СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДРУГИХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ МИКРОПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛОВ, ОБНАРУЖЕННЫХ В СМАЗОЧНЫХ МАСЛАХ, ТОПЛИВАХ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЯХ Российский патент 2002 года по МПК G01N21/67 

Изобретение относится к способам определения технического состояния двигателей, машин и механизмов по характеристикам микропримесей металлов, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях.

Известны различные способы определения технического состояния двигателей: по параметру "концентрация" микропримесей металлов в смазочном масле, топливе и специальных жидкостях; индексу износа; по числу частиц; по форме частиц /1/.

Известен способ спектрального определения концентрации металлов в работающих авиамаслах /2/, включающий подготовку пробы масла к анализу, подготовку стандартных образцов, построение градуировочной характеристики по стандартным образцам, атомизацию проб масла. Рассчитываются средние арифметические значения результатов измерений отдельно по каждому из анализируемых элементов. По градировочным графикам среднеарифметические величины результатов измерений переводятся в концентрации соответствующих элементов.

Известен способ определения степени загрязненности смазочных масел /3/. Отбирают пробу заданного объема, нагревают ее до заданной температуры, дополнительно измеряют скорость повышения температуры масла, помещают в пробу калиброванный проводник, по которому пропускают ток заданного значения, измеряют сопротивление проводника и скорость изменения сопротивления проводника и рассчитывают отношение скорости изменения сопротивления проводника к скорости повышения температуры масла, по которому определяют степень загрязненности масла.

Известен способ определения концентрации железа в работающих маслах /4/. Способ основан на отфильтровывании содержащихся в масле частиц железа через многослойный фильтрующий материал с последующей проверкой магнитных свойств фильтрующего материала при помощи воздействия магнитного поля, а по распределению железа между слоями фильтрующей перегородки судят о дисперсности частиц железа.

Ближайшим аналогом является способ определения микропримесей металлов в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях /5/, заключающийся в том, что вводят пробу в спектральный источник света, со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой частицы анализируемой примеси, предварительно подготавливают пробу и образцы сравнения, при этом вводят пробу в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, каждый из которых настроен на аналитическую спектральную линию своего химического элемента, преобразуют оптические сигналы в электрические импульсы, измеряют их, определяют массы отдельных элементов, находящихся в виде металлических частиц износа и в виде раствора, по величине импульсов, величине фона и градуировочным характеристикам, при этом для сигналов, зарегистрированных одновременно на двух или нескольких каналах, определяют элементный и стехиометрический состав соответствующих частиц.

В результате определяют следующие характеристики частиц износа: элементную концентрацию растворенного металла, элементную концентрацию частиц износа, число сложных частиц, число простых частиц, состоящих из одного элемента, общее число частиц, средний размер частиц, элементный состав частиц.

У указанного прототипа и способов определения состояния двигателей присутствуют недостатки, которые снижают эффективность их использования для определения состояния двигателей.

Недостатком определения состояния по параметру "концентрация" является то, что концентрация элемента в пробе одновременно зависит от многих причин (качества сплавов, качества изготовления деталей и т. д.). В результате этот параметр оказывается недостаточно эффективным и зачастую пропускает появление неисправностей. Так, в таблице 1 в качестве примера приводятся данные о снятых с эксплуатации двигателях по параметру "вибрация" и "стружка в масле", в то время как параметр "концентрация Fe" оставался значительно меньше критического (для Fe С критическое > 4 г/т).

Таблица 1 также свидетельствует о фактическом отсутствии корреляции между неисправностями, обнаруженными при разборке двигателей, и феррографическим индексом износа.

