Способ оперативной оценки работоспособности смазочного масла и устройство для его осуществления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМАЗОЧНОГО МАСЛА 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 Макаренко Владимир Михайлович Семенюк Михаил Саввич Зозуля Андрей Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ оперативной оценки работоспособности смазочного масла, в котором направляют на свежее масло пучок оптического излучения, возбуждающего его флуоресценцию, и измеряют интенсивности этой флуоресценции одновременно в трех заданных спектральных диапазонах, задают в качестве рабочих спектральных диапазонов два из указанных трех, в которых измеренные интенсивности наибольшие, далее измеряют в рабочих спектральных диапазонах интенсивности флуоресценции контролируемого масла в процессе его эксплуатации, рассчитывают как отношение измеренных в рабочих диапазонах интенсивностей величину показателя окисления масла, а затем оценивают работоспособность масла с учетом рассчитанной величины, отличающийся тем, что воз Фиг. 1 17193 1 2013.06.30 действующее на масло оптическое излучение поляризуют в заданной плоскости, измеряют рабочую температуруконтролируемого масла с одновременным измерением интенсивностей флуоресценции с параллельной и перпендикулярной поляризацией относительно указанной плоскости, по которым рассчитывают показатель анизотропии флуоресценциимасла, затем определяют величину динамической вязкостимасла при указанной температуре по заранее построенной калибровочной зависимости(, ), а работоспособность масла оценивают путем совокупного сравнения величин показателя его окисления и динамической вязкости с их заранее найденными пороговыми величинами. 2. Устройство для оперативной оценки работоспособности смазочного масла, содержащее корпус с оптическим окном, передающий канал, содержащий излучатель для возбуждения флуоресценции контролируемого масла в заданном диапазоне длин волн,передающее оптическое волокно и фотоприемник обратной связи, измерительный канал,содержащий приемное оптическое волокно и датчик цвета, а также соединенный с датчиком цвета блок обработки и индикации, отличающееся тем, что содержит два дополнительных измерительных канала, каждый из которых содержит обращенный к указанному окну анализатор, оптически связанный посредством приемного оптического волокна с измерительным фотоприемником данного канала, соединенным с блоком обработки и индикации, в корпусе установлен датчик температуры масла, а передающий канал содержит установленный между передающим оптическим волокном и оптическим окном поляризатор, плоскость поляризации которого параллельна плоскости поляризации первого указанного анализатора и перпендикулярна плоскости поляризации второго анализатора. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оценки в реальном масштабе времени работоспособности масла, в частности гидравлического, компрессорного, трансмиссионного, моторного масла, с целью определения оптимальных сроков его замены. Для обеспечения высокой надежности работы механизмов, своевременной замены масла разрабатываются способы и устройства, встраиваемые в линию циркуляции масла,позволяющие получать информацию о состоянии смазочного материала в ходе эксплуатации машин и оборудования. При этом важными требованиями к таким устройствам являются надежность конструкции, достоверность получаемой информации и малые габариты. Одним из основных факторов ухудшения рабочих свойств масла является изменение его вязкости, от которой зависит способность масла обеспечивать эффективную толщину слоя смазки между поверхностями узлов трения, которая предотвращает ускоренное изнашивание и нарушение нормального режима работы узлов трения. Как увеличение вязкости, так и ее снижение ведет к нарушению несущей способности масла. Увеличение вязкости может свидетельствовать о термической деструкции, окислении масла, разложении присадок, загрязнении водой и др. Снижение вязкости может быть вызвано попаданием топлива в масло, крекингом (при очень высокой температуре). Не менее значимым показателем работоспособности масла является его окисление вследствие воздействия высокой температуры и его взаимодействия с кислородом, окислами азота и влагой воздуха, а также уменьшения содержания антиокислительных присадок в процессе эксплуатации механизмов. В