CC BY
85
УДК 681.785.5
ВОЗМОЖНОСТИ СПЕКТРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Евгений Александрович Панков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, кафедра наносистем и оптотехники, тел. (903)076-49-33, e-mail: emailpankov@gmail.com
Надежда Федоровна Чайка
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (913)911-88-72, e-mail: chayka@triwe .net
В статье рассмотрены возможности спектральной диагностики состояния авиационных двигателей с помощью определения продуктов износа в отработанном масле.
Ключевые слова: спектральные методы, состояние авиационных двигателей, анализ масел, содержание примесей, диагностика.
THE POSSIBILITIES OF SPECTRAL METHODES FOR AIRCRAFT ENGINES DIAGNOSIS
Evgeniy A. Pankov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate student, 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., docent of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (913)911-88-72, e-mail: chayka@triwe.net
The article discusses the possibility of spectral diagnostics status of aircraft engines by determining the wear products in the waste oil.
Key words: spectral methods, the state of aircraft engines, oil analysis, the content of impurities, diagnostics.
Постоянное стремление к повышению безопасности полетов является важнейшим фактором развития авиации. Одним из направлений в этой работе является превентивный метод оценки состояния авиационного оборудования на основе анализа продуктов износа в продуктах сгорания - трибодиагностика, дающий достоверные данные о рабочем состоянии и степени износа технических систем.
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 помо-
щью специализированных приборов и оборудования. К таким приборам относятся анализаторы масла, рентгено-флуоресцентные анализаторы, атомно-эмиссионные и ИК спектрометры и т.д.
Однако, на сегодняшний день данный метод не получил широкого распространения в отечественной промышленности. Трибодиагностика в качестве повседневной практики пока используется только для обслуживания газотурбинных двигателей, хотя возможный диапазон ее применений в авиационной промышленности значительно шире.
Анализ проб масла на данном оборудовании позволяет определить концентрацию в нем того или иного элемента, из которого сделаны детали механизма, подвергающиеся трению. Зная эту величину, определяют усредненный износ соответствующей детали и делают вывод о необходимости проведения ремонтных работ [1].
При критическом анализе существующих методик принципиальным недостатком большинства таких методов является необходимость проведения лабораторных анализов, которые сложно реализовать в виде экспресс-анализа непосредственно на месте работы.
В авиационных двигателях содержится большое количество регулярно смазываемых маслом деталей. Анализ масел является основой прогнозной программы технического обслуживания двигателей. Наиболее часто в моторном масле попадаются частицы металлов, из которых изготовлены детали двигателя. Это, к примеру, свинец, медь, железо, хром с поршневых колец или алюминий с поршня. 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.
Анализ масла сегодня является одним из основных методов технического обслуживания. Сервисные инженеры или специалисты по надежности составляют расписание технического обслуживания на основе данных анализа масла. Необходимость в увеличении времени безотказной работы и снижении стоимости технического обслуживания требует, чтобы результаты анализа масла можно было бы получить, как можно быстрее, желательно на месте работы оборудования, чтобы обеспечить своевременное принятие решений.
В связи с этим является актуальной разработка новых малогабаритных приборов, использующих комплексные методы анализа масла. При этом спектральный анализ должен быть представлен не только приборами для атомно-эмиссионной спектроскопии, но и инфракрасными спектрометрами, сфера применения которых лежит в исследовании содержания веществ, которые не могут быть обнаружены на основе анализа спектров излучения [2].
Среди прочих направлений технической диагностики в авиации во всем мире данный метод считается достаточно эффективным, поскольку, согласно имеющимся данным, дефекты динамического оборудования, обнаруживаемые при анализе масла, подтверждаются в 95 % случаев при разборе агрегата. 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. За последние из перечисленных параметров отвечает именно ИК спектроскопия.
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.
При заборе образцов масла в целях анализа важно гарантировать минимизацию их повреждений во время и после процесса выборки. Как правило, берутся образцы в течение 30 минут после отключения двигателя. Это гарантирует, что любое загрязнение в виде присутствующих частиц не осядет на дне масляного резервуара.
Образцы собираются в чистые емкости объемом приблизительно 150 мл, которые запечатывается и отправляется в лабораторию для анализа. Отдельным элементом технической диагностики, разумеется, является программное обеспечение высокого уровня, в задачу которого входит обработка данных спектрального анализа.
Диагностика масла, работающего в механизме, имеет целый ряд преимуществ перед другими методами:
- отсутствие необходимости прекращения эксплуатации машины;
- отсутствие требования демонтажа оборудования;
- обнаружение неисправностей энергомеханического оборудования на ранней стадии их возникновения;
- возможность замены масла по фактической работоспособности оборудования;
- невысокая трудоемкость проведения диагностики и анализа.
Основные характеристиками метода являются:
- чувствительность, которая определяется минимальной измеряемой концентрацией вещества в пробе;
- диапазон измерений, определяемый наименьшей и наибольшей концентрацией, при которых метод обеспечивает корректные результаты;
- погрешность измерений, возникающая за счет инструментальной составляющей, влияния условий эксплуатации, присутствия мешающих компонентов и т.д.
- скорость измерений, то есть время достижения прибором 95 % значения результата измерения, отсчитываемое с момента поступления на вход прибора анализируемого вещества.
