Способ оценки состояния узлов трения, работающих в условиях смазки маслом, и устройство для его осуществления

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ СМАЗКИ МАСЛОМ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Маркова Любовь Васильевна Мышкин Николай Константинович Семенюк Михаил Саввич Коклеев Валерий ИвановичО Кван Квон Хосунг Конг Ей-Сунг Юн Хунг-Гу Хан(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ оценки состояния узлов трения, работающих в условиях смазки маслом, заключающийся в том, что масло от узла трения пропускают по каналу, на внутренней поверхности которого вызывают осаждение ферромагнитных частиц износа поверхностей трения путем воздействия на часть канала магнитным полем, характеризующимся высокой напряженностью и высоким градиентом в направлении, перпендикулярном направлению потока масла, Фиг. 1 5443 1 считывают показания измерительных оптических систем по меньшей мере в двух измерительных зонах канала, по которым вычисляют индексы износа для оценки состояния узла трения, снимают воздействие магнитным полем для создания возможности смывания осажденных ферромагнитных частиц износа потоком масла, отличающийся тем, что вызывают осаждение ферромагнитных частиц износа только в измерительных зонах, до воздействия магнитным полем по показаниям измерительных оптических систем определяют оптическую плотность пропускаемого масла в каждой измерительной зоне с последующим нахождением ее среднего значения, а для повышения достоверности оценки состояния узла трения по изменению найденного значения оптической плотности пропускаемого работавшего масла относительно чистого судят о его загрязненности. 2. Устройство для оценки состояния узлов трения, работающих в условиях смазки маслом, содержащее электромагнит с магнитопроводом, имеющим заполненные немагнитным материалом зазоры, канал для пропускания масла, причем часть канала расположена над магнитопроводом, по меньшей мере две измерительные оптические системы и процессор для считывания и обработки выходных сигналов измерительных оптических систем и управления ходом измерения, отличающееся тем, что грани магнитопровода,образующие зазоры, перпендикулярны потоку масла в канале, который в зонах расположения зазоров имеет участки, отражающие оптическое излучение, а оптические элементы измерительных оптических систем расположены с возможностью попадания отраженного оптического излучения в фотоприемную часть измерительных оптических систем, при этом магнитопровод выполнен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что материал магнитопровода обладает относительной магнитной проницаемостью выше 200000 и коэрцитивной силой менее 2 А/м.(56)4047814 , 1977.2082150 1, 1997.96115516 , 1998. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для непрерывного контроля состояния узлов трения на основе оценки изнашивания поверхностей трения и загрязненности смазочного материала. Узел трения в общем случае представляет собой совокупность трущихся деталей и смазочной среды. Контроль изнашивания трущихся деталей и работоспособности смазочного материала позволяет проводить своевременную оценку состояния узла трения в целом. Анализ эффективности использования смазочных материалов показывает, что отсутствие обоснованных предельных значений показателей состояния и сроков замены масла в трибосистемах приводит или к недоиспользованию потенциальных рабочих свойств масла,или наоборот, к использованию масла низкого качества, что снижает надежность и долговечность узлов трения. Поэтому одна из главных проблем эффективного расхода масла заключается в разработке достаточно надежных методов и средств оценки качества масел. Одним из важных показателей состояния масла является степень его загрязненности. Стандартным методом оценки работоспособности моторных масел по показателю загрязненности является фотометрический метод 1, в котором загрязненность определяет ся коэффициентом экстинкции , вычисляемым по формуле 2,303, где- степень разбавления масла растворителем,- расстояние между рабочими гранями кюветы,оптическая плотность масла. 2 5443 1 Указанному методу присущи следующие недостатки. Во-первых, недостаточная информативность о состоянии узлов трения механизма, так как анализируется только работоспособность смазочного материала без учета механизма изнашивания деталей трибосопряжений. Во-вторых, этот метод обладает повышенной трудоемкостью, так как предполагает, что периодически оператор отбирает пробу масла из системы смазки и доставляет ее к месту нахождения диагностического оборудования, и, соответственно, не позволяет проводить контроль механизма в реальном масштабе времени, который необходим в ряде ответственных и дорогостоящих механизмов. Последний недостаток устранен в известном устройстве для определения ухудшения качества моторного масла 