результате окисления масла образуются кислоты, вызывающие коррозию металлических деталей узлов трения и преждевременный выход их из строя. Известны методы и устройства оперативной оценки работоспособности масла по изменению его вязкости, встроенные в систему смазки и обеспечивающие непрерывный контроль рабочих свойств масла с целью своевременной его замены. Известен метод падающего шара, основанный на измерении скорости установившегося движения тела в исследуемом масле, реализованный в устройстве, в котором используются 2 17193 1 2013.06.30 две электромагнитные катушки, охватывающие поршень, изготовленный из ферромагнитного материала 1. Устройство встраивается в линию циркуляции масла, и масло заполняет измерительную полость. Электромагнитные катушки включаются поочередно, создавая силу, вызывающую перемещение поршня в обе стороны вдоль измерительной полости. При увеличении вязкости перемещение поршня замедляется. Вязкость масла оценивается по времени перемещения поршня между катушками. Так как перемещение поршня в обе стороны вынужденное, то оно не подвержено влиянию гравитации и потока масла. Недостатком метода и устройства является то, что требуется использование макроперемещения поршня, что усложняет конструкцию, увеличивает габариты и снижает надежность устройства вследствие изнашивания трущихся деталей. Известны квазистатические (без перемещений на макроуровне) метод и устройство контроля вязкости смазочного масла 2, 3, которые основаны на измерении параметров акустических волн, проходящих через кристалл, контактирующий с исследуемым маслом. Устройство состоит из тонкого диска кварца- среза с двумя круговыми электродами,нанесенными на торцевые поверхности. Между электродами прикладывают напряжение,которое вызывает деформацию сдвига кристалла. Колеблющаяся поверхность генерирует плоскопараллельный ламинарный поток в контактирующем слое жидкости. Меняя частоту приложенного напряжения, находят частоту механического резонанса. Смещение резонансной частоты и изменение амплитуды колебаний дают информацию о свойствах масла. Недостатком метода является то, что вследствие высокой рабочей частоты ( 5 МГц) он чувствителен к свойствам жидкости лишь в весьма тонком слое, контактирующем с поверхностью датчика. Кроме того, при распространении высокочастотных упругих волн через вязкое масло (высокомолекулярную жидкость) масло начинает вести себя как гель,так как частоты колебаний больших молекул совпадают или меньше рабочих частот устройства. В этом случае устройство недостоверно отражает вязкостные свойства масла. Известны методы и устройства оперативной оценки работоспособности масла по изменению степени его окисления, встроенные в систему смазки. Так, известно устройство контроля качества масла 4, основанное на измерении изменения его диэлектрической проницаемости. Устройство содержит погруженный в масло емкостной датчик, который является элементом колебательного контура, содержащего- или кварцевый генератор. Выходной сигнал колебательного контура зависит от диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь масла, которые изменяются с изменением его кислотности. Таким образом, выходной сигнал несет информацию о степени окисления масла. Недостатком устройства является то, что диэлектрическая проницаемость масла, а следовательно, и выходной сигнал зависят не только от кислотности масла, но и от содержания воды, степени загрязнения масла механическими частицами, что делает невозможным установление основного фактора, вызвавшего изменение сигнала. Известны также оптические, в частности флуоресцентные, оперативные методы контроля качества масла по степени его окисления, разработанные с целью повышения чувствительности за счет снижения электрических шумов. Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ и устройство оперативной оценки работоспособности смазочного масла 5. Способ оперативной оценки работоспособности смазочного масла включает следующие операции на свежее масло направляют пучок оптического излучения, возбуждающего его флуоресценцию, и измеряют интенсивности этой флуоресценции одновременно в трех заданных спектральных диапазонах, задают в качестве рабочих спектральных диапазонов два из указанных трех, в которых измеренные интенсивности наибольшие, далее измеряют в рабочих спектральных диапазонах интенсивности флуоресценции контролируемого масла в процессе его эксплуатации, рассчитывают как отношение измеренных в рабочих диапазонах интенсивностей величину показателя окисления масла, а затем оценивают работоспособность масла с учетом рассчитанной величины. Устройство состоит из корпуса с закрепленным в нем 3 17193 1 2013.06.30 оптическим окном, передающего канала, который содержит излучатель, передающее оптическое волокно и фотоприемник обратной связи, измерительного канала, включающего приемное оптическое волокно и датчик цвета, а также соединенного с датчиком цвета блока обработки и индикации. Недостаток прототипа заключается в недостаточной информативности о состоянии масла, так как его оценка осуществляется по одному диагностическому показателю - степени окисления масла и не оценивается его вязкость. Ограниченная информативность является причиной недостаточной точности и достоверности оценки работоспособности масла. Задача заявляемого изобретения состоит в повышении достоверности оперативной оценки работоспособности масла за счет повышения информативности путем использования для эффективной оценки состояния масла одновременно двух диагностических показателей - степени окисления масла, характеризующей изменение химических свойств масла, и вязкости масла, характеризующей способность обеспечивать эффективную толщину слоя смазки между поверхностями узлов трения. Поставленная задача решается тем, что известный способ оперативной оценки работоспособности смазочного масла, в котором направляют на свежее масло пучок оптического излучения, возбуждающего его флуоресценцию, и измеряют интенсивности этой флуоресценции одновременно в трех заданных спектральных диапазонах, задают в качестве рабочих спектральных диапазонов два из указанных трех, в которых измеренные интенсивности наибольшие, далее измеряют в рабочих спектральных диапазонах интенсивности флуоресценции контролируемого масла в процессе его эксплуатации, рассчитывают как отношение измеренных в рабочих диапазонах интенсивностей величину показателя окисления масла, а затем оценивают работоспособность масла с учетом рассчитанной величины, дополнен новой совокупностью операций. Известно 6, что анизотропия флуоресценции зависит от вязкости среды, в которой находятся флуоресцирующие молекулы. Эта зависимость используется в методах измерения вязкости нефлуоресцирующих биологических жидкостей 7 и полимерных материалов 8, для чего в исследуемую среду вводят флуоресцирующие молекулярные роторы или хромофоры. В этом случае по изменению анизотропиифлуоресценции молекулярных роторов оценивают вязкостьисследуемой среды. В смазочном материале присутствуют флуоресцирующие молекулы базовой основы и присадок (в основном молекулы ароматических и полициклических ароматических соединений), что не требует для использования флуоресцентных методов введения специальных флуоресцирующих маркеров. Новая совокупность операций заключается в том, что оптическое излучение, которое возбуждает флуоресценцию масла, поляризуют таким образом, чтобы оно приобрело линейную поляризацию, и дополнительно одновременно измеряют интенсивности флуоресценции с параллельной // и перпендикулярной (Т) поляризацией излучения относительно поляризации оптического излучения, возбуждающего флуоресценцию масла. Кроме того, регистрируют температуру Т масла, что является важной операцией, так как вязкость масла в сильной степени зависит от температуры, поэтому при контроле вязкости необходимо указывать, при какой температуре выполнены измерения. По измеренным значениям интенсивностей // иопределяют показатель анизотропиифлуоресценции масла при температурепо формуле 9( )//(1)//2 и дополнительно к показателю окисления масла оценивают его динамическую вязкость по калибровочной зависимости 17193 1 2013.06.30 Затем оценивают работоспособность масла по показателю окислениямасла, сравнивая значениес пороговым значением пор, и по изменению вязкостимасла при его рабочей температуре относительно порогового значения пор. Введение новой совокупности операций позволяет использовать для оперативной оценки работоспособности масла дополнительный диагностический показатель - вязкость масла, что повышает информативность, а следовательно, и достоверность заключения о работоспособности масла. