Optymalizacja smarowania wiropłatów poprzez pobieranie próbek i analizę smaru

20.12.2023

Wiropłat, podobnie jak większość maszyn, wymaga okresowego smarowania, aby zapewnić ciągłą, bezpieczną i niezawodną pracę. Pożądane są optymalne interwały smarowania, aby utrzymać wydajność systemu, jednocześnie minimalizując przestoje samolotu oraz prace konserwacyjne. Boeing i AMRRI przeprowadziły badanie optymalizacji smarowania (LOS – Lubrication Optimization Study) w helikopterze H-47 Chinook, w celu ustalenia niezbędnych artefaktów inżynieryjnych (engineering artifacts), które mają pomóc w wyznaczeniu interwałów smarowania (lubrication intervals) dla wybranych elementów napędu, wirnika i podwozia.

Próbki z tych komponentów zostały pobrane przez międzynarodową kadrę operatorów H-47 i dostarczone do analizy laboratoryjnej w celu scharakteryzowania zużycia, właściwości i zanieczyszczeń zmieniających się wraz z upływem czasu i liczbą godzin pracy samolotu. Badanie optymalizacji smarowania ujawniło dalszą możliwość oceny i wykorzystania danych uzyskanych w tym badaniu, w tym określając doskonałą wydajność konkretnych smarów w ramach oznaczenia Mil-Spec, testując smary pod kątem kompatybilności po zmieszaniu i ulepszając czystość nowego smaru, w celu przedłużenia żywotności komponentów.

Abstrakt

Boeing i AMRRI przeprowadziły badanie optymalizacji smarowania (LOS) helikoptera H-47 Chinook, aby ustalić podstawy inżynieryjne i artefakty w celu zdefiniowania okresów smarowania smarem stałym dla wybranego napędu, wirnika i elementów podwozia. Głównym celem badania była analiza laboratoryjna pobranych z tych komponentów próbek smaru, oraz scharakteryzowanie sposobu, w jaki zmienia się zużycie, właściwości i zanieczyszczenia, w miarę upływu czasu i liczby przepracowanych godzin samolotu.

Aby zapewnić znamienność statystyczną analizy, dwuetapowo pobrano prawie 1200 próbek od maja 2018 r. do lipca 2019 r. W pobieraniu próbek uczestniczyło pięciu różnych operatorów. W ten sposób możliwe było ilościowe określenie różnorodnych środowiskowo warunków operacyjnych, takich jak „gorący”, „suchy” i/lub „słony”.

Firma AMRRI oceniła próbki smaru pod kątem zawartości ferromagnetyków w badaniu FerroQ (FdM – Ferrous Density), kolorymetrii, profilu konsystencji – (org. Die extrusion – wytłaczania matrycowego) (przepływ ścinający), woltametrii liniowej (właściwości przeciwutleniające – RULER), wilgotości (zawartości wody), zanieczyszczenia cząstkami (źródła zewnętrzne, takie jak krzem, glin/aluminium), spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera – FTIR (zanieczyszczenia organiczne) i spektroskopia metodą wirującej elektrody dyskowej (pomiar zużycia elementów nieżelaznych). Podstawowym parametrem ograniczającym badania było utlenianie w większości przypadków, natomiast wtórny parametr ograniczający był bardziej rozproszony.

Boeing przeprowadził badanie danych z eksploatacji dla każdego z wybranych komponentów. Analiza ta stanowiła uzupełnienie analizy smaru przeprowadzonej przez AMRRI. Łącznie analizy te stworzyły podstawę inżynieryjną dla zalecanych rozwiązań częstotliwości serwisowania wybranych elementów napędu, wirnika i podwozia. Wyniki badania wykazały zmniejszenie jednego interwału smarowania, pięć wydłużonych interwałów i jedenaście interwałów bez zmian w porównaniu do ustalonych wcześniej zaleceń serwisowych.