2, встроенном в систему смазки и содержащем канал, по которому прокачивается масло от двигателя источник света, направляющий ИК-излучение на исследуемое масло фотоприемник оптического излучения, преобразующий прошедшее через масло ИК-излучение в выходной электрический сигнал процессор, который обрабатывает выходной сигнал фотоприемника и формирует сигнал, характеризующий степень ухудшения масла. Однако в указанном устройстве не преодолен первый из указанных выше недостатков низкая информативность о состояния узла трения, так как получают лишь данные о состоянии смазочного материала, не оценивая степень изнашивания поверхностей трения. Для контроля работы узлов трения широко используются методы, основанные на анализе параметров частиц износа, образованных в процессе изнашивания пар трения. Среди таких методов наибольшее распространение получили методы магнитного накопления,основанные на захвате и осаждении ферромагнитных частиц износа с помощью магнитного поля с последующим анализом параметров частиц, в частности их концентрации, распределения частиц по размерам. Известен магнитоэлектрический датчик 3, состоящий из магнита с двумя полюсными наконечниками, разделенными воздушным зазором, предназначенный для размещения в потоке жидкости с целью улавливания металлических частиц, переносимых этим потоком, и выработки предупреждающего сигнала при захвате определенного количества частиц износа. Указанному устройству присущи следующие недостатки. Во-первых, низкая информативность, так как используется только один параметр для оценки изнашивания пар трения концентрация частиц, и, во-вторых, низкая достоверность в силу того, что устройство позволяет контролировать только износ деталей, не давая информации о состоянии смазочного материала. Прототипом изобретения являются способ и устройство для выделения частиц вещества (известные как феррография и феррограф) 4, встроенное в систему смазки и позволяющее оценивать состояние узлов трения на основе анализа не только концентрации, но и распределения частиц износа по размерам. Способ оценки состояния узлов трения, работающих в условиях смазки маслом, состоит в том, что масло от узла трения пропускают по каналу, на внутренней поверхности которого вызывают осаждение ферромагнитных частиц износа поверхностей трения путем воздействия на часть канала магнитным полем,характеризующимся высокой напряженностью и высоким градиентом в направлении,перпендикулярном направлению потока масла, считывают показания измерительных оптических систем по меньшей мере в двух измерительных зонах канала, по которым вычисляют индексы износа для оценки состояния узла трения, снимают воздействие магнитным полем для создания возможности смывания осажденных ферромагнитных частиц износа потоком масла. Недостатки прототипа заключаются, во-первых, в недостаточной информативности анализа о состоянии узла трения, так как оценивается только режим изнашивания деталей трения, но не дается информация о работоспособности смазочного материала, во-вторых,недостаточная достоверность анализа режима изнашивания, так как частицы износа осаж 3 5443 1 даются на всей длине канала, находящегося в магнитном поле, а анализируются только частицы, осажденные в измерительных зонах, и, в-третьих, необходимость подвода оптического излучения к прозрачному каналу с маслом со стороны магнитопровода, что усложняет конструкцию магнитной системы, ухудшает параметры магнитного поля и увеличивает габаритные размеры магнитной системы, что является важным вопросом при разработке устройств, встроенных в систему смазки диагностируемого механизма. Задача заявляемого изобретения состоит в повышении достоверности оценки состояния узла трения путем введения дополнительного параметра, оценивающего работоспособность смазочного материала, в повышении достоверности заключения об изнашивании поверхностей трения, а также усовершенствовании конструкции устройства с целью уменьшения его размеров. Поставленная задача решается тем, что известный способ оценки состояния узлов трения, работающих в условиях смазки маслом, заключающийся в том, что масло от узла трения пропускают по каналу, на внутренней поверхности которого вызывают осаждение ферромагнитных частиц износа поверхностей трения путем воздействия на часть канала магнитным полем, характеризующимся высокой напряженностью и высоким градиентом в направлении, перпендикулярном направлению потока масла, считывают показания измерительных оптических систем по меньшей мере в двух измерительных зонах канала, по которым вычисляют индексы износа для оценки состояния узла трения, снимают воздействие магнитным полем для создания возможности смывания осажденных ферромагнитных частиц износа потоком масла, дополнен следующим сочетанием операций. Вызывают осаждение ферромагнитных частиц износа только в