MONITOROVANIE VIBRÁCIÍ AKO NÁSTROJ NA SLEDOVANIE A HODNOTENIE TECHNICKÉHO STAVU KONŠTRUKČNÝCH CELKOV LIETADLA

Abstrakt:

Životný cyklus lietadla pozostáva z fáz návrhu, výroby, prevádzky a vyradenia z prevádzky. Hlavný dôraz kladú letecké spoločnosti na proces údržby počas prevádzkovej fázy lietadla, keďže náklady na údržbu predstavujú obrovský podiel z celkových nákladov leteckých spoločností. Údržba leteckej techniky ma rôzne formy a stratégie, ktoré sú v posledných rokoch predmetom neustáleho zlepšovania. Systém údržby pozostáva z viacerých faktorov, akými sú: systémové vybavenie, pracovná sila, organizácia práce, logistika náhradných dielov, stratégie údržby, atď. Všetky tieto faktory musia spolu korelovať, aby bolo možné dosiahnuť čo najefektívnejší výkon údržbových činností. V súčasnosti sa kladie dôraz na využitie proaktívnych a prediktívnych prístupov, ktoré umožňujú stanoviť príčinu poruchy a predpovedať jej ďalší priebeh. Monitorovanie vibrácií predstavuje efektívnu metódu sledovania technického stavu lietadlových konštrukčných celkov, keďže každý mechanický systém je sprevádzaný vybudeným mechanickým kmitaním, ktorého mohutnosť determinuje aktuálny stav systému. Článok je zameraný na využitie monitorovania vibrácií ako jednu z metód na sledovanie a hodnotenie technického stavu konštrukčných celkov lietadla, pričom sa primárne zameriava na vibrácie leteckého motora. Okrem využitia mechanického kmitania článok poskytuje prehľad o tradičných, ako aj súčasných trendoch monitorovania technického stavu jednotlivých konštrukčných celkov či už ide o monitorovanie na zemi alebo počas letu.

Kľúčové slová: Konštrukčné celky lietadla, Sledovanie technického stavu, Vibrácie

JEL: L93

Vibration Monitoring as a Tool for Condition Monitoring and Evaluation of AIRCRAFT structural health. 

Abstract:  The life cycle of an aircraft consists of design, production, operation and retirement phases. The main focus of airlines is on the maintenance process during the operational phase of the aircraft, as maintenance costs represent a huge proportion of the airlines’ total costs. Aviation maintenance takes different forms and strategies, which have been subject to continuous improvement in recent years. The maintenance system consists of several factors such as: system equipment, manpower, work organisation, spare parts logistics, maintenance strategies, etc. All these factors must correlate in order to achieve the most efficient performance of maintenance activities. Today, emphasis is placed on the use of proactive and predictive approaches to determine the cause of failure and predict its future course. Vibration monitoring is an effective method of monitoring the technical condition of aircraft structural assemblies, as each mechanical system is accompanied by a built-up mechanical vibration, the magnitude of which determines the current state of the system. The article focuses on the use of vibration monitoring as one of the methods for monitoring and evaluating the technical condition of aircraft structural units, primarily focusing on aircraft engine vibration. In addition to the use of mechanical vibration, the article provides an overview of traditional as well as current trends in the monitoring of the technical condition of individual structural units, whether it is ground-based or in-flight monitoring.

Keywords: Structural Health Monitoring, Condition Monitoring, Vibrácie

1 Úvod

Zaisťovanie prevádzkovej schopnosti lietadlovej techniky priamo závisí od úrovne jej prevádzkovej spoľahlivosti. Riešenie otázok spoľahlivosti a priebežné vyhodnocovanie kvantitatívnych ukazovateľov spoľahlivosti je v letectve dnes už nevyhnutnou a životne dôležitou podmienkou. Nahrádzaním tradičných preventívnych metód novými progresívnymi prediktívnymi metódami je možné zvýšiť spoľahlivosť jednotlivých komponentov lietadla a v konečnom dôsledku celkovú spoľahlivosť lietadla ako celku [1]. Týmito metódami je možné znížiť časy údržby, redukovať počet neplánovaných údržieb lietadla čo sa v konečnom dôsledku výrazne odzrkadlí na celkových výdavkoch prevádzkovateľov. Náklady na údržbu predstavujú jedny z najväčších podielov celkových nákladov [2], preto je v súčasnosti kladený dôraz práve na ich znižovanie pri zachovaní až zvyšovaní súčasných úrovní bezpečnosti. Motor spolu s komponentami zostávajú najnákladnejšími položkami spomedzi segmentov lietadla, ako môžeme vidieť na Obr. 1.

