Способ диагностики технического состояния узлов трения из ферромагнитных материалов и устройство для его осуществления

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН 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 Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(57) 1. Способ диагностики технического состояния узлов трения из ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что пропускают пучок оптического излучения через работавшее масло и измеряют его оптическую плотность, а также оптическую плотность работавшего масла при воздействии на него магнитным полем, вычисляют их разность 2, характеризующую содержание ферромагнитных частиц износа в работавшем масле, по величине которой судят об интенсивности изнашивания узлов трения, отличающийся тем, что на работавшее масло воздействуют неоднородным постоянным или переменным с частотой выше 30 Гц магнитным полем, вектор напряженности которого параллелен оптической оси пучка излучения и имеет радиальный градиент напряженности в плоскости, перпендикулярной оптической оси пучка излучения, а градиент напряженности направлен от оси пучка излучения к периферии, при этом также измеряют оптическую плотность работавшего масла после снятия воздействия магнитным полем, вычисляют разность оптических плотностей работавшего масла при воздействии на него магнитным полем и после его снятия 3, определяют показатель доли крупных ферромагнитных частиц износапо формуле 4930 1(1- 3/2),по величине которого судят о нарушении режима трения узлов трения. 2. Устройство для диагностики технического состояния узлов трения из ферромагнитных материалов, содержащее канал для пропускания работавшего масла, источник и фотоприемник оптического излучения, оптическую систему, формирующую пучок оптического излучения, проходящего через работавшее масло, оптическую систему для фокусировки излучения на чувствительную площадку фотоприемника и процессор, отличающееся тем, что включает по меньшей мере один электромагнит постоянного или переменного с частотой выше 30 Гц тока, установленный таким образом, что вектор напряженности магнитного поля параллелен оптической оси пучка излучения, проходящего через работавшее масло в канале, расположенном во внутренней полости электромагнита, и имеет радиальный градиент напряженности в плоскости, перпендикулярной оптической оси пучка излучения, а градиент напряженности направлен от оси пучка излучения к периферии, при этом отношение внутреннего диаметра электромагнита к его высоте равно 0,150,5.(56)1323863 1, 1987.5049742 , 1991.4570069 , 1986.983511 , 1982.1714455 1, 1992.905728 , 1982. Изобретение относится к области диагностики технического состояния узлов трения машин и механизмов, работающих в условиях жидкой смазки, и может быть использовано в автомобильном транспорте, авиации, на промышленных предприятиях для непрерывного контроля работоспособности сложных дорогостоящих систем. Информация об износе узлов трения, получаемая в ходе работы механизма, позволяет своевременно проводить замену изношенных деталей, предотвращать катастрофический износ дорогостоящего оборудования, аварийные ситуации. Для оценки износа трущихся сопряжений широко используется анализ частиц износа, в частности их концентрации. Известен способ оценки износа трущихся сопряжений в присутствии смазочных или иных материалов 1, заключающийся в том, что через определенные промежутки времени отбирают пробу смазочного или иного материала, в котором эксплуатируется исследуемое сопряжение, фотометрируют ее в ближней ИК-области спектра в диапазоне длин волн от 0,8 до 1,0 мкм и определяют содержание механических примесей. Сравнивают полученное значение механических примесей с предельным и судят о величине износа диагностируемой пары трения. Однако механические примеси в общем случае включают как механические частицы,попадающие из окружающей среды, так и частицы износа деталей трибосопряжения. То есть заключение о состоянии трущихся узлов является недостоверным. Прототипом изобретения является способ, реализованный в анализаторе жидкостей 2. Анализатор жидкостей по разности между оптическими плотностями масла при наличии магнитного поля, созданного четырьмя электромагнитами, расположенными диаметрально, причем одна пара установлена с образованием разноименных постоянных полюсов магнита, а другая - разноименных переменных, и без него позволяет определить содержание ферромагнитных частиц износа. Недостатки прототипа заключаются, во-первых, в том, что он чувствителен лишь к крупным ферромагнитным частицам (частицам размером более 0,5 мм), во-вторых, не по 2 4930 1 зволяет оценивать изменение размера ферромагнитных частиц износа в ходе работы пар трения, что является важным показателем процесса изнашивания механизма. Известно устройство, встроенное в систему смазки, для диагностики состояния узлов трения 3, содержащее трубку малого диаметра для непрерывного пропускания масла от двигателя. Трубка имеет прозрачную для ИК-излучения контрольную часть, которая заключена в непрозрачный корпус, содержащий источник оптического излучения и фотоприемник. ИК-излучение от оптического источника проходит через прозрачную часть трубки, содержащую контролируемое масло, и падает на фотоприемник, выходной электрический сигнал которого характеризует уровень загрязнения масла. Специальное устройство сравнивает величину электрического сигнала с определенным пороговым сигналом, соответствующим максимально допустимому уровню загрязнения. Недостатком устройства является низкая информативность диагностики состояния трибосистемы, в частности, двигателя. Осуществляется контроль общей загрязненности масла без оценки содержания и фракционного состава частиц износа узла трения. Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является устройство, встроенное в систему смазки 4, принятое за прототип устройства. Известное устройство содержит канал для пропускания работавшего масла, источник и фотоприемник оптического излучения, оптическую систему, формирующую пучок оптического излучения, проходящего через работавшее масло, оптическую систему для фокусировки излучения на чувствительную площадку фотоприемника и процессор, который обрабатывает выходной сигнал фотоприемника и формирует сигнал, характеризующий техническое состояние узла трения. Недостатком устройства является низкая информативность о состоянии узла трения,так как определяется общая загрязненность смазочной жидкости без информации о частицах износа деталей узлов трения, в частности их дисперсности. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении чувствительности к мелким ферромагнитным частицам, размер которых равен или более 0,001 мм, и введении дополнительного параметра, оценивающего изменение фракционного состава частиц износа, что значительно повышает достоверность заключения о техническом состоянии механизма. Поставленная задача достигается тем, что известный способ, реализованный в анализаторе жидкости, заключающийся в том, что пропускают пучок оптического излучения через работавшее масло и измеряют его оптическую плотность, а также оптическую плотность работавшего масла при воздействии на него магнитным полем, вычисляют их разность 2, характеризующую содержание ферромагнитных частиц износа в работавшем масле, по величине которой судят об интенсивности изнашивания узлов трения, изменен в части условий воздействия магнитным полем и дополнен введением новой операции. Изменение условий воздействия магнитным полем на смазочную жидкость заключается в том, что на работавшее масло воздействуют неоднородным постоянным или переменным с частотой выше 30 Гц магнитным полем, вектор напряженности которого параллелен оптической оси пучка излучения и имеет радиальный градиент напряженности в плоскости,перпендикулярной оптической оси пучка излучения, а градиент напряженности направлен от оси пучка излучения к периферии, при этом также измеряют оптическую плотность работавшего масла после снятия воздействия магнитным полем, вычисляют разность оптических плотностей работавшего масла при воздействии на него магнитным полем и после его снятия 3 определяют показатель доли крупных ферромагнитных частиц износапо формуле(1-3/2),по величине которого судят о нарушении режима трения узлов трения. В таком магнитном поле ферромагнитные частицы износа, присутствующие в смазочном материале, образуют цепочки, ориентированные вдоль напряженности магнитного 3 4930 1 поля 5, 6, 7. Фиг. 1 поясняет поведение ферромагнитных частиц износа при воздействии на них магнитным полем специальной конфигурации. Градиент напряженности в направлении, перпендикулярном оптической оси 1, обусловливает наличие силы , стремящейся удалить цепочки частиц 3 из фотометрируемой области 2 к периферии. Величина этой силы пропорциональна количеству частицсредним радиусом а в цепочкеа 3 Н,где Н - напряженность магнитного поля, Н - градиент напряженности вдоль координаты , перпендикулярной оптической оси. Т.е. сила, с которой магнитное поле вытягивает цепочку частиц враз больше, чем отдельную частицу. Т.о. при наложении магнитного поля указанной конфигурации не только крупные 4, но и мелкие ферромагнитные частицы удаляются из фотометрируемой области. Под мелкими понимаются ферромагнитные частицы, размер которых такой, что за время нахождения частиц в контролируемом объеме до момента включения магнитного поля они не успевают осесть на стенки канала. Размер мелких частиц может быть оценен из равенства силы, под действием которой частица оседает, и гидродинамической силы сопротивления, которую оказывает поток жидкости на частицу( чм )33 ч, , где ч, м - плотность ферромагнитных частиц и исч 6 следуемого масла, соответственно ч - диаметр частиц- динамическая вязкость масла-расстояние от частицы до стенки- время нахождения частиц в контролируемом объеме до момента включения магнитного поля- ускорение свободного падения. 1 18. Например, для моторного масла М-20-В 2, принимая 1 мм,Т.е.