведена математическая модель, описывающая связь мджду интенсивностью изнашивания поверхностей триния и концентрацией частиц износа в масле.

Рассмотрены оснывные критерии оценки технического состояния смазываемых узлов триния ГДД.

Рассматривается предложенная автором гипотеза образования сферических частиц износа, являющихся критерием появления и развития усталостных микротрещин на контактных поверхностях при тринии качяния.

Устанывленные во второй главе дополнительные критерии определяют состав комплексной системы трибодиагностики.

Третья глава посвящена комплексной лабороторной системе раннего обнаружения дефектов узлов триния двигателя.

V.

Определен и обоснован состав комплексной лабораторной, системы трибодиагностики. Разработаны аналитические феррографы ОМ-1 и ФАН-1, автоматическое устройство считывания феррограмм, разработано методическое обеспечение для указанных приборов, представлены результаты испытаний феррографического и спектрального оборудования комплексной лабораторной системы трибодиагностики.

Четвертая глава посвящена вопросам разработки бортовых систем предупреждения аварийного износа смазываемых узлов трения ГТД. Показано, что разработанная в настоящей работе система СПАИ-2 не уступает или превосходит все существующие аналоги по чувствительности и достоверности получаемой информации.

В пятой главе представлены некоторые результаты применения комплексной лабораторной системы трибодиагностики при эксплуатации и испытаниях авиационной техники.

Представлены результаты применения комплексной системы трибодиагностики при испытаниях подшипника КВД двигателя ПС-90А, механизма перестановки стабилизатора самолета ЯК-42, оценки технического состояния авиационных турбохолодильников. Также представлен опыт трибодиагностики двигателей ПС-90А и Д-ЗОКУДП в эксплуатации,

Шестая глава посвящена прикладному применению комплексной лабораторной системы трибодиагностики для исследования эксплуатационных свойств авиационных масел. Приведены разработанные автором методы оценки противоизносных, противопиттинговых и противозадирных свойств масел.

Подобные работы
Олейников Алексей Владимирович
Разработка и апробация комплексных методов вибрационного исследования и диагностики центробежных нагнетателей природного газа
Россихин Сергей Юрьевич
Разработка и исследование перфорированных экранов и их влияние на надежность и экономичность последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин
Готовцев Андрей Михайлович
Разработка и исследование систем стабилизации течения пара в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах паровых турбин
Мосенжник Борис Юрьевич
Разработка и исследование конструкций направляющих аппаратов с устройствами для интенсификации дробления влаги в целях борьбы с эрозией рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин
Фичоряк Ольга Михайловна
Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин
Лунин Игорь Александрович
Исследование функционирования сетевых подогревателей теплофикационных турбин Т-250/300-240 и разработка системы их технической диагностики
Степанов Виктор Александрович
Разработка и исследование методов и средств комплексной диагностики смазываемых узлов трения газотурбинных двигателей по параметрам продуктов износа в масле
Жарков Владислав Владимирович
Разработка и исследование методов и средств диагностики электрических машин на основе измерения их полей рассеяния
Мятенко Наталья Ивановна
Разработка и исследование методов и средств управления процессами диагностики и комбинированной терапии акне
Коцарь Александр Геннадьевич
Разработка и исследование методов и средств управления процессами прогнозирования, диагностики, профилактики и лечения хронического простатита

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net