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем,что в известном устройстве, содержащем корпус с оптическим окном, передающий канал,содержащий излучатель для возбуждения флуоресценции контролируемого масла в заданном диапазоне длин волн, передающее оптическое волокно и фотоприемник обратной связи, измерительный канал, содержащий приемное оптическое волокно и датчик цвета, а также соединенный с датчиком цвета блок обработки и индикации, согласно изобретению,содержит два дополнительных измерительных канала, каждый из которых содержит обращенный к указанному окну анализатор, оптически связанный посредством приемного оптического волокна с измерительным фотоприемником данного канала, соединенным с блоком обработки и индикации. Дополнительные измерительные каналы введены для измерения одновременно интенсивности флуоресценции с параллельной // и перпендикулярнойполяризацией излучения относительно поляризации возбуждающего оптического излучения соответственно. Кроме того, в корпусе установлен датчик температуры масла, а передающий канал дополнительно содержит установленный между передающим оптическим волокном и оптическим окном поляризатор, плоскость поляризации которого параллельна плоскости поляризации первого указанного анализатора и перпендикулярна плоскости поляризации второго анализатора. Введенный поляризатор служит для создания линейной поляризации оптического излучения, возбуждающего флуоресценцию масла. Предлагаемое изобретение иллюстрируется фигурами, на которых изображены на фиг. 1 - конструкция предлагаемого устройства на фиг. 2 - гистограмма изменения показателя окислениякомпрессорного масла в ходе эксплуатации и пороговое значение показателя пор на фиг. 3 - гистограмма изменения вязкостикомпрессорного масла в ходе эксплуатации и пороговое значение показателя пор. Предлагаемое устройство содержит корпус 14 с закрепленным в нем оптическим окном 10 и датчиком температуры 19, передающий канал, три измерительных канала и блок обработки и индикации 17 (фиг. 1). Передающий канал, служащий для создания линейной поляризации оптического излучения и передачи его в объем контролируемого масла, состоит из излучателя 1, фотоприемника обратной связи 2, передающего оптического волокна 5 и закрепленного на поверхности оптического окна 10 поляризатора 11, после прохождения через который оптическое излучение приобретает линейную поляризацию. При этом входной торец оптического волокна 5 обращен к излучателю 1, а выходной - к поляризатору 11. Измерительные каналы применяются для передачи излучения флуоресценции масла из контролируемой области масла к регистрирующим датчикам. Первый измерительный канал включает приемное оптическое волокно 6 и датчик цвета 3. Входной торец приемного оптического волокна 6 обращен к оптическому окну 10, а выходной - к датчику цвета 3. Датчик цвета, регистрирующий интенсивность флуоресценции масла одновременно в трех спектральных диапазонах, в частности, в красном, зеленом и синем,позволяет оценивать спектральное распределение флуоресценции масла, по которому определяется показатель окисления. Второй измерительный канал содержит первый анализатор 12, приемное оптическое волокно 9 и фотоприемник 8. Третий измерительный канал содержит второй анализатор 13, приемное оптическое волокно 7 и фотоприемник 4. Входные торцы передающих оптических волокон 9 и 7 обращены к анализаторам 12, 13, а выходные - к фотоприемникам 8 и 4, при этом анализаторы закреплены на поверхности 5 17193 1 2013.06.30 оптического окна таким образом, что плоскость поляризации первого анализатора 12 параллельна, а второго анализатора 13 перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора 11, что позволяет с помощью фотоприемников 8 и 4 регистрировать флуоресценцию с параллельной и перпендикулярной поляризацией относительно поляризации оптического излучения, возбуждающего флуоресценцию. Электрические выводы излучателя 1, фотоприемника обратной связи 2, датчика цвета 3, фотоприемников 4 и 8 и датчика температуры 19 выведены на монтажную плату 15, закрепленную на корпусе 14 и соединенную электрическим кабелем 18 с блоком обработки сигнала и индикации 17. Для защиты от механических повреждений и экранировки от электрических помех используется защитная крышка 16, закрепленная на корпусе 14. В качестве источника излучения в предлагаемом устройстве используется источник такого излучения, которое возбуждает флуоресценцию масла, т.