Методы технической диагностики авиационной техники

Электромагнитный метод контроля, как разновидность магнитного метода, основан на взаимодействии переменного магнитного поля катушки индуктивности с электромагнитным полем, возникающим от вихревых токов металлических частиц в работающем масле. К недостаткам метода следует отнести малую чувствительность анализаторов, их подверженность влиянию внешних переменных полей, а также невозможность определения немагнитных частиц износа.

Эмиссионно-спектральный метод (в ГА применяются установки типа МФС, МОА, Spektrooil). Этот метод использует явление свечения газа исследуемого вещества в результате нагревания его до температуры свыше 10000С. При таких температурах энергия движения частиц газа такова, что при их столкновении происходят процессы диссоциации и ионизации, в результате которых, наряду с атомами и молекулами, в газе образуются свободные электрические заряды-ионы и электроны. Нагретый, частично ионизированный, проводящий электрический ток газ-плазма излучает электромагнитные колебания в оптическом диапазоне спектра. Существенной составляющей этого излучения являются  линейчатые спектры атомов, в которых каждому элементу соответствует своя длина волны излучения определенной интенсивности. Исследуя спектр, можно определить химический состав образующего его газа, и, следовательно,  состав анализируемой пробы.

Интенсивность аналитических спектральных линий (мощность излучения единицы объема плазмы) пропорционально связана с концентрацией соответствующих элементов в пробе. Установка позволяет определить не только качественный, но и количественный состав пробы. Для проведения количественного анализа необходимо выбрать адекватную модель спектроаналитического процесса (связь между сигналом и концентрацией исследуемого элемента) и провести с ее помощью градуирование установки.

Рентгеноспектральный метод (в ГА применяются установки типа БАРС-3, «СПЕКТРОСКАН», БРА-17, «ПРИЗМА»). Метод основан на регистрации длины волны и интенсивности характеристического флуоресцентного излучения химических элементов, входящих в состав  «сухой» масляной пробы. Характеристическое излучение – это квантовое излучение с линейчатым (дискретным) спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атома. Длина волны характеристического излучения зависит от атомного номера химического элемента и уменьшается по мере его возрастания. Явление флуоресценции связано с переходом атомов, молекул или ионов из возбужденных состояний в нормальное состояние под действием характеристического излучения. Излучение возбуждается рентгеновскими лучами, направленными на масляную пробу. Характеристическое излучение определяемых элементов выделяется из вторичного излучения образца кристалл-анализатором и регистрируется с помощью шести селективных рентгеновских фильтров и шести пропорциональных счетчиков («Спектроскан»). Анализ начинается с

Рис. 6. Энергодисперсионный анализатор «Спектроскан Макс»

установки анализируемой пробы в пробо-загрузочное устройство спектрометра и продолжается от 10 до 1000 сек. в зависимости от анализируемого материала и требуемой точности анализа. Кванты излучения преобразуются в импульсы напряжения, скорость поступления которых измеряется и выводится на дисплей, и сохраняются в памяти компьютера, значения распечатываются на принтере. Спектрометр полностью управляется компьютером.

Рис.7. Рентгеноспектральный анализатор «ПРИЗМА»

Сцинтилляционный метод.  Метод регистрации заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Еще в 1903 г. Крукс и другие ученые показали, что если рассматривать экран из сернистого цинка, облучаемый частицами через увеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появление отдельных кратковременных вспышек света — сцинтилляций. Было установлено, что каждая из этих сцинтилляций создается отдельной частицей, попадающей на экран. Круксом был построен простой прибор, названный спинтарископом Крукса, предназначенный для счета частиц. Визуальный метод сцинтилляций был использован в дальнейшем в основном для регистрации частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электрон-вольт. Отдельные быстрые электроны регистрировать не удалось, так как они вызывают очень слабые сцинтилляции. Иногда при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки, но это происходило лишь тогда, когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов. Гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение. Это позволяет регистрировать частицы в присутствии сильного излучения. Визуальный метод сцинтилляций позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту. Конечно, метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора. Несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики. С помощью него Резерфорд регистрировал частицы при их рассеянии на атомах. Именно эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра.  Сцинтилляционный метод регистрации возродился в конце сороковых годов XX в. на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлек-тронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 108 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и  анализи- ровать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и гамма-лучи.

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод). Принцип работы сцинтилляционного счетчика состоит в следующем. Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул, которые через очень короткое время (10-6 — 10-9 сек.) переходят в стабильное состояние, испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны. Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ. В качестве фосфоров используются: органические кристаллы, жидкие органические сцинтилляторы, твердые пластмассовые сцинтилляторы, газовые сцинтилляторы. Основными характеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора. Очень важно, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования.

ОАО «НПО «Сатурн» стало первым российским предприятием, которое вложило серьезные финансовые средства в разработку технологии диагностирования по результатам сцинтилляционных измерений ГТД серий Д-30КП/КУ/КУ-154. В рамках бюллетеней 1756БД-Г и 1772БД-Г специалистами разработан экспрессный количественный способ получения максимально возможной диагностической информации о параметрах частиц износа, находящихся в масле, в смывах с маслофильтра, магнитных пробок, фильтров-сигнализаторов и др. Использование сцинтилляционного анализатора масла позволило в диагностической авиационной практике оперативно оценивать не только общее техническое состояние двигателя по критерию «исправен» - «не исправен», но и раздельно оценивать техническое состояние подшипников трансмиссии и коробок приводов авиадвигателей.