 Zdroj: Spracované autorom na základe [2]

Obrázok 1. Priame náklady na údržbu podľa segmentu lietadla

V súčasnosti, keď sa jedným z najvýznamnejších problémov stáva zabezpečenie spoľahlivosti prevádzky novonavrhovaných mechanických sústav, sú otázky zisťovania vzniku, šírenia a izolácie kmitania jednotlivých častí strojov a strojových sústav veľmi aktuálne. Kmitanie predstavuje nežiadúci jav, ktorý iniciuje zdroj poškodení a urýchľuje ich priebeh. Zároveň, keď v oblasti letectva pozorujeme snahu vyvíjať inovatívne procesy v oblasti monitorovania technického stavu lietadlových celkov, sa dôraz kladie na progresívne proaktívne a prediktívne stratégie údržby práve za účelom znižovania nákladov, pracovnej sily, skracovania prestojov lietadiel v hangári čo v konečnom dôsledku vedie ku zvyšovaniu celkovej bezpečnosti a letovej spôsobilosti lietadiel. Vibrodiagnostika predstavuje samostatný vedný odbor využívaný pre stanovenie aktuálneho technického stavu objektu na základe meraní a analýzy vibrácií. Predstavuje užitočný nástroj modernej proaktívnej údržby vo všetkých prevádzkach, v ktorých sa nachádzajú stroje s rotačným alebo vratným pohybom. Jej hlavnou úlohou je možnosť stanovenia technického stavu stroja alebo strojových sústav priamo v prevádzkových podmienkach bez nutnosti ich demontáže, čim nahrádza personálne, časovo i finančne nákladné periodické inšpekcie vykonávané formou nedeštruktívneho testovania. Dnes už je známym faktom, že pomocou frekvenčnej analýzy signálu vibrácií je možne priradiť jednotlivé zložky vibrácií priamo k ich zdrojom, reprezentujúcim súčasti stroja alebo strojovej sústavy, ako sú ozubené kolesá, ložiská, hriadele atď. alebo k prevádzkovým príčinám, ktorými sú napríklad nevyváženie rotačných súčastí, nesprávne uloženie hriadele, elektroporucha a pod.