е. с длиной волны, находящейся в диапазоне 350-450 нм (например, УФ-диод 3395-30). Датчик цвета позволяет одновременно измерять интенсивность флуоресценции масла в трех спектральных диапазонах, в частности в красном, зеленом и синем. Таким датчиком может служить,например,3/3 или 230. В качестве измерительных фотоприемников 4, 8 используется фотоприемник, спектральная область чувствительности которого согласована со спектром флуоресценции смазочных масел, например фотодиод 8440. Для оценки вязкости на стадии изготовления устройство калибруется в лабораторных условиях с использованием калибровочных образцов с известной вязкостью при заданных температурах. Полученная калибровочная зависимость(, ) заносится в память микропроцессора устройства. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Устройство с помощью резьбы и уплотнительного кольца 20 монтируется в бак с контролируемым маслом, как показано на фиг. 1, или встраивается в маслопровод. Устройство подключается к электропитанию. Тестируемое оборудование заполняется свежим маслом. Часть потока оптического излучения излучателя 1 подается на фотоприемник 2 обратной связи, который измеряет интенсивность излучения, и его выходной сигнал используется в цепи обратной связи для стабилизации интенсивности излучения излучателя. Пучок оптического излучения излучателя 1 проходит по оптическому передающему волокну 5 к поляризатору 11, где преобразуется из неполяризованного в линейно-поляризованное излучение, и затем через оптическое окно 10 направляется на контролируемое масло. При этом в облученном объеме масла возбуждается флуоресценция. Часть потока излучения флуоресценции, пройдя оптическое окно 10, через приемное оптическое волокно 6 передается к датчику цвета 3, который регистрирует интенсивность флуоресценции (,и ) одновременно в трех спектральных диапазонах - красном , зеленоми синем В. Затем из трех спектральных диапазонов определяются два рабочих диапазона дл и кор, в которых значения интенсивностей больше, чем в третьем. В первом измерительном канале вычисляется показатель окислениямасла по формуле дл , кор где дл - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в длинноволновом рабочем спектральном диапазоне кор - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в коротковолновом рабочем спектральном диапазоне. В ходе эксплуатации оборудования происходит окисление масла, что сопровождается смещением спектра флуоресценции в длинноволновую область и увеличением дл относительно кор, т.е. увеличением показателя . Вторая часть потока излучения флуоресценции, пройдя оптическое окно 10, падает на первый анализатор 12, плоскость поляризации которого параллельна плоскости поляриза 6 17193 1 2013.06.30 ции поляризатора 11, вследствие чего на фотоприемник 8 через приемное оптическое волокно 9 передается излучение флуоресценции с параллельной // поляризацией относительно поляризации оптического излучения, возбуждающего флуоресценцию. Одновременно в третьем измерительном канале излучение флуоресценции проходит через оптическое окно 10, второй анализатор 13, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора 11, и через волокно 7 передается к фотоприемнику 4, который регистрирует флуоресценцию с перпендикулярнойполяризацией излучения относительно поляризации оптического излучения, которое возбуждает флуоресценцию масла. Также одновременно датчик температуры 19 регистрирует температуру Т масла. Затем определяется показатель анизотропии флуоресценции масла по формуле 1 и вычисляется динамическая вязкость масла по калибровочной зависимости(, ). После этого оценивается работоспособность масла по показателю окисления , сравнивая значениес пороговым значением пор, и по изменению вязкостимасла при его рабочей температуре относительно порогового значения пор. Все вычисления выполняются с помощью микропроцессора в блоке обработки сигнала. Значения,ивыводятся на дисплей устройства. Значения показателейисравниваются с пороговыми значениями, и выносится заключение о работоспособности смазочного масла в блоке принятия решения, которое отражается световой индикацией на дисплее. Введение двух дополнительных измерительных каналов позволяет проводить одновременно измерения интенсивности флуоресценции с параллельной // и перпендикулярнойполяризацией излучения относительно поляризации возбуждающего