измерительных зонах канала и до воздействия магнитным полем по показаниям измерительных оптических систем определяют оптическую плотность пропускаемого масла в каждой измерительной зоне с последующим нахождением ее среднего значения, а для повышения достоверности оценки состояния узла трения по изменению найденного значения оптической плотности пропускаемого работавшего масла относительно чистого судят о его загрязненности. Введение дополнительного измеряемого параметра - показатель загрязненности масла, - характеризующего работоспособность смазочного материала, позволяет увеличить информативность способа, что в свою очередь повышает надежность оценки состояния узлов трения. Для осуществления этого способа в известное устройство, содержащее электромагнит с магнитопроводом, имеющим заполненные немагнитным материалом зазоры, канал для пропускания масла, причем часть канала расположена над магнитопроводом, по меньшей мере две измерительные оптические системы и процессор для считывания и обработки выходных сигналов измерительных оптических систем и управления ходом измерения,внесены следующие конструктивные изменения. Грани магнитопровода, образующие зазоры, перпендикулярны потоку масла в канале, который в зонах расположения зазоров имеет участки, отражающие оптическое излучение, а оптические элементы измерительных оптических систем расположены с возможностью попадания отраженного оптического излучения в фотоприемную часть измерительных оптических систем, при этом магнитопровод выполнен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Такое исполнение магнитопровода обеспечивает захват ферромагнитных частиц износа только в измерительных зонах (в первых зонах по направлению потока масла - более крупных, далее - более мелких), то есть при оценке индексов износа учитываются частицы всех размерных диапазонов в отличие от прототипа,в котором заполненный немагнитным материалом зазор образован параллельными потоку масла в канале гранями магнитопровода. То есть в прототипе частицы износа осаждаются по размерам на всем пути следования над магнитной системой, а анализируются лишь частицы тех размеров, которые находятся в измерительных зонах. Предлагаемая конструкция измерительных оптических систем позволяет уменьшить габариты устройства, что особенно актуально для устройств, встроенных в систему смазки, снимает проблему под 4 5443 1 вода оптического излучения к каналу с маслом со стороны магнитопровода, в частности необходимость расположения источников или приемников оптического излучения в сильном магнитном поле, изготовления специальных отверстий в магнитопроводе для их крепления или крепления оптических волокон, передающих излучение, что нарушает целостность магнитной системы, ухудшая ее характеристики. Магнитопровод электромагнита выполнен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью (максимальная относительная магнитная проницаемость выше 200 000) и малой коэрцитивной силой (менее 2 А/м), например из сплавов 79 НМ, 80 НХС, 81 НМА и др. Высокая магнитная проницаемость необходима для создания высокой напряженности и высокого градиента магнитного поля в зазорах магнитопровода, что обеспечивает эффективный захват и осаждение ферромагнитных частиц износа. Ограничение величины коэрцитивной силы обусловлено тем, что после выключения электромагнита магнитопровод практически не должен иметь остаточной намагниченности для эффективного удаления осажденных частиц из канала потоком масла. При этом после выключения электромагнита магнитопровод практически не имеет остаточной намагниченности, что обеспечивает необходимые условия для эффективного удаления накопленных частиц из канала потоком масла после проведения измерений. Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - схема устройства для осуществления предложенного способа,на фиг. 2 - конструкция устройства для оценки состояния узлов трения, в котором оптическая система представляет собой источник и приемник оптического излучения,на фиг. 3 - конструкция устройства для оценки состояния узлов трения, в котором оптическая система состоит из источника, приемника оптического излучения и оптических волокон. Пример реализации предложенного способа и устройства для оценки состояния двигателя внутреннего сгорания иллюстрирован следующими фигурами фиг. 4 - выходные сигналы первой и второй измерительной системы при анализе чистого масла,фиг. 5 - выходные сигналы первой и второй измерительной системы при анализе масла после 300 км пробега. Фиг. 6, 7 иллюстрируют использование предложенного способа и устройства для оценки состояния трансмиссии фиг. 6 - выходные сигналы первой и второй измерительной системы при анализе чистого масла,фиг. 7 - выходные сигналы первой и второй измерительной системы при анализе масла после 300 км пробега. Основные узлы устройства, реализующего