Monitorovanie vibrácií zohráva markantnú úlohu nie len v leteckom priemysle ale aj v príbuzných priemysloch, akými sú automobilový, strojársky, stavebný alebo energetický. K vibráciám dochádza pri každom stroji či sústave, ktorá sa pohybuje, pričom so súčasnými možnosťami výpočtovej techniky a pomocou pokročilých vibračných analýz je možné vibrácie sledovať a následne vzhľadom na ich charakteristické rysy aj vyhodnocovať, respektíve stanoviť konkrétne príčiny ich vzniku. Počas vývojového procesu inžinieri overujú návrh prototypu lietadla vykonaním experimentálnych pozemných skúšok vibrácií lietadla. Na lietadle sa vykonáva simulácia scenárov, ktoré môžu nastať počas reálnej prevádzky lietadla pri jeho lete s cieľom overiť rázové a vibračné výkonnosti všetkých aspektov lietadla vrátane jeho riadiacich plôch. Vibrácie je možné monitorovať nie len na zemi ale aj v reálnom čase počas samotného letu lietadla. Najdôležitejšie vibrácie predstavujú vibrácie motora, ktoré sú snímané prostredníctvom vhodne umiestnených vibračných senzorov. Tieto údaje poskytujú ucelený prehľad o aktuálnom technickom stave motora. Existuje veľa príčin vzniku vibrácií lietadla, vrátane samotných udalostí vysunutia alebo zatiahnutia podvozku, vysunutia rýchlostných bŕzd – spojlerov alebo ide o vôle pohyblivých riadiacich povrchov či závažnejšie zlyhania systémov. Nie len údržbový technický personál ale aj posádka lietadla potrebuje poznať príčiny a dôsledky vibrácií lietadla, aby zabezpečila bezpečnosť samotného letu a zároveň zabránila nadmernému opotrebeniu, prípadne poškodeniu draku lietadla. Bežné a abnormálne vibrácie sa vyskytujú z niekoľkých dôvodov. Na ich vznik vplýva aerodynamika, mechanické zlyhania a vonkajšie faktory. Všetky vibrácie majú svoju charakteristickú frekvenciu a veľkosť, ktoré môžu byť ľahko identifikovateľné alebo sotva citeľné pre posádku a cestujúcich. V prípade vibrácií, ktoré sú spojené s prevádzkou leteckého motora má posádka lietadla k dispozícií vyhradené prístroje na meranie ich veľkosti. Každé lietadlo vykazuje jedinečné rysy svojich bežných vibrácií, ktoré na ňom vznikajú. Ide o dôsledok distribúcie hmoty a tuhosti jeho konštrukcie, ktoré vedú k vibračným režimom pri určitých frekvenciách. Prevádzka leteckého motora v prípade nevyváženého hriadeľa môže pri niektorých rýchlostiach mať za následok zvýšené vibrácie, keďže práve táto nevyváženosť budí motor a vybudené vibrácie sa ďalej prenášajú na drak lietadla. Prevádzka niektorých mechanických komponentov, ako sú napríklad čerpadlá, môže byť nakoniec spojená s bežnými vibráciami a hlukom. Najľahšie identifikovateľné abnormálne vibrácie sú vibrácie, ktoré majú náhly nástup a môžu byť sprevádzané hlukom. Tieto vibrácie môžu byť prerušované alebo ustálené s odlišnou frekvenciou, alebo môže ísť o náhodný typ trepania – buffet. Abnormálne vibrácia zvyčajne súvisia s jednou alebo viacerými z nasledujúcich príčin: nevyváženosť rotora motora, porucha funkčnosti mechanického príslušenstva a rozrušenia vzduchu prúdiaceho okolo dverí a ovládacích plôch, ktoré sú vychýlené, nesprávne vysunuté, nadmerne opotrebované alebo majú nadmernú vôľu. Abnormálne vibrácie sú iba zriedka spôsobené štrukturálnou poruchou alebo nestabilným systémom riadenia výkonu. Cieľom článku je poukázať na skutočnosť, že vibrodiagnostika naďalej predstavuje efektívny nástroj na sledovanie a hodnotenie technického stavu konštrukčných celkov a mechanických sústav, ktoré sa vyskytujú aj v leteckom priemysle v podobe konštrukčných celkov lietadla, najmä pohonnej jednotky. Autori kladú dôraz na definovanie a charakteristiku ako zaužívaných nedeštruktívnych metód testovania, tak aj nových metód, akými sú práve Condition Monitoring a Structural Health Monitoring, ktorému v posledných rokov venuje veľká pozornosť nie len v leteckom priemysle.

2 Sledovanie a hodnotenie technického stavu

Nasledujúca kapitola sa bude zaoberať v súčasnosti najpoužívanejšími tradičnými a progresívnymi metódami sledovania a hodnotenia technického stavu konštrukčných celkov. Jednotlivé metódy, ktorými sa bude kapitola venovať sú si navzájom veľmi podobné, avšak povaha sledovania význačných parametrov alebo indikátorov, rovnako ako objekty záujmu ktoré sa sledujú, sa v závislosti od použitej metódy líšia. Záver kapitoly sa venuje monitorovaniu vibrácií lietadla ako na zemi tak aj počas letu, kde sa článok zameriava primárne na monitorovanie vibrácií pohonného systému – leteckého motora.