Колориметрический метод  (в ГА используются приборы типа КФК-2, ФЭК-М). В основу метода положен закон Ламберта-Бера и принцип измерения коэффициента пропускания света через исследуемую среду. На фотоприемник поочередно направляются световые потоки: полный и прошедший через эталонную и затем масляную среду, далее определяется отношение этих потоков. В качестве эталона используется либо дистиллированная вода, либо масло, соответствующее нормам ТУ. По значениям оптико-цветовых характеристик исследуемых проб масла и судят о состоянии узлов трения, омываемых маслом.

Отношение световых потоков, есть коэффициент пропускания или степень прозрачности исследуемого раствора  t = (Fl/Fml)·100%.

Оптическая плотность (D) определяется по формуле: D = 2 - lg t  .

Органолептический метод. При этом методе степень частиц износа выявляется визуально или с использованием каких-либо устройств и приспособлений (магнитные пробки, фильтры, сигнализаторы). Как известно [41], на двигателях применяются сигнализаторы стружки различного типа (электронные, электромеханические и др.). Эти сигнализаторы имеют один принципиальный недостаток, который связан с возможностью ложного срабатывания из-за накопления смолистых веществ в масле и различного рода посторонних загрязнений, не имеющих отношения к развитию дефекта. Сигнализаторы только фиксируют наличие износа, но не позволяют отслеживать скорость процесса накопления стружки в масле. Таким образом, этот метод недостаточно информативен с точки зрения точности выявления морфологии частиц износа.  

Феррографический метод  (в ГА используются феррографы типа PF, DR в основном импортного производства). Феррография - это метод микроскопического анализа частиц, отделенных от жидкостей. Метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методами, упомянутыми выше, главным из которых является низкая погрешность измерений.

Для оценки состояния трущихся пар пользуются двумя типами феррографов. Это аналитический феррограф и прямопоказывающий феррограф. Последний оценивает массовую концентрацию примесей в пробе; с помощью аналитического феррографа изучаются морфологические признаки частиц износа с целью установления «адреса» дефекта.

Частицы, которые вместе с маслом стекают по наклонной поверхности пластины, изготовленной из кварцевого стекла, подвергаются воздействию градуированного магнитного поля, под воздействием которого Fe-частицы оседают в порядке убывания своего размера. Минимальный размер частиц - 3,0…5,0 мкм.

Концентрация частиц «улавливается» в двух областях: на входе в зону отложения и на расстоянии 4 мм от этой зоны. В этих точках производится измерение интенсивности прохождения света через отложения, которая пропорциональна концентрации частиц в пробе.

Метод радиоактивных изотопов

Использование метода радиоактивных изотопов заключается в установке на двигатель активированной детали, износ которой требуется определить.  В процессе работы двигателя радиоактивные частицы вместе с остальными продуктами износа попадают в масло. Степень износа детали определяют на основе измерения радиоактивности масла. Метод высоко информативен, т.к. впрямую указывает «адрес» дефекта. Основными  способами  активации масла являются: установка радиоактивных вставок на заданных  участках поверхности детали; облучение деталей нейтронами; введение изотопов в металлы во время их плавки; электролитическое покрытие деталей радиоактивным элементом.

Применение радиоактивных  изотопов  для  исследования износа обладает рядом преимуществ. Этот метод обладает высокой чувствительностью и  возможностью  непрерывной регистрации измерений непосредственно  при работе двигателя. С его помощью можно  определять износ заданного участка детали. Кроме того, метод позволяет исследовать ряд вопросов,  связанных с работой и износом двигателя: приработку деталей при пусках, характер изнашивания  (коррозионный,  механический  и  т.п.), расход масла  и др.

Однако определение износа деталей методом радиоактивных изотопов представляет известную сложность. К этому необходимо добавить,  что применение метода ограничено необходимостью специальной  подготовки двигателя перед испытаниями, а также биологической защиты обслуживающего  персонала от излучения.  Метод позволяет оценивать износ только одной детали (или группы деталей).  Одновременное раздельное определение  износа нескольких деталей весьма сложно, т.к. требует применения изотопов  с  различными  энергиями излучения и  специальной аппаратуры для раздельной регистрации этих излучений.

2.4. Эффективность  диагностики жидкостных систем ЛА и АД

При диагностировании жидкостных систем АТ в условиях эксплуатации используют переносные и встроенные средства. Большинство параметров, характеризующих состояние жидкостных систем, являются неэлектрическими величинами (давление, температура, расход рабочей жидкости и др.). Для удобства измерения и обработки диагностических параметров необходима их трансформация в электрические сигналы. Для этого используются различные преобразователи, которые классифицируются по своему принципу действия следующим образом, причем их функциональные возможности измерения параметров отмечены в скобках:

• ультразвуковые (расход, параметры рабочей жидкости);
• пьезоэлектрические (пульсации давления, вибрации);
• индукционные (частота вращения);
• трансформаторные (перемещение, давление, расход);
• фотоэлектрические (частота вращения, интенсивность излучения);
• индуктивные (давление, линейные перемещения);
• термопары, термосопротивление (температура);
• тензорезисторные (относительные перемещения);
• потенциометрические (давление, линейные и угловые скорости) и др.