CC BY
28
УДК 681.785.5
СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Евгений Александрович Панков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (903)076-49-33, e-mail: emailpankov@gmail.com
Надежда Федоровна Чайка
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (913)911-88-72, e-mail: chayka@triwe.net
В статье рассмотрены возможности спектральной диагностики в комплексной оценке состояния авиационных двигателей с помощью определения продуктов износа в отработанном масле.
Ключевые слова: спектральный анализ, диагностика авиационных двигателей, анализ масел, содержание примесей, инфракрасный спектрометр, дифракционная решетка.
SPECTROMETER FOR THE DIAGNOSIS OF AIRCRAFT ENGINES
Evgeniy A. Pankov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (903)076-49-33, e-mail: emailpankov@gmail.com
Nadezhda F. Chayka
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (913)911-88-72, e-mail: chayka@triwe.net
The article considers the possibilities of using aircraft engines in aircraft engines with the determination of the degree of wear of parts in the used oil.
Key words: spectral analysis, aircraft engine diagnostics, oil analysis, impurity content, infrared spectrometer, diffraction grating.
Превентивные методы диагностики авиационных двигателей являются важнейшим фактором обеспечения безопасности полетов. Как известно, диагностика состояния авиационных двигателей может осуществляться с помощью анализа масла. Контроль состояния двигателя по анализу масла можно сравнить по эффективности только с забором анализа крови в лаборатории, который дает огромное количество информации о работе сердца и других внутренних органов человека без инвазивной хирургии [1, 2].
Данная работа посвящена описанию комплексной методики анализа, включающей одновременно эмиссионный анализ в видимой и абсорбционный анализ в инфракрасной (ИК) областях спектра, для оценки количества химических элементов и органических соединений.
По мере работы авиационного двигателя в масло попадают выработанные им вещества. Некоторые из них являются результатом нормального износа деталей, тогда как другие характеризуют излишний износ, который угрожает надежности системы в целом. Контролируя состав масла, наличие и концентрацию в нем загрязняющих веществ, можно предвидеть проблемы путем контроля и прогнозирования износа двигателя, а, следовательно, начать ремонт прежде, чем проблемы станут катастрофическими.
Большинство инструментов для спектрального анализа масла, присутствующих на рынке в настоящее время, сопряжено с различными операционными и эксплуатационными расходами, поэтому часто встает вопрос контроля затрат. Замена части дорогостоящих лабораторных измерений на измерения с помощью более дешевого оборудования позволяет существенно сэкономить при сохранении необходимой производительности.
Трибодиагностика применительно к авиационному оборудованию представляет собой комплексную оценку состояния двигателей, поршней и других систем по составу и концентрации продуктов износа в рабочем масле с помощью специализированных приборов и оборудования. Такая система должна быстро, точно и экономически эффективно оценивать тенденции износа компонентов, анализируя смазочные масла на присутствие металлов и загрязнителей, которые могут ускорить износ. Раннее обнаружение позволяет предотвращать сбои оборудования и помогает оптимизировать программы обслуживания.
Анализ отработанного авиационного моторного масла имеет несколько задач, среди которых, например:
- проверка пробы на соответствие требуемой марки масла;
- оценка содержания элементов и загрязняющих веществ, которые обеспечивают информацию, касающуюся скорости износа узлов двигателя и ненормальных условий эксплуатации и т.д.
Эмиссионный анализ масла проводится по более чем 14 элементам. В процессе эксплуатации двигателей по результатам анализа в масло попадают такие элементы, как Fe, Си, А1, Сг, Sn, Ag, Si и другие. Высокие концентрации отдельных элементов могут указывать на чрезмерный износ двигателя или присутствие загрязнений. Поскольку скорость износа у двигателей различна, каждый двигатель обрабатывается индивидуально.
Поскольку металлы имеют уникальные элементарные концентрации, можно предсказать вероятность разрушения подшипников и износ компонентов, например, упорных шайб, металлических масляных уплотнителей, масляных насосов. Например, повышенное содержание частиц алюминия говорит об износе поршней, хрома - поршневых колец, подшипников, железа - гильз цилиндров.