METODOLOGIA POBIERANIA PRÓBEK

Kluczowe znaczenie dla powodzenia tego programu miało opracowanie procedury pobierania próbek i narzędzi, które to zapewniły, że każda próbka przekazana do analizy była reprezentatywna dla aktualnego stanu komponentu i smaru zapewniając ochronę tego komponentu. Punktem wyjścia była dokumentacja Amerykańskiego Stowarzyszenia Badań i Materiałów (ASTM) D7718 o nazwie: „Standardowa praktyka pobierania próbek smaru w trakcie eksploatacji” która powstała w 2011 roku na podstawie badań przeprowadzonych dla branży energetycznej.

Poprzednie badania obejmowały testowanie powierzchni przekładni oraz dużych i małych łożysk. Chociaż niektóre z tych wcześniejszych prac miały bezpośrednie zastosowanie dla podobnych typów komponentów układu napędowego CH-47, istnieją różnice w konfiguracji obudów i dostępu, szczególnie w przypadku wypustów wałów napędowych śmigłowca Chinook 2. Do wstępnego pobrania próbek w serwisie Boeinga wykorzystano istniejące narzędzie, zestaw o nazwie „Pillow Block Grease Thief” (zestaw do poboru smaru z łożysk w oprawie). Zestaw ten zaprezentowano na Rysunku 1. Składa się on z plastikowej szpatułki, która została użyta, do pobrania próbek z różnych komponentów wirnika, napędu i podwozia. Szpatułka okazała się szczególnie przydatna do pobrania próbek z powierzchni zębów przekładni wielowypustowej, które okazały się obszarem. Początkowo to Urządzenie zostało zmodyfikowane w celu utworzenia profilu odpowiadającego kątowi zębów wielowypustowych, ale ponieważ wielowypusty mają różne wymiary i nie dla wszystkich udało się znaleźć jedno rozwiązanie pobiercze, szpatułkę zachowano w oryginalnym kształcie. Dostarczono instrukcje dotyczące trzymania końcówki szpatułki pod optymalnym kątem w celu zeskrobania smaru z powierzchni zębów. Ze względu na miękki plastikowy materiał szpatułki można to było zrobić bez uszkodzenia wielowypustu. W przypadku pobierania próbek z innych elementów niż wypusty, użyto szerokiego końca szpatułki. Pobrany w ten sposób smar, umieszczono następnie w standardowej 6-cio mililitrowej strzykawce, z której usunięto tłok. Gdy zebrano wystarczającą ilość smaru z powierzchni wielowypustu, ponownie założono tłok i użyto go do przeniesienia smaru do Grease Thief, plastikowego urządzenia pobierczego. Ze strzykawki usunięto uprzednio końcówkę, dzięki czemu można było uzyskać transfer całego smaru do urządzenia Grease Thief. Napełniony Grease Thief został umieszczony w plastikowej tubie transportowej, na której przyklejono etykietę identyfikacyjną oraz wysłano do laboratorium w celu wykonania analizy.

 

RYSUNEK 1: Zestaw do pobierania próbek z Grease Thief i innymi komponentami

RYSUNEK 2: Etykiety z kodami kreskowymi do zestawów pobierczych Grease Thief

 

Etykiety zostały zaprojektowane specjalnie na potrzeby tego projektu i dołączono je do zestawu pobierczego, z nadrukowanymi lokalizacjami poboru, identyfikacja i częstotliwość punktów pobierczych została przygotowana w odniesieniu do harmonogramu prac serwisowych/konserwacyjnych. W każdym przypadku zaplanowano pobór próbek, biorąc pod uwagę istniejące zadanie konserwacyjne danego urządzenia, tak, aby zminimalizować proces poboru smaru. Fragment etykiety identyfikacyjnej zaprezentowano na RYSUNKU 2. Etykietom przypisano unikalny numer kodu kreskowego, w celu sprawniejszej identyfikacji próbek.