способ оценки состояния узлов трения, показаны на фиг. 1, 2, 3. Устройство встроено в систему смазки и содержит корпус 6, установленный в него канал 1 с отражающими оптическое излучение участками, по которому пропускается масло от контролируемого механизма оптические измерительные системы 4, монтированные в корпусе и расположенные напротив отражающих участков канала таким образом, что отражающие участки и измерительные системы разделены маслом, протекающим по каналу установленный в корпус электромагнит 2 с магнитопроводом 3 с зазорами, над которым проходит канал с маслом и регулятор скорости потока 5. Измерительные оптические системы, электромагнит и регулятор скорости потока соединены с процессором. Участок канала, расположенный над электромагнитом, выполнен из оптически прозрачного материала или имеет отверстия, в которые монтируются элементы оптических измерительных систем, например оптические окна. Оптическая измерительная система может, в частности, состоять только из источника 4 а и приемника 4 б оптического излучения (фиг. 2) или включать в себя дополнительно оптические волокна 7 (фиг. 3), использование которых позволяет удалить источник и приемник излучения из зоны измере 5 5443 1 ний, устранив тем самым влияние температуры и магнитного поля, и разместить их в процессоре, что позволяет снизить электрические шумы. Кроме того, измерительная система может содержать линзовые системы (на фиг. не показаны) для уменьшения расходимости оптических пучков и уменьшения потерь при введении в оптические волокна. Информационные сигналы измерительных систем подаются на вход процессора, где они обрабатываются согласно приведенной ниже методике. С выхода процессора подаются управляющие напряжения на регулятор скорости потока и электромагнит. Считывание сигналов измерительных систем и подача управляющих напряжений осуществляется согласно заложенной в процессор программе. Устройство работает следующим образом. По каналу 1 непрерывно протекает масло из системы смазки. Через заданные интервалы времени 1 скорость потока масла для эффективного осаждения частиц уменьшается с помощью регулятора скорости потока 5 до 0,5-2 мл/мин (скорость определяется вязкостью масла) и проводится -тое измерение,то есть считываются сигналыс выходов измерительных систем 4, затем обрабатываются по следующей методике. В каждой -той измерительной системе определяют показатель загрязненности масла по изменению оптической плотности работавшего масла 1 относительно чистого по формуле, где 1 - значение выходного сигнала(0) первого измерения (1) в -той измерительной системе после очередной замены масла,то есть для чистого масла. 1 Находят среднее значение показателя загрязненности масла( - об 1 щее число измерительных систем) и сравнивают его с допустимым значением показателя загрязненности . Если, то выдается предупреждающий сигнал о необходимости замены масла. Затем включают электромагнит 2 и частицы износа осаждаются в измерительных зонах так, что крупные частицы накапливаются в первой (1), расположенной по направлению потока масла зоне, наиболее мелкие - в последней . В процессе накопления считывают показанияизмерительных систем 4 в течение времени 2. Длительность накопления (2) определяется минимальной концентрацией частиц износа в масле, которую необходимо зарегистрировать, и вязкостью масла. Сигналыуменьшаются по мере накопления частиц (увеличении времени накопления ) в измерительных зонах, так как увеличивается площадь, занимаемая осажденными частицами, то есть уменьшается площадь отражающих участков. Далее сигналымогут использоваться для вычисления индексов износа по известным методикам 5, 6. Например, можно оценить показатель концентрации частиц с размерами, соответствующими -той измерительной зоне , индекс скорости изнашиванияи индекс интенсивности изнашиванияпо формулам(0) /( 2 ) По значениям показателей и индексов каждого -того измерения можно судить о режиме изнашивания узла трения в данный момент времени, соответствующий -тому измерению. Индексы износа каждого -того измерения сравниваются с предельно допустимыми значениями , , при превышении которых выдается сигнал о необходимости остановки механизма и проведения технического обслуживания для предотвращения катастрофического износа. После окончания каждого -того измерения электромагнит выключают,регулятор скорости устанавливают на максимальное значение скорости потока масла и накопленные частицы износа вымываются из канала потоком масла. Затем весь процесс измерения повторяется. Приведем примеры реализации предложенных способа и устройства. 