Na sledovanie a hodnotenie technického stavu sa tradične využívajú. Metódy nedeštruktívneho testovania sú najrozšírenejšími metódami na odhaľovanie ako viditeľných tak aj skrytých štrukturálnych poškodení konštrukčných celkov lietadla. Ide prevažne o vizuálne kontroly a testy pomocou špeciálneho vybavenia, pričom povaha týchto meraní, ako už z názvu vyplýva je nedeštruktívna. Objekt plní svoju funkciu aj po vykonaní testovania a ostáva naďalej v prevádzkyschopnom stave. Markantnou nevýhodou nedeštruktívneho testovania je nutnosť uzemnenia lietadla v hangári, kde testovanie prebieha. V najlepšom prípade ide o preventívne úkony vykonávané školeným technickým personálom pri naplánovanej údržbe na základe cyklov alebo letových hodín. V tom horšom prípade je to počas nákladnej neplánovanej údržby, kedy sa počas letu zistilo poškodenie komponentu, ktorý naďalej nie je schopný spoľahlivo vykonávať svoju činnosť alebo funkciu. Na rozdiel od sledovania životnosti konštrukčných celkov (Structural Health Management) a monitorovania technického stavu rotačných prvkov (Condition monitoring), ktorým sa bude kapitola venovať, nedeštruktívne metódy testovania nedisponujú prediktívnym charakterom. Ide prevažne o preventívne úkony na posúdenie miery vzniknutého poškodenia. Senzory používané pri týchto metódach nie sú schopné vykonávať trendovanie a predikovanie správania poruchy, čomu sa venujú nasledujúce metódy.

2.1 Sledovanie životnosti konštrukčných celkov (Structural Health Monitoring)

Slovné spojenie „Structural Health Monitoring“ (SHM), ktoré by sa dalo voľne preložiť ako sledovanie životnosti konštrukčných celkov je proces implementácie stratégie zameranej na detekciu a charakterizáciu porúch konštrukčných celkov [3]. Cieľom SHM je presne a efektívne monitorovať správanie konštrukcie alebo štruktúry v sledovanom mieste, hodnotiť jej výkonnosť pri rôznych prevádzkových zaťaženiach, zisťovať poškodenie alebo opotrebenie a v konečnom dôsledku určiť zdravie, respektíve technický stav konštrukčného celku. Proces SHM zahŕňa pozorovanie systému v priebehu času pomocou periodický vzorkovaných meraní jeho dynamickej odozvy pomocou senzorov a extrakciu význačných javov indikujúcich poruchy z meraní a štatistickú analýzu týchto javov na určenie aktuálneho technického stavu systému. SHM systém by mal poskytnúť spoľahlivé informácie týkajúce sa bezpečnosti a celistvosti konštrukcie. Poskytnuté informácie sa môžu začleniť do údržbových a organizačných stratégií a tým viesť k zlepšenému návrhu smerníc. Bezprostrednosť a citlivosť SHM môže umožniť krátkodobé overenie inovatívnych návrhov, včasnú detekciu problémov, vyhnutie sa katastrofickým zlyhaniam, efektívne prideľovania zdrojov, znížiť počet prestojov a šetriť náklady na údržbu. Na Obr. 1 môžeme vidieť jednotlivé metódy, ktoré sú súčasťou SHM a s ktorými je často zamieňaný. Fyzický diagnostický nástroj SHM predstavuje komplexná integrácia rôznych snímacích zariadení a pomocných systémov, vrátane monitorovacieho systému, systému určeného pre zber údajov, systém spracovania údajov, komunikačný systém, systém vybavený detekčným modelom poškodení.

 Zdroj: Vlastné spracovanie

Obr. 2. Diagram vzájomného vzťahu jednotlivých odborov zameraných na sledovanie a hodnotenie technického stavu

2.2 Monitorovanie technického stavu rotačných prvkov (Condition Monitoring)

Monitorovanie technického stavu (Condition monitoring (CM)) je založené na schopnosti monitorovania aktuálneho technického stavu a zároveň predpovedania budúceho technického stavu stroja alebo strojovej sústavy počas jej prevádzky, na základe jej dynamických prejavov. CM a metódy nedeštruktívneho testovania (NDT) sú akýmisi podkategóriami SHM, ako môžeme vidieť na Obrázok 1., pričom CM sa zameriava na monitorovanie strojových sústav a výlučne ich rotačných prvkov, akými sú práve hriadele, ložiská, ozubené kolesá, čerpadlá a pod. Na rozdiel od metód nedeštruktívneho testovania, ktoré môžu byť využívané už pri výrobných procesoch, ako forma detekcie nečistôt alebo anomálií v materiáloch alebo vo forme periodických meraní zariadenia počas jeho prevádzky sa CM využíva výlučne počas prevádzky zariadenia, pričom táto metóda je schopná nahradiť periodické metódy NDT. Existujú dve hlavné metódy ktoré využíva CM na získavanie informácií o internom stave zariadenia a to sú analýza vibrácií, ktorej princíp môžeme vidieť na Obr. 3. a analýza maziva (tribometria).