 

RYSUNEK 3: Schemat pobierania próbek dla silnika z wałem poprzecznym i adapterów przeniesienia napędu

 

Do każdego zestawu pobierczego dołączono instrukcję. Każdy zestaw składał się z 8 „sakiewek”, a każda z nich zawierała elementy przedstawione na RYSUNKU 1. Dodatkowo przeszkolono żołnierzy i mechaników biorących udział w poborach, aby zapewnić jednolitość ich metodologii. Celem do osiągnięcia było W każdym przypadku pobranie ok. 1.5g smaru co odpowiadało w przybliżeniu objętości całego próbnika Grease Thief. Każde urządzenie zostało szczegółowo ocenione, aby określić najlepszy punkt pobierczy, jak zaprezentowano na RYSUNKU 3. Jednakże pobór z niektórych punktów, szczególnie z mniejszych wypustów, nie zapewniał w.w ilości dostępnego smaru, dlatego opracowano zestawienie analiz i wytypowano zakres badań dla próbek o mniejszej objętości smaru. RYSUNEK 4 przedstawia sesję treningową poboru próbki, wykonanego przy użyciu zmodyfikowanego zestawu Grease Thief. Pobór nastąpił podczas przeprowadzania planowanej czynności konserwującej.

 

RYSUNEK 4: Żołnierz pobiera próbkę smaru z wielowypustu podczas czynności konserwacyjnych

Przeprowadzone badania zoptymalizowano dla próbek, które zawierały mniejszą ilość smaru. Próbki o dużej objętości, zawierające więcej niż 0,95 grama smaru, wystarczyły do wykonania wszystkich ośmiu ustalonych badań. Próbki o masie większej niż 0,69 grama, ale mniejszej niż 0,95 grama, oznaczono jako próbki o „małej objętości” i z tej objętości, można byłoby przeprowadzić siedem badań, bez badania profilu konsystencji (wytłaczania matrycowego GTA). Zamiast tego badania przeprowadzono alternatywny test konsystencji z mniejszą ilością smaru, używając stożka i reometru płytkowego. Próbki o masie mniejszej niż 0,69 grama, ale nie mniejszej niż 0,35 grama, oznaczono jako próbki „niewielka objętość” . Niestety, nie można było z nich wykonać badania profilu konsystencji (wytłaczania matrycowego GTA), FerroQ (FdM – Ferrous Density) oraz badania RULER (obecność przeciwutleniaczy), zatem dostarczyły one ograniczoną ilość danych dla tego studium badawczego. Do badań nie użyto próbek, w których ilość smaru była niższa niż 0,35 gramów.

 

ANALIZA BADAWCZA SMARU

Wybrany zestaw testów analitycznych będzie oparty na znanych stresorach utleniających i wykrytych źródłach zanieczyszczeń w zastosowaniu maszynowym oraz dodatkach obecnych w smarze, wydłużających jego żywotność. Metoda badawcza wg ASTM dla oceny smarów eksploatacyjnych to D7918. Metoda ta wykorzystuje testy określone w TABELI 1, i zawiera listę kluczowych parametrów wykorzystywanych w ocenie smarów. Zwykle w zestawie badawczym znajdują się dwa dodatkowe testy (TABELA 2), które nie występują w aktualnej wersji normy ASTM D7918. Spektroskopia metodą obracającej się elektrody dyskowej (RDE) i test spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) zapewniają wyniki analizy pierwiastkowej i molekularnej oraz uzupełniają analizę przeprowadzoną w D7918 o monitorowanie cząstek nieżelaznych, dodatków, zanieczyszczeń i utleniania smaru. Chociaż metoda ASTM D7918 uwzględnia test zliczania cząstek i technikę bezpośredniego obrazowania cienkowarstwowego, ustalono, że zastosowanie tej metody będzie nieskuteczne ze względu na stan próbki smaru oraz niewystarczającą przejrzystość optyczną smaru. Dlatego zastąpiono metodę zliczania cząstek, monitorowaniem poziomu krzemu (Si) w smarze mierzonego za pomocą spektrometrii metodą obracającej się elektrody dyskowej. Spodziewano się, że najczęstszym źródłem cząstek zewnętrznych będzie piasek lub zanieczyszczenia, ze względu na środowiska pracy i działanie turbulencji powietrza, zatem krzem uznano za odpowiedni parametr orientacyjny do zmierzenia wnikania tych cząstek.

