Анализ выхода из строя компонентов поршневого авиационного двигателя
Данная информация основана на эксплуатации двигателей Continental и Lycoming.
Чтобы правильно применять принципы технического обслуживания, ориентированного на надёжность (RCM), при обслуживании наших поршневых авиационных двигателей, нам необходимо проанализировать виды и последствия отказов каждой основной детали этих двигателей.
В этой статье мы рассмотрим важнейшие компоненты этих двигателей, причины их выхода из строя, последствия таких поломок для работы двигателя и безопасности полёта, а также меры технического обслуживания, которые помогут эффективно и с минимальными затратами устранять такие поломки.
Коленчатый вал
Трудно представить себе более серьёзную поломку поршневого двигателя, чем выход из строя коленчатого вала. Если он выходит из строя, двигатель перестаёт работать. Однако коленчатые валы редко заменяют при капитальном ремонте. Компания Lycoming утверждает, что их коленчатые валы часто служат более 14 000 часов и 50 лет! Continental не публиковали подобных данных, но коленчатые валы Continental, вероятно, имеют такой же срок службы.
Коленчатые валы выходят из строя по трём причинам: 1) из-за некачественного материала или изготовления, 2) из-за ударов пропеллером, о которых не сообщалось, и 3) из-за масляного голодания и/или поломки подшипников.
В последние годы мы наблюдаем всплеск отказов коленчатых валов, приводящих к "детской смертности" (ранний выход из строя нового двигателя или двигателя после капремонта). Компании Continental и Lycoming отозвали большое количество коленчатых валов, которые были либо изготовлены из некачественной стали, либо физически повреждены в процессе производства. Эти отказы неизменно происходили в течение первых 200 часов после ввода в эксплуатацию нового коленчатого вала. Если коленчатый вал выдерживает первые 200 часов работы, мы можем быть уверены, что он был изготовлен правильно и должен надёжно работать в течение многих межсервисных интервалов.
Похоже, что случаи столкновения с винтом, о которых не сообщается, становятся всё более редкими, поскольку владельцы и механики начинают лучше понимать, насколько высок риск эксплуатации двигателя после столкновения с винтом. И Continental, и Lycoming утверждают, что любой инцидент, в результате которого винт повреждается настолько, что его приходится снимать для ремонта, является основанием для разборки двигателя. Это относится даже к повреждениям винта, которые происходят, когда двигатель не работает.
Таким образом, мы имеем дело с неисправностями, вызванными недостатком масла и/или выходом из строя подшипников. Мы поговорим об этом, когда будем рассматривать масляные насосы и подшипники.
Картер двигателя
Картеры также редко заменяют при капитальном ремонте, и они часто служат верой и правдой в течение многих межремонтных сроков. Если картер эксплуатируется достаточно долго, он в конце концов трескается. Хорошая новость заключается в том, что трещины в картере распространяются медленно, поэтому для их обнаружения до того, как они станут угрозой безопасности, достаточно тщательного ежегодного визуального осмотра. Отказы двигателя из-за трещин в картере случаются крайне редко.
Распределительный вал и толкатели
Место соединения кулачка распредвала и толкателя подвергается большему давлению и трению, чем любые другие движущиеся части двигателя. Чтобы функционировать и выдерживать нагрузки, кулачки и толкатели должны быть прочными и гладкими. Даже крошечные коррозионные язвы (возникающие из-за простоя или накопления кислоты в масле) могут привести к быстрому разрушению (отслаиванию) кулачков и толкателей и необходимости преждевременного демонтажа. Это основная причина, по которой двигатели не проходят плановый техосмотр. Эта проблема в основном затрагивает самолёты, которыми управляют владельцы, поскольку они, как правило, летают нерегулярно и могут простаивать неделями.
Проблемы с распределительным валом и толкателями редко приводят к катастрофическим поломкам двигателя. Двигатель будет продолжать работать даже при сильном повреждении кулачков распределительного вала, когда они теряют много металла, хотя мощность и будет немного снижена. Как правило, проблема обнаруживается, когда вскрывают масляный фильтр и видят, что он забит металлом.
Если масляный фильтр не вскрывать и не проверять регулярно, неисправность распределительного вала и толкателей может остаться незамеченной до тех пор, пока частицы железа не попадут в масляную систему и не загрязнят подшипники двигателя. В редких случаях это может привести к катастрофическому отказу двигателя. Регулярная проверка масляного фильтра и анализ масла помогут предотвратить такие поломки.
При регулярном использовании двигателя распределительный вал и толкатели могут оставаться в идеальном состоянии в течение тысяч часов. Некоторые ремонтные мастерские при капитальном ремонте двигателя заменяют распределительный вал и толкатели на новые, но в других мастерских используют восстановленные распределительные валы и толкатели, и большинство опытных специалистов по двигателям сходятся во мнении, что правильно восстановленные распределительные валы и толкатели так же надёжны, как и новые.