Zdroj: Vlastné spracovanie

Obrázok 3. Základná schéma sledovania technického stavu na základe monitorovania vibrácií rotačných prvkov

Stroj alebo mechanická sústava aj v prípade svojho bezzávadového technického stavu, pri svojej prevádzke nevyhnutne vytvára svoje charakteristické vibrácie. Vývoj blížiacej sa poruchy mení charakteristiku vibrácií spôsobom, ktorý môže indikovať túto poruchou. Mnohé z týchto vibrácií sú priamo spojené s periodickými javmi súvisiacimi s prevádzkou stroja, ktoré sú spôsobené rotáciou hriadele, záberom ozubených kolies, rotujúcimi elektrickými poliami atď. Frekvencia, s akou sa tieto javy opakujú, často poskytuje priamu indikáciu zdroja vibrácií, a preto sú mnohé výkonné diagnostické metódy založené práve na frekvenčnej analýze. Niektoré vibrácie sú však spôsobené javmi, ktoré nie sú fázovo viazané na rotáciu, ako tomu je v prípade hriadeľa, napríklad v prípade spaľovacej komory, kedy sú vibrácie budené stálym počtom spaľovacích javov v dôsledku cyklov spaľovania motora, napriek tomu, že tieto javy nie sú úplne periodické. Tento fakt predstavuje určitú výhodu, pretože je možné tieto javy pri vyhodnocovaní zdroja vibrácií oddeliť od tých úplne periodických. Vibrácie môžu byť budené prúdením tekutín, ako je to v prípade čerpadiel a plynových turbín, ktoré sa zvyčajne vyznačujú jedinečnými charakteristikami. Pretože sú stroje zložité a rozsah použitia techník spracovania signálu je široký, musí si byť užívateľ vedomý ich sily a obmedzení. V prípade vykonania tribometrie, mazivo ktoré preteká vnútrom stroja vie poskytnú cenné informácie o stave stroja na základe opotrebovaných častí, chemických nečistôt atď., ktoré sa v mazive môžu vyskytnúť. Analýza sa týka hlavne cirkulačných olejových mazacích sústav, avšak niektoré analýzy je možné aplikovať na iný druh maziva, napríklad na vazelíny. Táto metóda poskytuje dodatočný prínos, kedy vieme na základe zvyškov materiálu identifikovať opotrebovaný komponent v prípade, ak už došlo k identifikácii poškodenia pomocou analýzy vibrácii [4].

2.3 Monitorovanie vibrácií lietadla na zemi (Ground Vibration Testing)

Pozemné testy vibrácií lietadla sa typicky vykonávajú v najneskoršej časti jeho vývojového procesu. Hlavným účelom tohto demonštračného testu je získanie experimentálnych údajov v podobe vibrácií a modálnych parametrov celej konštrukcie lietadla, teda lietadla ako celku. Tieto údaje sú použité na validáciu a vylepšenie dynamických modelov konštrukcie. Využitím spomenutých modelov je možné predikovať správanie javov ako sú napr. trepotanie – flutter a trepanie – buffeting [5]. Táto predikcia je z hľadiska bezpečnosti veľmi dôležitá, pretože určuje hranice bezpečnej letovej obálky testovaného lietadla pred vykonaním prvého testovacieho letu, viď Obr. 4.