 

TABELA 1: Testy analizy smaru ASTM D7918

 

TABELA 2: Wykonane dodatkowe testy smaru, inne niż ASTM D7918

 

ANALIZA PRÓBKI

W projekcie wzięło udział wielu międzynarodowych operatorów i wyznaczono zakres do 1200 próbek badawczych. Pierwotnym celem było uzyskanie do badania co najmniej 30 próbek z każdej lokalizacji – (wytypowanego punktu poboru próbek), celem ustalenia istotności statystycznej dla wyników analizy smaru i określenia optymalnego interwału. Operatorom rozdano zestawy do pobierania próbek, każdy składający się z 8 sakiewek. W oparciu o badanie okresów między obsługowych wyznaczono kilka zestawów pobierczych, przy czym zmienną w każdym zestawie były dołączone etykiety, dopasowane do komponentu, który podlegał czynnościom konserwacyjnym/obsługowym. TABELA 3 przedstawia listę komponentów objętych badaniem wraz z aktualnie ustalonymi interwałami obsługowymi smaru. Interwały te, zostały ustalone na podstawie inżynierii oraz historii eksploatacyjnej.

 

TABELA 3: Wcześniej ustalone okresy międzyobsługowe smaru

 

Wyniki poszczególnych próbek smaru zestawiono w celu ustalenia 7 parametrów wpływających na trwałość smaru, tj zawartość żelaza (Fe), srebra (Ag), krzemu (Si), poziom ścieru żelaznego (ferroQ), wilgoć, wskaźnik wytłaczania matrycowego (profil konsystencji – konsystencja w warunkach dynamicznych) i poziom utlenienia. Parametry te zestawiono na wykresie jako funkcję godzin nalotu od ostatniego serwisu/wymiany smaru, aby określić czas, po jakim każdy parametr zaczyna się pogarszać. W oparciu o trend zmian parametru względem godzin lotu, naniesiono dopasowanie krzywej (Curve fitting – aproksymację punktową). W większości były to zależności liniowe, ale niektóre były logarytmiczne. Do obliczenia liczby godzin lotu wykorzystano wzór na dopasowanie krzywej, który odpowiadał docelowemu poziomowi krytycznemu parametrów. Optymalny okres międzyobsługowy określono jako liczbę godzin pracy, po której nastąpiłoby uzupełnienie smaru, przed wystąpieniem degradacji. W ten sposób każdy element będzie odpowiednio chroniony przed zużyciem i uszkodzeniem poprzez zapewnienie wymiany smaru na nowy, zanim środek z eksploatacji ulegnie degradacji lub zgromadzi znaczące zanieczyszczenia. Przykład regresji użyty do określenia optymalnego interwału zaprezentowano na RYSUNKU 5. W przypadku parametru „Ocena utlenienia”  -docelowy poziom uzupełnienia parametrów został wybrany na wartość 75, co odpowiada pozostałym 25%. oryginalnego poziomu ochrony dodatków przeciwutleniających. W tym przypadku równanie linii dopasowania krzywej daje wartość 171 godziny lotu.

 

RYSUNEK 5: Próbki kołnierza napędowego Stopień utlenienia

Wśród wyników przeprowadzonych badań stwierdzono korelację pomiędzy ilością krzemu wykrytą w smarze (zwykle jest to funkcja przedostania się piasku lub brudu podczas konserwacji lub pracy/eksploatacji) oraz stopień zużycia mierzony zarówno na podstawie poziomu żelaza (Fe), jak i aluminium (Al), co przedstawiono na RYSUNKU 6.

 

RYSUNEK 6: Próbki smaru z wszystkich komponentów. lewa oś Y przedstawia poziom żelaza (Fe) i aluminium (Al) w częściach na milion (ppm), prawa oś Y przedstawia poziom krzemu (Si), a oś X sekwencyjnie przedstawia najwyższe i najniższe wartości żelaza na wykresie punktowym.