Уровни тех элементов, которые характерны для масляных добавок, полезны для подтверждения степени использования масла, более того, они могут указывать на загрязнение топливом, водой или неправильным типом масла.
Осуществляя поузловую диагностику двигателей, определяют уровень износа отдельных узлов машин и механизмов, с учетом количества частиц микропримесей и элементного состава частиц.
Таким образом, анализ отработанного масла позволяет получить достоверную информацию о техническом состоянии подшипников, уплотнений, состояния смазки, эффективности работы присадок, наличии ферромагнитных и неферромагнитных включений, обводнения, параметров вязкости и качества смазки и т. д. Наличие органических составляющих может быть выявлено с помощью ИК абсорбционной спектроскопии.
В настоящее время, необходим способ, обеспечивающий достаточную скорость анализа масла, не менее 100 выборок за смену, независимо от количества элементов, подлежащих анализу. Кроме того, необходима безопасная, по возможности автоматическая работа прибора.
При эмиссионном анализе пробу вводят в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон. При этом осуществляется фотоэлектрическая регистрация оптического излучения и выполняются соответствующие измерения. В каждый момент времени регистрируется узкий спектральный интервал, который включает аналитическую линию того или иного вещества. Переход от одного интервала к другому осуществляется сканированием спектра.
Дополнительно, для проведения абсорбционного анализа, подготовленную пробу растворяют в органическом растворителе, определяют количество частиц в исходной и растворенной пробах, по соотношению их количества определяют коэффициент, оценивающий качество работающего масла, при этом средний размер частиц оценивают по распределению частиц, полученному при анализе растворенной пробы. Анализ органических составляющих осуществляется в ИК диапазоне, в связи с этим выбранный диапазон работы спектрометра составляет от 2,4 мкм до 14 мкм.
Оптическая схема прибора, как показано на рис. 1, построена на основе схемы Водсворта со сферическим зеркалом. В схему включен поворотный механизм дифракционных решеток.
Рис. 1. Оптическая схема спектрометра
1 - входная щель; 2 - сферическое зеркало; 3 - сменные дифракционные решетки; 4 - выходная щель
В качестве диспергирующей системы спектрометра используется пара сменных вогнутых дифракционных решеток 300 штр/мм и 120 штр/мм с углами блеска 29° и 26° соответственно. Теоретическая разрешающая способность, даваемая такими решетками, составляет ^ = 24000 и ^ = 9600 соответственно. Использование двух решеток необходимо для обеспечения работы в широком спектральном диапазоне. Решетка 300 штр/мм позволяет работать в диапазоне до X = 5 мкм, решетка 120 штр/мм до X = 14 мкм.
Для повышения энергетической эффективности решетки более выгодно использовать в низких порядках дифракции, поэтому в данном случае они работают в первом дифракционном порядке. Размеры нарезной части решеток составляют 80 х 90 мм2.
Энергетическая эффективность данных решеток в рабочей области подтверждается графиками на рис. 2. Из графиков следует, что по всему рабочему диапазону коэффициент отражения имеет численные значение не ниже 0,2 , что соответствует области высокой концентрации энергии решеток Ф(и) > 0,4.
0,80 0,70 0,60 0,50 ^ 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
2,40 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5
а)
0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
06 6
080604
0008 ,6 1 ,4 0, стТ о" »ч
04 61
б)
Рис. 2. Коэффициент отражения решеток:
а) 300 штр/мм; б) 120 штр/мм
Таким образом, разработка комплексной методики спектрального анализа авиационного масла, включающей кроме анализа химических элементов также анализ и органических жидкостей, и разработка дифракционного спектрометра для диагностики авиационных двигателей является важной частью общего комплекса трибодиагностики двигателей для обеспечения безопасности полетов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Панков Е. А., Чайка Н. Ф. Возможности спектральных методов для диагностики авиационных двигателей // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Магистерская научная сессия «Первые шаги в науке» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 8-13.
2. Анализ масла в своевременной диагностике машинного оборудования [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bit.ly/1WFIn4f. Дата обращения: 10.03.2016.
© Е. А. Панков, Н. Ф. Чайка, 2017