В основе спектрального анализа лежит изучение световых потоков, излучаемых или поглощаемых анализируемым веществом. Соответственно, различают спектральный анализ эмиссионный, когда исследованию подвергаются спектры излучения веществ, или абсорбционный, при котором исследуется из-
лучение, пропущенное прозрачным в данной рабочей спектральной области анализируемым объектом.
Эмиссионные спектры большинства металлов лежат в видимом или ближнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Как показано на рис. 1 на примере спектра железа, спектр излучения металлов представляет собой набор спектральных линий, измерение относительной интенсивности которых позволяет однозначно судить о количественном содержании элементов в пробе. Линии образуются в результате оптической дисперсии за счет разложения излучения в спектр с помощью диспергирующего элемента, в качестве которого в настоящее время, как правило, применяются дифракционные решетки.
Рис. 1. Спектр излучения железа
Для измерения количественного содержания элементов, присутствующих в масле, методом эмиссионной спектроскопии полученные пробы масла разбавляют. Затем масло смешивают с инертным газом и превращают его в аэрозоль. Эту смесь переводят в состояние плазмы при температуре 9000° С, что заставляет атомы металлов излучать энергию в виде фотонов. При этом спектр с характерными длинами волн испускается каждым элементом, содержащимся в пробе. По интенсивности соответствующего излучения определяют концентрации металлов, если их содержание в пробе составляет не менее 1 ррт.
Абсорбционный метод, как и эмиссионный, используется для обнаружения, и количественного определения содержания веществ. В абсорбционной спектроскопии используют излучение непрерывного спектра. Это излучение пропускается через слой исследуемого вещества, и часть его при этом поглощается. Причем, как показано на рис. 2, поглощается излучение с длинами волн, характерными для энергетических состояний исследуемого вещества.
Этот метод обладает рядом ценных качеств, среди которых:
- возможность одновременного получения качественных и количественных данных о содержании веществ;
- получение информации о химической природе вещества;
- высокая скорость анализа;
- высокая чувствительность метода;
- возможность анализа веществ во всех агрегатных состояниях;
- возможность анализа смесей без их разделения на компоненты;
- возможность многократного использования пробы для повторного исследования и т.д. [3].
Обычно метод абсорбционного анализа реализуется в ближней и средней инфракрасной области длин волн. При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательно-вращательных спектров молекул или их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец.
Однако, поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн, при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп
[4].
Исследование спектров поглощения моторного масла в диапазоне длин волн от 2,6 мкм до 14 мкм показывает изменение его физических параметров в процессе эксплуатации и однозначно характеризует деградацию авиационных механизмов. Такой анализ выполняется с помощью ИК-спектрометра путем измерения содержания воды, сажи, антифриза, а также кислотности пробы и сигнализирует, например, о протечке в топливной и охлаждающей системах. Определение щелочного числа и содержания сажи, примесей и присадок в масле позволяет точно определить интервал его замены в двигателе.
Анализ масла определяет количество и тип частиц в масле. Однако любой тип анализа масла недостаточно эффективен на разовой основе. Анализ масла основан на возможности определения повышения концентрации любого конкретного вида частиц или обнаружения в составе новых частиц, с тем, чтобы определить состояние двигателя. Для того, чтобы воспользоваться преимуществами анализа масла, должно выполняться периодическое исследование и должен быть установлен интервал проверки.
Спектральный анализ масла является важной частью программы профилактического технического обслуживания двигателя. Благодаря способности обнаруживать износ и загрязнения, данный анализ является ценной частью любой программы по мониторингу двигателя.
Несмотря на свою важность и ценность любой метод имеет свои пределы применения. Спектральные методы преимущественно эффективны при обнаружении частиц с размерами менее 8 мкм, тогда как более крупные частицы (с размерами от 10 мкм и выше) могут быть отфильтрованы практически любыми масляными фильтрами. Частицы с масляных фильтров можно проанализировать, например, химическими методами. Данный пример еще раз подчеркивает необходимость комплексного подхода и развития различных методов диагностики.
Однако, в нашей стране в настоящее время вклад спектрального анализа в трибодиагностику заключается, в основном, исключительно в эмиссионном анализе, выполняемом на приборах, подобных серии МФС. Эти спектрометры работают в коротковолновом оптическом диапазоне, они снабжены вогнутыми дифракционными решетками с числом штрихов около 1800 штр/мм. И в целом, отмечается значительное количество мало универсальных приборов.
В связи с этим в план магистерской работы включена разработка спектрометра для инфракрасной области для задач диагностики в авиации. По всей видимости, наиболее перспективным следует считать создание спектральных комплексов, позволяющих выполнять одновременное исследование проб не только в видимом и УФ, но и в инфракрасном диапазоне, и тем самым в полной мере задействовать возможности абсорбционной спектроскопии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Анализ масла в своевременной диагностике машинного оборудования [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://bit.ly/1WFIn4f. Дата обращения: 10.03.2016.
2. Анализ отработанного масла, анализ смазок, диагностика смазочных материалов [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://bit.ly/1pbbty4. Дата обращения: 12.03.2016.
3. Атомно-абсорбционная спектроскопия - Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://bit.ly/22CBrZs. Дата обращения: 22.03.2016.
4. Инфракрасная спектроскопия - Википедия Переиздание // WIKI 2 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://bit.ly/1UL6EqB. Дата обращения: 22.03.2016.
© Е. А. Панков, Н. Ф. Чайка, 2016