 

Kolejnym niezwykłym odkryciem była obserwacja znacznych poziomów srebra w próbkach smaru. Badanie wykazało, że srebro było stosowane jako powłoka przeciwcierna na niektórych koszykach łożysk i powierzchniach wielowypustów. Chociaż większość próbek smaru miała niski poziom srebra, niektóre natomiast charakteryzowały się znaczną zawartością tego pierwiastka w granicach kilku tysięcy części na milion (ppm). Wysokie poziomy zużyciowe srebra niekoniecznie są problematyczne, jako, że celem tej powłoki jest ograniczenie zużycia i uszkodzeń struktury powierzchni napędowych. Zauważono jednak pewną zależność poprzez analizę głównych składowych (PCA – principal component analysis) pomiędzy wysokimi (>10 ppm) poziomami srebra i wyższymi poziomami żelaza w tych miejscach, jak pokazano na RYSUNKU 7. To wskazanie może pozwolić na okresową analizę smaru jako użyteczny wskaźnik przyszłego zużycia, ukierunkowania zadań konserwacyjnych oraz inspekcji kontrolnych.

 

RYSUNEK 7: Analiza PCA pierwiastkowego srebra w porównaniu z pierwiastkowym żelazem.

 

Chociaż projekt nie był specjalnie ukierunkowany na ocenę porównawczą produktów smarnych, udało się uzyskać pewne ustalenia, które faktycznie wzmacniały skuteczność niektórych smarów stosowanych w ich docelowym zastosowaniu. Wykres na RYSUNKU 8 pokazuje, że w kilku przypadkach, w których zastosowano alternatywny smar, odporność na zużycie nie była tak dobra jak w tych elementach, w których zastosowano zalecany smar. Nie służy to jako ocena względnej wartości tych produktów, lecz raczej jako ocena poziomów zużycia zaobserwowanych w konkretnym zastosowaniu, przy ograniczonych możliwościach zestawu próbek – i potwierdza przydatność produktu podstawowego.

 

RYSUNEK 8: Poziomy zużycia w zależności od produktu smarnego

 

RYSUNEK 9: Porównanie konsystencji próbki smaru „koagulowanego” i „roboczego”

 

Początkowo w wielu miejscach pobrano próbki z tarczy sterującej, aby określić zachowanie smaru, który nie pochodził z obszaru „roboczego” łożysk. Doświadczeni mechanicy po pewnym czasie opisali smar w tarczy sterującej, po określonym czasie pracy, jako najbliższy smar „roboczy” ,w porównaniu ze smarem „koagulowanym” znajdującym się w pewnej odległości od części smarowanej. Aby ocenić zasadność tej obserwacji, pobrano próbki z obu lokalizacji i porównano je. O dziwo, smar pobrany z obu miejsc danej tarczy sterującej wykazał się bardzo podobnymi wynikami. Analiza obejmowała porównanie konsystencji, poziomu zużycia, a nawet poziomu pozostałego przeciwutleniacza. Obserwacja tego podobieństwa oznacza, że smar z tych miejsc nie oddziela się od siebie, ale raczej płynie razem i miesza się w trakcie pracy. Atrybuty, które, jak się powszechnie oczekuje, powinny się różnić w zależności od odległości od części roboczej, np. zużycia cząstek stałych i przeciwutleniaczy, wykazały podobny poziom. Na podstawie tej obserwacji pobrano dopiero kolejne próbki z obszaru roboczego obudowy tarczy sterującej. Wykres konsystencji zmierzonych za pomocą metody wytłaczania matrycowego na RYSUNKU 9. Wszystkie 11 komponentów  przedstawionych w TABELI 4 analizowano przy użyciu siedmiu zidentyfikowanych parametrów. Te wyniki pozwoliły określić zalecane okresy między obsługowe na podstawie analizy smaru.