оптического излучения соответственно. Это дает возможность оценивать показатель анизотропии флуоресценции масла и дополнительный параметр, характеризующий работоспособность масла, - вязкость масла. Кроме того, датчик температуры, установленный в корпусе устройства, дает возможность регистрировать рабочую температуру контролируемого масла, которая является важным параметром при анализе масла и используется для определения его вязкости. В результате оценки состояния масла одновременно по двум диагностическим показателям - степени окисления масла и вязкости масла - повышается информативность анализа и достоверность заключения о работоспособности масла. Пример использования предложенного способа и устройства для контроля работоспособности масла КС-19 в компрессорной системе. Для оценки вязкости устройство на стадии изготовления калибровалось в лабораторных условиях с использованием образцов масел (НАФТАН МИ 1-3 ( 15-40) и 460) с известной вязкостью при заданных температурах. Полученная калибровочная зависимость(, ) имеет вид(, ),где А(Т)56,69( 0,0605) и 5,4103( 0,0726) - температурные коэффициенты. Калибровочная зависимость была занесена в память микропроцессора устройства. Для контроля работоспособности смазочного масла КС-19 в компрессорной системе предлагаемое устройство устанавливали в бак с маслом. Система смазки заполнялась чистым маслом КС-19, и включалось устройство контроля работоспособности смазочного масла. На выходе датчика цвета, в качестве которого использовался 3/3, с помощью микроконтроллера блока обработки и индикации регистрировались одновременно три сигнала (164 мВ,636 мВ и 1246 мВ), соответствующие интенсивности флуоресценции масла (,и ) в красном , зеленоми синемспектральных диапазонах. Дальнейшая обработка сигналов выполнялась также с помощью микроконтроллера, а именно было определено, что минимальным значением из 7 17193 1 2013.06.30 трех сигналов (,и ) является сигнал в красном спектральном диапазоне, то есть рабочими спектральными диапазонами являются зеленый и синий, и дл, кор. Следовательно, показатель окисленияпри оценке масла КС-19 определялся как отноше ние, так какдл. Одновременно измерялись сигналы на выходе фотокорприемника второго // и третьегоизмерительных каналов, отражающие соответственно интенсивности флуоресценции с параллельной // и перпендикулярнойполяризацией, по которым определяется показатель анизотропиипри измеренной температуре( )( )( )////.//2//2 По значению показателя анизотропиис учетом температуры масла определялась его динамическая вязкостьпо калибровочной зависимости 3. В таблице приведены измеренные значения сигналов , , , //,и , а также вычисленные значения ,идля свежего масла (время эксплуатации 0) и для масла,работавшего в компрессорной системе в течение времени 1 и 2. время эксплуатации масла На фиг. 2 и 3 показано изменение показателя окисленияи вязкостимасла в ходе эксплуатации и их пороговые значения пор и пор. Видно, что значения диагностического показателяв течение приведенного на графике времени эксплуатации не превышали порогового, в то время как вязкость масла при достижении времени эксплуатации 2 превосходит пороговое значение пор 0,11 Пас, при этом на дисплее появлялся сигнал предупреждения о необходимости замены масла (включался индикаторный светодиод блока обработки и индикации). Приведенный пример показывает, что предлагаемые способ и устройство, реализующие одновременную оценку двух диагностических показателейи , повышают достоверность оперативного контроля работоспособности смазочного масла за счет повышения информативности путем использования для оценки состояния масла одновременно двух диагностических показателей - степени окисления масла, характеризующей изменение химических свойств масла, и вязкости масла, характеризующей способность обеспечивать эффективную толщину слоя смазки между поверхностями узлов трения. Источники информации 1. Патент США 6584831, МПК 01 11/10, 2001. 2..,.,.//. - 2005 (121). - . 327-332. 3. Патент США 6938462, МПК 01 11/00, 2005. 4. Патент США 6459995, МПК 01 031/00, 2002. 8/. .1992. - . 700-703. 8. Патент США 5151748, МПК 01 11/00, 1992. 9. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Люминесценция и ее измерения Молекулярная люминесценция. -М. Изд-во МГУ, 1989. - С. 272. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9