6 5443 1 Пример 1. Оценка состояния двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, работающего в условиях смазки маслом 10/30. Использовалось встроенное в систему смазки двигателя предложенное устройство с двумя измерительными системами (2) конструкции, приведенной на фиг. 3. Управление ходом измерения и обработка результатов осуществлялась с помощью процессора. Через каждые 115 мин скорость потока масла в канале автоматически уменьшалась до 1 мл/мин и проводилось очередное, -тое, соответствующее 300 км пробега транспортного средства, измерение согласно вышеизложенной методике. Считывались сигналы с выходов первой (1) и второй (2) измерительных систем до включения электромагнита (0), фиг. 5, (0)11,7 мВ и 2(0)11,8 мВ. Затем определяли показатели загрязненности масла по изменению оптической плотности работавшего масла относительно чистого в первой и второй измерительных системах 11 1211,276 ,21,268 , где 11221 мВ и 12219 мВ 1 (0)2 (0) значения выходного сигнала первого измерения (1, фиг. 4,) в 1-ой и 2-ой измерительной системе после очередной замены масла, то есть для чистого масла. Среднее значение 1 показателя загрязненности масла(12 )1,272 сравнивали с допустимым 2 значением показателя 1,5. В данном -том измерении, однако значения весьма близки, что свидетельствует о состоянии масла, близком к критическому, т.е. о необходимости его замены в ближайшее время. Затем включают электромагнит 2 и в процессе накопления считывают показанияизмерительных систем 1 и 2 в течение времени 210 мин (фиг. 5). После этого электромагнит выключался, регулятор скорости устанавливался на максимальное значение скорости потока масла и накопленные частицы износа вымывались из канала потоком масла. Оценивались показатели концентрации частиц с размерами, соответствующими первой (1) и второй (2) измерительной зоне, индекс скорости изнашиванияи индекс интенсивности изнашивания 1 / 2(12 )1,0911 (0) /1 ( 2 )1,1022 (0) /н 2 ( 2 )1,07(12 )0,03 . Затем индексы износа сравнивались с предельно допустимыми для двигателя значениями 2 и 1 . Видно, чтоинамного меньше своих допустимых значений,то есть процесс изнашивания поверхностей трения идет в нормальном, установившемся режиме. Пример 2. Оценка состояния трансмиссии транспортного средства, работающего в условиях смазки маслом 10/30. Использовалось встроенное в систему смазки трансмиссии предложенное устройство с двумя измерительными системами (2) конструкции, приведенной на фиг. 3. Через каждые 115 мин скорость потокамасла в канале уменьшалась до 1 мл/мин и проводилось измерение, то есть условия поведения измерений и масло аналогичны используемым в первом примере, отличие состоит в контролируемых объектах. Значения выходного сигнала первого измерения (1, фиг. 6) в 1-ой и 2-ой измерительной системе после очередной замены масла равны 11235 мВ и 12225 мВ. В данном примере сигналы того, соответствующего 300 км пробега транспортного средства, измерения с выходов измерительных систем до включения электромагнита (0, фиг. 7) равны 1(0)82 мВ и 281 мВ. Показатели загрязненности масла в первой и второй измерительных системах 7 11 120,457 ,20,444 . Среднее значение показателя загряз 1 (0)2 (0)(12 )0,45 . Допустимый уровень загрязнения 2 масла трансмиссии 1,3. В данном -том измерениинамного меньше своего допустимого значения, т.е. состояние масла удовлетворительное. Показанияизмерительных систем 1 и 2 после включения электромагнита в течение времени 210 мин представлены на фиг. 7. Показатели концентрации частиц с размерами, соответствующими первой (1) и второй (2) измерительной зоне, индекс скорости изнашиванияи индекс интенсивности изнашиванияв данном примере равны 11 (0) /1 ( 2 )1,841 / 2(12 )1,78 ненности масла равно Предельно допустимые индексы износа для трансмиссии составляют 4 и 1 . Видно, чтоименьше своих допустимых значений, то есть процесс изнашивания поверхностей трения идет в нормальном, установившемся режиме. Анализ представленных примеров показывает, что в двигателе более интенсивно, чем в трансмиссии, идет процесс загрязнения (окисления) масла, что объясняется более жестким температурным режимом работы. В трансмиссии же более интенсивно идет процесс изнашивания поверхностей трения, что обусловлено большими нагрузками на контактных площадках поверхностей трения. Однако согласно регламенту на данное транспортное средство устанавливается срок замены масла и техобслуживания, не учитывая особенности работы узлов трения, и проводится каждые 1200 км пробега. Из примера 1 видно, что масло потеряет свои рабочие свойства до установленного срока его замены, что повлечет за собой нарушение нормального режима трения в двигателе. Источники информации 1. ГОСТ 24943-81. Масла моторные. Фотометрический метод оценки загрязненности работавших масел. 2. Патент США 5049742, МПК 01 21/35, 1991. 3. Патент Франции 2686693, МПК 501 3/08, 1993. 4. Патент США 4047814, МПК 01 001/00,01 033/28, 1977. 5.,В.Т.//, , , 21-23 , 1986. - . 85-104. 6., -.- //. - . 153, 1992. - . 323330. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10