 

TABELA 4: Optymalne parametry uzupełniania smaru

ANALIZA DANYCH W TERENIE

Oprócz analizy smaru Boeing wykorzystał dane dotyczące konserwacji w terenie uzyskane z dzienników pokładowych operatorów, zapisów z usuwania części, zapisów z konserwacji etapowej i innych opublikowanych dokumentów umożliwiających analizę danych historycznych i inżynierskich. Do wygenerowania charakterystyki wykorzystano analizę rozkładu Wiebulla. Konserwatywne, podstawowe zasady zostały ustalone na potrzeby procesu analitycznego, aby zapewnić ciągłą bezpieczną eksploatację śmigłowca H-47. Wyniki tej analizy zapewniła uzasadnienie dla analizy próbki smaru i dalsze wytyczne dotyczące określenia zalecanych okresów serwisowania. Analizę danych historycznych i analizę próbek smaru poddano łącznie ocenie statystycznej w celu określenia opartych na danych, zoptymalizowanych okresów między obsługowych smarów.
Dane dotyczące konserwacji wykorzystano także do określenia wieku podzespołów zarówno nowych, jak i tych od ostatniego przeglądu zapewniając lepszy wgląd w znaczenie zbioru danych. Dało to możliwość oceny trendów analizowanego smaru i zależności korelujących z wiekiem komponentu.

WNIOSEK

Rezultatem badań było wydłużenie większości okresów smarowania, w wielu przypadkach dwukrotnie zwiększono okresy między obsługowe, w porównaniu do obecnie stosowanymi przez różnych operatorów. To rozszerzenie zapewnia każdemu operatorowi możliwość dostosowania okresów między przeglądami smaru, co pozwala na ograniczenie przestojów i kosztów konserwacji, zapewniając jednocześnie ciągłą i bezpieczną eksploatację statku powietrznego. Zaletą badania jest to, że ustalenia ostatniego okresu między obsługowego można dopasować do istniejących odstępów między konserwacjami i wspierać wysiłki w zakresie optymalizacji konserwacji, zaprezentowane przez Boeinga.

Wyniki te przekładają się na mniejszą liczbę przerw w pracy związanych z wymaganym serwisowaniem. W sumie szacunkowo nastąpiła redukcja z 98 zadań smarowania na 1000 godzin lotu do zaledwie 56 zadań smarowania na 1000 godzin lotu oraz redukcja z 20 przerw w świadczeniu usług na 1000 godzin lotu do zaledwie 10 przerw w świadczeniu usług na 1000 godzin lotu.

PODZIĘKOWANIE

Badanie to przeprowadzono przy wsparciu wielu operatorów H-47 Chinook, w tym kanadyjskiego programu Zarządzanie ILS/projektami CH147F, zarządzanie flotą ładunkową armii amerykańskiej, program zastosowań technologii MH-47 Office, Holenderska Organizacja ds. Materiałów Obronnych i Ministerstwo Obrony Wielkiej Brytanii. Każdy operator zapewnił znaczną liczbę próbek w różnych odstępach czasu i warunkach pracy, co zwiększyło różnorodność danych.

Rozszerzony zespół Boeinga obejmuje członków zespołów projektowych i inżynierów serwisowych, którzy byli odpowiedzialni za stworzenie Biuletynu Serwisowego, który zawierał instrukcje dotyczące pobierania próbek zgodne z wymaganiami personelu obsługi technicznej klienta i konfiguracjami statków powietrznych.

 

BIBLIOGRAFIA

1. American Society for Testing and Materials, 2011. ASTM D7718: Standard Practice for Obtaining In-Service Samples of Lubricating Grease. West Conshohocken, PA, USA.
2. Air Transport Association of America (ATA), 2013. ATA MSG-3 MSG-3 Volume 2 (Rotorcraft) Operator / Manufacturer Scheduled Maintenance Development. Washington, DC: Airlines for America.
3. Møller, H., Esbensen, K. & Wurzbach, R., 2016. Grease Sampling and Analysis For In-Service Condition Monitoring (CM) of Wind Turbine Blade Bearings. Bilbao, Spain, s.n.
4. Pitard, F., 1989. Pierre Gy’s Sampling Theory and Sampling Practice, 2 Volumes. Boca Raton, Florida: CRC Press, Inc..
5. Wurzbach, R., 2017. How to Determine Grease Compatibility and Why It’s Important. Machinery Lubrication, Feburary.
6. Wurzbach, R., 2018. Why Grease Cleanliness Should Not Be Overlooked. Machinery Lubrication , April.