Шестерни
В двигателе много шестерён: шестерни коленчатого и распределительного валов, шестерни привода масляного и топливного насосов, шестерни привода магнето и вспомогательных устройств, шестерни привода регулятора оборотов и иногда шестерни привода генератора. Эти шестерни обычно имеют очень долгий срок службы и не заменяются при капитальном ремонте, если только не обнаружены явные повреждения. Шестерни редко становятся причиной серьёзных поломок двигателя.
Масляный насос
Неисправность масляного насоса иногда приводит к катастрофическим поломкам двигателя. Если давление масла падает, двигатель довольно быстро выходит из строя. Масляный насос очень прост: он состоит из двух шестерёнок в корпусе с жёсткими допусками и обычно не доставляет проблем. Если всё же возникают неполадки, то задолго до полной поломки насос начинает издавать металлический звук. Регулярная проверка масляного фильтра и анализ масла обычно позволяют выявить проблемы с масляным насосом задолго до его полной поломки.
Вкладыши
Выход из строя вкладышей является причиной значительного числа катастрофических поломок двигателей. При нормальных условиях вкладыши имеют очень долгий срок службы. Их всегда заменяют при капитальном ремонте, но зачастую вкладыши, снятые при капитальном ремонте, находятся в отличном (иногда даже в первозданном) состоянии и имеют незначительный износ. Вкладыши выходят из строя раньше срока по трём причинам: (1) они загрязняются металлом в результате какой-либо другой поломки; (2) они испытывают масляное голодание при потере давления масла; или (3) они испытывают масляное голодание из-за смещения вкладышей в седлах картера до такой степени, что отверстия для подачи масла в подшипниках оказываются смещёнными («провернутый вкладыш»).
Загрязнения можно предотвратить, если использовать полнопоточный бумажный масляный фильтр и регулярно проверять его на наличие металлических частиц. Если фильтр заменить до того, как он потеряет свою фильтрующую способность, частицы изнашиваемых металлов будут задерживаться фильтром и не будут загрязнять подшипники. Если в фильтре обнаружено значительное количество металлических частиц, воздушное судно следует поставить на стоянку до тех пор, пока не будет найден и устранён источник загрязнения.
Сбои в работе из-за нехватки масла случаются довольно редко. Пилоты, как правило, хорошо обучены реагировать на падение давления масла снижением мощности и посадкой при первой возможности. Подшипники продолжают исправно работать даже при довольно низком давлении масла (например, 10 psi).
Износ вкладышей обычно приводит к поломкам, которые случаются либо вскоре после капитального ремонта двигателя (ошибка при сборке), либо вскоре после замены цилиндра. Поломки также могут возникать после длительного воздействия вибраций на картер (что можно определить при осмотре масляного фильтра и анализе масла) или после запуска двигателя в сильный мороз без надлежащего предварительного прогрева. Как правило, это случайные поломки, не связанные с количеством часов или лет, прошедших с момента капитального ремонта.
Шатуны
Выход из строя шатуна является причиной значительного числа катастрофических отказов двигателя. При выходе шатуна из строя во время полёта он часто пробивает отверстие в картере, что приводит к утечке моторного масла и последующему масляному голоданию. Также известно, что выход шатуна из строя может привести к поломке распределительного вала. В результате неизменно происходит быстрая потеря мощности двигателя.
Шатуны обычно имеют очень долгий срок службы и обычно не заменяются при капитальном ремонте. (Шатунные вкладыши, как и все вкладыши, всегда заменяются при капитальном ремонте.) Некоторые поломки шатунов являются следствием недостаточного крутящего момента при затягивании болтов крышки шатуна. Поломки шатунов также могут быть вызваны выходом из строя шатунных вкладышей, и обычно это происходит случайным образом и не связано со временем, прошедшим с момента капитального ремонта.
Поршни и кольца
Повреждения поршней и колец могут привести к катастрофическим поломкам двигателя, которые обычно сопровождаются частичной потерей мощности, но иногда и полной. Повреждения поршней и колец бывают двух типов: (1) повреждения, приводящие к «младенческой смертности» из-за некачественного изготовления или установки; (2) повреждения из-за перегрева, вызванные преждевременным воспламенением или разрушительной детонацией. Повреждения из-за перегрева могут быть вызваны загрязнением топлива или неправильной эксплуатацией двигателя, но, как правило, они не связаны с количеством часов или лет, прошедших с момента капитального ремонта. Использование цифрового монитора двигателя обычно позволяет обнаружить преждевременное воспламенение или разрушительную детонацию и принять меры до того, как двигатель выйдет из строя из-за перегрева.