ч( чм )10 с, мелкими (взвешенными) могут считаться частицы размером менее 30 мкм. После снятия магнитного поля цепочки частиц, представляющие собой магнитные диполи, в первый момент времени отталкиваются друг от друга, равномерно распределяясь в объеме (фиг. 2 показывает поведение цепочек ферромагнитных частиц в первый момент после снятия воздействия магнитного поля), затем распадаются (фиг. 3 иллюстрирует разориентацию и расщепление цепочек частиц в отсутствии магнитного поля), что ведет к увеличению оптической плотности масла в исследуемой области. Новая введенная операция заключается в измерении оптической плотности масла после снятия воздействия на нее магнитного поля и определении показателя доли крупных ферромагнитных частиц износа по формуле(1-3/2), где 2 - изменение оптической плотности масла при включении источника магнитного поля относительно оптической плотности работавшего масла, 3 - разность оптических плотностей масла при наложении магнитного поля и после его снятия и оценке режима изнашивания узла трения по величине показателя. Для осуществления этого способа в известное устройств, содержащее канал для пропускания работавшего масла, источник и фотоприемник оптического излучения, оптическую систему, формирующую пучок оптического излучения, проходящего через работавшее масло, оптическую систему для фокусировки излучения на чувствительную площадку фотоприемника и процессор внесены следующие конструктивные изменения. Устройство включает по меньшей мере один электромагнит постоянного или переменного с частотой 30 Гц тока, установленный таким образом, что вектор наряженности магнитного поля параллелен оптической оси пучка излучения, проходящего через работавшее масло в канале,расположенном во внутренней полости электромагнита, и имеет радиальный градиент напряженности в плоскости, перпендикулярной оптической оси пучка излучения, а градиент напряженности направлен от оси пучка излучения к периферии, при этом отношение внутреннего диаметра электромагнита к его высоте равно 0,150,5. Частота тока электромагнита определяется подвижностью ферромагнитных частиц в масле, которая определя 4 4930 1 ется в основном размером частиц и вязкостью масла. Т.е. допускается использование переменного магнитного поля, частота которого выше частоты, с которой частицы успевают перемещаться, следуя за изменением напряженности поля. Кроме того, отношение внутреннего диаметра электромагнитов к высоте равно 0,150,5, которое обеспечивает достаточную параллельность силовых линий внутри электромагнита при необходимом градиенте напряженности в радиальном направлении. При соотношении внутреннего диаметра к высоте электромагнита большем 0,5 силовые линии внутри электромагнита значительно искривляются, что нарушает условие создания длинных цепочек ферромагнитных частиц. При соотношении диаметра к высоте меньшем 0,15 уменьшается градиент магнитного поля, необходимый для удаления цепочек из области фотометрирования. В этом случае снижается чувствительность устройства, так как изменение сигнала будет обусловлено лишь формированием цепочек, ориентированных вдоль оптической оси. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Через канал, встроенный в систему смазки, пропускается масло. В ходе работы машины через заданные интервалы времени выполняется следующая последовательность измерений. Определяется оптическая плотность работавшего масла 1. Затем на фотометрируемый объем жидкости накладывается неоднородное магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен оптической оси и имеет радиальный градиент напряженности в плоскости, перпендикулярной оптической оси, причем градиент направлен от оптической оси к периферии. При наложении магнитного поля указанной конфигурации ферромагнитные частицы удаляются из фотометрируемой области и измеряется оптическая плотность масла 2. По изменению оптической плотности работавшего масла при наложении магнитного поля 21-2 оценивают содержание ферромагнитных частиц в масле. При превышении заданных для конкретной машины пороговых уровней определяется вид изнашивания механизмов или выдается предупреждающее сообщение об интенсивном изнашивании и необходимости остановки машины. После снятия магнитного поля измеряют оптическую плотность масла 3. Определяют разность оптических плотностей при наложении магнитного поля и после его снятия 33-2 и оценивают показатель доли крупных частиц по формуле(1-3/2). Увеличение содержания в масле крупных частиц, увеличение показателя , свидетельствует о нарушении режима трения. Учет показателянаряду с показателем 2 позволяет увеличить достоверность оценки состояния машины. На фиг. 4 приведена схема устройства, реализующего способ диагностики состояния смазанных узлов трения. На фиг. 5 представлена конструкция устройства, в котором источник магнитного поля выполнен как один электромагнит, а оптическая система представляет собой совокупность линз и оптических волокон. На фиг. 6 приведена конструкция устройства, в котором источник магнитного поля выполнен как совокупность электромагнитов, а оптическая система представляет собой оптические волокна. Основные узлы устройства, реализующего способ диагностики износа узлов трения,показаны на фиг. 4. Устройство, встроенное