 Zdroj: Vlastné spracovanie

Obrázok 4. Vývojový proces lietadla

Vzhľadom na veľké vývojové náklady, obmedzenej dostupnosti lietadla na pozemné testy vibrácií a skutočnosti, že je dôležité testovať niekoľko možných konfigurácií lietadla, vzniká veľká časová tieseň na získanie výsledkov testov. Práve z tohto dôvodu vzniká potreba zníženia časovej náročnosti jednotlivých testov a s nimi súvisiacich analýz bez toho, aby bola ohrozená presnosť výsledkov. Po vykonaní skúšobných letov sa aktualizujú analytické modely, vykonajú sa konečné výpočty trepotania – flutteru a lietadlo získa osvedčenie o letovej spôsobilosti. Pozemný test vibrácií zobrazený na Obr. 4 je povinný pre nové lietadlá a pre súčasné lietadlá, ktoré prechádzajú modifikáciami. Vykonáva sa taktiež na vrtuľníkoch a kozmických lodiach. Výstupne údaje testov zameraných na trepotanie a trepanie (Flutter a Buffeting) poskytujú údaje o zaťažení lietadla počas letu, na základe ktorých je možné definovať vstupy skutočných podmienok pre budúce požiadavky štrukturálneho testovania [6]. Virtuálna simulácia dramaticky urýchľuje celkový proces vývoja lietadla. Fyzické testovanie však zostáva rozhodujúcim aspektom prispievania k celkovej validácii simulačných modelov a zároveň k pochopeniu štrukturálnych charakteristík nových materiálov a výrobných procesov.

2.4 Monitorovanie vibrácií lietadla počas letu (Vibration Monitoring System)

Pokročilý systém sledovania vibrácií (VMS – Vibration Monitoring System) pozostávajúci z palubných a pozemných operácií patrí medzi aktuálne systémy VMS v praxi. Palubná časť VMS zahŕňa detekciu výskytu vibrácií sledovaním definovaných hodnôt amplitúdy vibrácií a porovnaním s predpísanými absolútnymi a relatívnymi limitmi vibrácií, kde sú relatívne vibračné limity špecifické pre každý konkrétny motor. Táto hodnota vyjadruje hodnotu vibračnej energie.  Prekročenie definovaných limitov alarmov vibrácií spúšťa výstrahu v kabíne. Spracovanie a získavanie rôznych súborov údajov o vibráciách pomocou viacerých algoritmov sú ďalšími úlohami funkcie monitorovania vibrácií na palube. Pozemná časť VMS zahŕňa trendovú analýzu vibračných signálov, ako aj sofistikované metódy založené na umelej inteligencii na diagnostiku vibračných udalostí, ktoré zahŕňajú údaje generované na krídle (On Wing), skúšobné lôžko a výsledky numerických simulácií vykonávaných s použitím rozsiahlych štrukturálnych modelov motorov využívajúc analýzy konečných prvkov.

Jedným z najcitlivejších parametrov nepretržitého monitorovania stavu leteckých motorov sú vibrácie motora. Tieto vibrácie sú zachytené jedným alebo viacerými akcelerometrami umiestnenými na vybraných polohách skrine motora. Najčastejšou veličinou, ktorá sa sleduje v prípade vibrácií je veľkosť amplitúdy kmitania alebo efektívna hodnota kmitania, tzv. RMS hodnota. S týmito získanými signálmi a ďalšími prevádzkovými parametrami, používanými na riadenie lietadla a motora, je možné spoľahlivo sledovať „technické zdravie“ motorov a v prípade potreby diagnostikovať dôvody poruchy motora. Na Obr. 5 môžeme vidieť priebeh a porovnanie správania abnormálnych a normálnych vibrácií motora, ktoré môže značiť poruchu niektorého z komponentov alebo prvkov motora.

 Zdroj: Vlastné spracovanie

Obrázok 5. Priebeh a porovnanie abnormálnych a normálnych vibrácií v osiach x a y nameraných na motore

Analýza údajov týkajúcich sa vibrácií sa vykonáva pomocou monitorovacej jednotky motora (EMU – Engine Monitoring Unit) počas prevádzky motora na základe periodického časového cyklu 0,5s na zhromažďovanie a analýzu údajov [7,8,9]. Počas každého z týchto cyklov sa vytvoria súčasne dve sady vibračných vzoriek v časovej oblasti, jeden pre každý vibračný menič [8]. Tieto súbory vzoriek vibrácií zodpovedajú jednotlivým rýchlostným pásmam, ktoré sú charakterizované definovanými rýchlosťami a zmenami rýchlosti akcelerometrov vzhľadom na čas a sú základom funkcie sledovania vibrácií. Pomocou sledovacích parametrov a súvisiacich údajov sa v rámci systému monitorovania vibrácií môžu vykonávať nasledujúce úlohy:

• detekcia prítomnosti vibrácií s následnými indikáciami a upozorneniami
• analýza trendov vibrácií a,
• diagnostika vibrácií.