Цилиндры
Поломка цилиндра может привести к катастрофическому отказу двигателя, обычно сопровождающемуся частичной потерей мощности, но иногда и полной. Цилиндр состоит из кованого стального корпуса, соединенного с головкой из алюминиевого сплава. Корпуса цилиндров обычно изнашиваются медленно, и чрезмерный износ выявляется при ежегодном осмотре с помощью проверки компрессии и бороскопического исследования. Однако головки цилиндров могут подвергаться усталостным разрушениям, и иногда головка может отделиться от корпуса, что приведет к катастрофическому отказу двигателя. Поломка головки цилиндра может быть связана с производственным браком (из-за некачественного изготовления) или с возрастом. Поломки, связанные с износом, случаются редко, если только цилиндр не эксплуатируется более двух-трёх сроков технического обслуживания. В настоящее время при капитальном ремонте чаще всего устанавливаются новые цилиндры, поэтому поломки цилиндров, связанные с износом, стали довольно редким явлением.
Клапаны и направляющие для клапанов
Довольно часто проблемы с клапанами и направляющими (особенно выпускными) возникают задолго до окончания срока службы. Проблемы с клапанами обычно можно выявить до того, как они выйдут из строя, с помощью проверки компрессии, осмотра с помощью бороскопа и наблюдения с помощью цифрового монитора двигателя (при условии, что пилот умеет интерпретировать данные монитора двигателя). Если клапан полностью выходит из строя, это может привести к значительной потере мощности.
Коромысла и толкатели
Коромысла и толкатели (которые приводят в действие клапаны) обычно имеют очень долгий срок службы и не подлежат замене при капитальном ремонте. (Втулки коромысел всегда заменяются при капитальном ремонте). Поломка коромысел происходит довольно редко. Поломка толкателей происходит из-за заклинивания клапанов, и её почти всегда можно избежать с помощью периодической проверки клапанов и использования цифрового монитора двигателя, как обсуждалось ранее.
Магнето
Поломка магнето — досадная, но распространённая проблема. К счастью, авиационные двигатели оснащены двумя магнето для обеспечения резервирования, и вероятность одновременной поломки обоих магнето крайне мала. Проверка магнето во время предполетной подготовки может выявить серьёзные неисправности магнето, но проверка магнето в полёте гораздо лучше подходит для выявления незначительных или зарождающихся неисправностей. Цифровые мониторы двигателя могут надёжно определять неисправности магнето в режиме реального времени, если пилот знает, как интерпретировать данные. Каждые 500 часов работы магнето необходимо разбирать, проверять и обслуживать. Это значительно снижает вероятность выхода магнето из строя во время полёта.
Итог
«Низкоуровневые» компоненты этих двигателей — картер, коленчатый вал, распределительный вал, подшипники, шестерни, масляный насос и т. д. — очень надёжны. Как правило, срок их службы во много раз превышает рекомендованный межсервисный интервал. Большинство этих компонентов (за исключением подшипников) используются повторно при капитальном ремонте и не заменяются на регулярной основе.
Если эти детали выходят из строя раньше срока, то в основном это происходит вскоре после изготовления, ремонта или восстановления двигателя, либо это случайные поломки, не связанные с количеством часов или лет, прошедших с момента ремонта. Подавляющее большинство случайных поломок можно обнаружить задолго до того, как они приведут к катастрофическому отказу двигателя, просто проведя регулярную проверку масляного фильтра и лабораторный анализ масла. По-видимому, нет никаких доказательств того, что эти базовые компоненты имеют чётко определённую зону ускоренного износа, которая оправдывала бы проведение капитального ремонта или замену через фиксированные промежутки времени.
«Верхние» компоненты — поршни, цилиндры, клапаны и т. д. — значительно менее надёжны. («Верхняя часть» поршневого двигателя аналогична «горячей части» турбинного двигателя.) Нередко «верхние» компоненты выходят из строя до истечения срока службы. Однако большинство таких поломок можно предотвратить с помощью регулярных проверок (компрессия, бороскоп и т. д.) и использования цифровых мониторов двигателя (пилотами, которые умеют интерпретировать данные). Кроме того, при обнаружении потенциальных неисправностей основные компоненты можно легко отремонтировать или заменить без необходимости разбирать двигатель. Опять же, в основном это неисправности, связанные с «младенческой смертностью», или случайные неисправности, не связанные со временем, прошедшим с момента капитального ремонта.
Суть в том, что детальный анализ отказов поршневых авиационных двигателей, проведённый с использованием принципов RCM, убедительно доказывает, что то, что авиакомпании и военные выяснили в отношении турбинных авиационных двигателей, справедливо и для поршневых авиационных двигателей: Традиционная практика планового ремонта или замены через определённые промежутки времени неэффективна. Можно ожидать, что добросовестно выполняемая программа технического обслуживания по фактическому состоянию, включающая регулярную проверку масляных фильтров, анализ масла, проверку компрессии, осмотр с помощью бороскопа и использование бортового цифрового монитора двигателя, повысит надёжность и значительно сократит расходы на техническое обслуживание и время простоя.
Магнето — исключение. Они действительно нуждаются в плановом техническом обслуживании каждые 500 часов, потому что у нас нет эффективных способов выявления потенциальных неисправностей без их демонтажа.