в систему смазки, содержит канал 6, по которому пропускается масло монтированную в канал оптическую систему 2, формирующую пучок оптических лучей, проходящих через объем тестируемого масла, и оптическую систему 3 для фокусировки излучения на чувствительную площадку фотоприемника 4 оптически связанный с оптической системой источник оптического излучения 1 впускной клапан 7. Канал 6 с тестируемым маслом проходит во внутренней полости источника магнитного поля специальной конфигурации 5, в частности, электромагнита (фиг. 5) или системы электромагнитов (фиг. 6), вектор напряженности которых во внутренней полости 5 4930 1 совпадает с оптической осью, и с отношением внутренних диаметров к высоте равным 0,150,5. Ток электромагнита постоянный или переменный с частотой более 30 Гц. Клапан 7 служит для перекрытия циркуляции масла в канале в момент снятия показаний. Формирование и обработка сигналов и управление процессом измерения осуществляется процессором. Устройство работает следующим образом. По каналу 6 циркулирует масло. В ходе работы машины через заданные интервалы времени Т 1 клапан 7 закрывается, и измеряется оптическая плотность работавшего масла 1. Затем включается источник магнитного поля специальной конфигурации 5, напряженность которого наводит на ферромагнитных частицах износа магнитные моменты, параллельные напряженности поля. Под действием магнитного поля ферромагнитные частицы образуют цепочки и удаляются из области фотометрирования за счет градиента напряженности, обусловливающего наличие силы,смещающей цепочки из фотометрируемой области к периферии. Измеряется оптическая плотность масла в этой области 2. Источник магнитного поля 5 выключается. Цепочки мелких частиц (взвешенных частиц, не превышающих определенного размера, зависящего от вязкости масла) распадаются, равномерно распределяясь в объеме масла, крупные частицы остаются на периферии (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Через время выдержки Т 2 после выключения магнитного поля (время, достаточное для распада цепочек мелких частиц) измеряют оптическую плотность жидкости 3. Изменение оптической плотности масла в фотометрируемой области при включении источника магнитного поля относительно оптической плотности работавшего масла 21-2 характеризует содержание ферромагнитных частиц износа в масле. При превышении заданного для конкретной машины порогового уровня 2 выдается предупреждающее сообщение об интенсивном изнашивании и необходимости остановки машины. По разности оптических плотностей при наложении магнитного поля и после его снятия (3) 33-2 оценивают показатель доли крупных частиц по формуле-(1-3/2,). Увеличение содержания в масле крупных частиц свидетельствует о нарушении режима трения. Учет показателянаряду с показателем 2 позволяет увеличить достоверность оценки состояния машины. Пример реализации предложенных способа и устройства для оценки состояния компрессорной установки. Устройство конструкции, приведенной на фиг. 5, подсоединяли с помощью соединительных шлангов к трубопроводу системы смазки компрессорной установки. В качестве источника оптического излучения использовался ИК-диод с длиной волны излучения 0,95 мкм. Электронный блок устройства подключался через АЦП (-, 21-) к компьютеру М /. Считывание сигнала, его обработка и управление процессом измерения осуществлялось автоматически с помощью специально разработанного программного обеспечения. Каждые 120 мин проводились следующие операции. Открывался впускной клапан и в течение 2 мин масло пропускалось по измерительному каналу для циркуляции масла и полного вытеснения предыдущей порции масла из измерительного канала. Измерялась оптическая плотность работавшего масла 1. Включался электромагнит, пропускалсяпеременный ток 2,5 А частотой 50 Гц, и измерялась оптическая плотность 2. Вычислялся показатель содержания ферромагнитных частиц 21-2 и сравнивался с критическим уровнем, равным 0,8. Выключался электромагнит и после временной выдержки, равной 21 мин, измерялась оптическая плотность масла 3 и вычислялся показатель содержания крупных 6 4930 1 частиц по формуле(-3/2). Показатель сравнивался с критическим уровнем, равным 0,25. Результаты измерений, выполненных в течение восьмидесяти пяти дней, приведены на фиг. 7, фиг. 8. Работа компрессорной установки шла в нормальном режиме до момента времени Т 80 дней, затем стал увеличиваться показатель содержания ферромагнитных частиц износа 2, на 80,5 день наблюдалось увеличение показателя доли крупных частиц, что свидетельствовало о нарушении нормального режима изнашивания и на 81 день эти показатели превысили допустимые уровни. После остановки и исследования компрессорной установки выявлено, что катастрофическому износу подвергся подшипник в коробке передач компрессора. Источники информации 1. А.с. 1 714 455, СССР, МПК 5 013/56, 1992 (опубл.). 2. А.с. 1 323 863, СССР, МПК 4 011/04, 1987 (опубл.). 3. Патент 4 570 069, США, МПК 4 0121/85, 1986. 4. Патент 5 049 742, США, МПК 5 0121/35, 1991. 5.,//. . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8