S ohľadom na tieto skutočnosti sa vibrácie vyhodnocujú priamo v kabíne pre včasnú identifikáciu situácií ako:

• nárast nevyváženosti dôvodu “bežného” zhoršenia a používania,
• namŕzanie kompresorových lopatiek a vytváranie ľadu v podmienkach námrazy,
• dotyk rotorových lopatiek plášťa motora,
• kmitanie konštrukcie lietadla,
• nadmerné nevyváženie kvôli prítomnosti cudzích objektov (FOD – foreign object debris), stret s vtákom, strata lopatky rotora, vniknutie cudzích predmetov do motora,
• nestabilita v dôsledku poruchy uvoľnených kĺbových spojov,
• nesúosovosť kvôli vnútorným skresleniam – rozbité ložiskové podpery / montážne väzby.

Spomenuté poruchy je potrebné riešiť bezprostredne po zistení zvýšených vibrácií motora. Zvýšenie úrovne vibrácií v určitom čase je napríklad dôsledkom vytvorenia nesymetrickej vrstvy ľadu v predných stupňoch nízkotlakového kompresora a následne vytvára vysokú úroveň nerovnováhy. Po vypustení vrstvy ľadu sa motor vráti do stabilného stavu a úroveň vibrácií motora sa vráti do normálnych hodnôt.

Významnou aplikáciou systému sledovania vibrácií je zistenie vyšších úrovní vibrácií v dôsledku priameho styku rotorových lopatiek a plášťa motora. Táto dočasná deformácia rotora vysokotlakovej časti môže spôsobiť veľmi vysoké amplitúdy vibrácií spôsobené budením rôznych primárnych režimov rotora. V dôsledku týchto vysokých úrovní vibrácií môže dôjsť k významnému poškodeniu obloženia a tesnení kompresora, čo spôsobí značné predčasné poškodenie motora. V prípade zvýšených vibrácií, ktoré svojou hodnotou nepresiahli kritickú hladinu, no predstavujú potenciálne nebezpečenstvo v dôsledku uvoľnenia jednotlivých väzieb, alebo v dôsledku rezonancie niektorých častí je možné sa využitím vhodnej analýzy dostať k údajom, ktoré pomôžu identifikovať príčiny vibrácií. Vibračné analýzy sú stále veľmi aktívnou oblasťou výskumu práve kvôli svojim diagnostickým a prognostickým potenciálom. 

3 Diskusia a záver

Článok opisuje súčasné známe tradičné, ako aj progresívne metódy monitorovania vibrácií konštrukčných celkov lietadla. Článok potvrdzuje skutočnosť, že vibrodiagnostika so svojimi diagnostickými a prognostickými vlastnosťami naďalej predstavuje účinný nástroj na sledovanie a hodnotenie technického stavu, ako konštrukčných celkov, mechanických sústav, tak aj rotačných prvkov, na základe ktorých tieto celky a sústavy plnia svoju funkciu. Autori vyzdvihli hlavné rozdiely jednotlivých veľmi podobných metód sledovania technického stavu. Charakterizovalo sa monitorovanie vibrácií v počiatočných fázach výroby lietadla, respektíve testovaniu vibrácií na zemi pred jeho certifikáciou a zavedením do prevádzky, ako aj monitorovanie mechanického kmitania jednotlivých častí, najmä motora počas letu. Článok predstavuje komplexný prehľad o dôležitosti monitorovania význačných parametrov, akými sú práve vibrácie. Okrem toho definuje limitácie jednotlivých metód spoľahlivo vibrácie zaznamenávať, analyzovať a na základe ich zberu za určité časové obdobie ich využívať ako indikátor pre predikciu nežiadúcich porúch, ktoré boli taktiež prezentované.  

Poďakovanie

Predložený článok je výstupom projektu Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky KEGA 040ŽU-4/2022 Transfer progresívnych metód vzdelávania do študijného programu “Technológia údržby lietadiel” a “Letecká doprava”.

4 Literatúra

1. BUGAJ, M. – PECHO, P. – JANOVEC, M. Failure rate analysis in aircraft maintenance procedures. In Zvyšovanie bezpečnosti a kvality v civilnom letectve. 2020.  Vol. 21, no. I/2020, s. 29-31. Dostupné na internete: https://doi.org/10.26552/zbk.Z.2020.1.5
2. International Air Transport Association. Airline Maintenance Cost Executime Commentary FY2020 Data. 2021. Dostupné na internete: https://www.iata.org/contentassets/bf8ca67c8bcd4358b3d004b0d6d0916f/fy2020-mctg-report_public.pdf
3. Saidin, S. S. – Kudus, S. A. – Jamadin, A. – Anuar, M. A. – Amin, N. M. – Ya, A. B. – Sugiura, K. Vibration-based approach for structural health monitoring of ultra-high-performance concrete bridge. In Case Studies in Construction Materials. 2022. Vol. 18, no. e01752 [cit. 2022- 08- 21].
4. RANDALL, R. B. Vibration-based condition monitoring: Industrial, Aerospace and Automotive Applications. 1 vyd. ISBN:9780470747858. 2010.
5. GÖGE, D. – BÖSWALD, M. – FÜLLEKRUG, U. – LUBRINA, P. Ground Vibration Testing of Large Aircraft – State-of-the-art and Future Perspectives. In IMAC XXV 2007. Orlando, Florida. Dostupné na internete: https://www.semanticscholar.org/paper/Ground-Vibration-Testing-of-Large-Aircraft-and-Göge-Böswald/285e14078d79b097143792554205f7225fef2f98
6. DESSENA, G. – IGNATYEV, D. I. – WHIDBORNE, J. F. – PONTILLO, A. – FRAGONARA, L. Z. Ground Vibration Testing of a Flexible Wing: A Benchmark and Case Study. In Aerospace. 2022, Vol. 9, no. 8. s. 438. Dostupné na internete: https://doi.org/10.3390/aerospace9080438
7. FURUTA, H. Structural Health Monitoring And Intelligent Vibration Control Of Cable-Supported Bridges: Research And Application. In KSCE Journal of Civil Engineering, 2003. Vol. 7, no. 6, s. 701-716.
8. BARRAGAN, J. M. Engine Vibration Monitorin And Diagnosis Based On On-Board Captured Data. In RTO A VTSymposiun on “Ageing Mechanisms and Control. 2001. Manchester: RTO-MP-079, Vol 1. s. 7-1 – 7-14.
9. LAW, L. C. Recent Advancements in Aircraft Engine Health Management (EHM) Technologies and Recommendations for the Next Step. In Proceedings of the ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea, and Air. Volume 1: Turbo Expo 2005. Reno, Nevada, USA. June 6–9, 2005. s. 683-695. ASME. Dostupné na internete: https://doi.org/10.1115/GT2005-68625

---

Autori:

Pavol PECHO ¹, Michal Hrúz ¹, Patrik VEĽKݹ, Frederik CHODELKA¹

Tituly a pôsobisko autorov:

¹Ing. Pavol Pecho, PhD., Žilinská Univerzita, Katedra leteckej dopravy, Univerzitná 8215/1 010 26, Žilina, Slovensko E-mail: pavol.pecho@fpedas.uniza.sk

¹Ing. Michal Hrúz, Žilinská Univerzita, Katedra leteckej dopravy, Univerzitná 8215/1 010 26, Žilina, Slovensko E-mail: michal.hruz@stud.uniza.sk

¹Ing. Patrik Veľký, Žilinská Univerzita, Katedra leteckej dopravy, Univerzitná 8215/1 010 26, Žilina, Slovensko E-mail: patrik.velky@stud.uniza.sk

¹Ing. Frederik Chodelka, Žilinská Univerzita, Katedra leteckej dopravy, Univerzitná 8215/1 010 26, Žilina, Slovensko E-mail: frederik.chodelka@stud.uniza.sk