Задачей данного изобретения является создание способа определения состояния двигателей с помощью явления, которое называется "твердая смазка" /7/.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что пробу вводят в спектральный источник со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой частицы анализируемой примеси, предварительно подготавливают пробу и образцы сравнения, при этом вводят пробу в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, каждый из которых настроен на аналитическую линию излучения одного элемента, преобразуют оптические сигналы в электрические импульсы, измеряют их, определяют массы отдельных металлов в частицах микропримеси по величине импульсов и градуировочным характеристикам, при этом для сигналов, зарегистрированных одновременно на каждом канале, определяют соотношение масс соответствующих металлов, по которому с учетом стехиометрического соотношения металлов устанавливают состав частицы и по полученным данным рассчитывают количество частиц отдельных микропримесей, содержание металла в частицах износа, по которым определяют уровень износа машин и механизмов, дополнительно подготавливают эталонные образцы для каждой детали, входящей в двигатель, путем дробления лазерным излучением соответствующих сплавов, из которых изготовлены соответствующие детали, по полученным от эталонных образцов соотношениям определяют стехиометрический состав сложных многоэлементных частиц, а по результатам сравнения пробы с эталонными образцами определяют число сложных частиц, образующихся при взаимодействии деталей, при этом, считая, что состав сложных частиц является признаком того или иного узла или детали и различая происхождение частиц как соответствующих сплавам узлов и деталей двигателя, так и образованных путем наклепа одного металла на другой, оценивают уровень износа двигателя по появлению одноэлементных и сложных частиц, изменению их числа и соотношения со временем наработки, отождествляя появившиеся сложные частицы со сплавами узлов и деталей.

Основой способа является использование последовательности появления при увеличении наработки вначале простых одноэлементных частиц, а затем сложных частиц, состоящих из нескольких элементов и образующихся при износе самого тела взаимодействующих деталей, представляющих собой частицы выкрашивания соответствующих сплавов.

Способ осуществляется следующим образом:
Пробу исследуемой жидкости, взятую из двигателя, предварительно подготавливают путем разбавления, если это необходимо. Затем "озвучивают" ультразвуком для приведения находящихся в ней металлических частиц износа во взвешенное состояние. Предварительно подготовленную пробу с помощью распылителя превращают в мелкодисперный золь. Распылитель работает в таком режиме, что частицы поступают в плазму последовательно по одной. Полученный золь, состоящий из капель жидкости и частиц металлов, потоком транспортирующего газа непрерывно вдувается в плазму газового разряда (источник возбуждения спектров).

При попадании частицы в плазму она нагревается, испаряется, и полученный атомный пар возбуждается и высвечивается, т.е. происходит вспышка (сцинтилляция) частицы. Скорость поступления анализируемой пробы выбрана из расчета, чтобы частицы металла микропримеси поступали в плазму последовательно друг за другом. Вероятность наложения (слияния) облаков атомного пара различных частиц очень невелика.

Излучение атомного пара с помощью конденсора поступает на спектральный прибор. Разложенное в спектр излучение полихроматором регистрируется на выходе фотоумножителями.

Длительность импульсов излучения частиц пропорциональна времени нахождения их в плазме и составляет 1-10 мс, а амплитуда, либо площадь импульса - испарившейся массе частицы. Поэтому на выходе фотоумножителей присутствуют последовательности импульсов различных амплитуд и длительностей. Электрические импульсы с фотоумножителей поступают на аналого-цифровой преобразователь и обрабатываются ЭВМ.

Аналогично поступают с образцами сравнения и эталонными образцами. Образцы сравнения, приготовленные на основе натуральных частиц износа и аттестованные по содержанию химических элементов, используют для получения градуировочных характеристик, по которым ЭВМ определяет концентрацию элементов в частицах износа и концентрацию растворенных элементов.

Для получения градуировочных характеристик, по которым определяют количество элементов в частицах износа и концентрацию растворенных металлов используют образцы сравнения, приготовленные на основе натуральных частиц износа и аттестованные по содержанию химических элементов.

Эталонные образцы, приготовленные на основе частиц, полученных при дроблении сплавов, из которых изготовлены детали двигателя, используют для получения эталонных соотношений величин импульсов от элементов, входящих в эти сплавы.

Для получения искусственных частиц износа из материалов деталей известного состава используют дробление соответствующих сплавов лазерным излучением. Для дробления используют мощный лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG: Nd3+), работающий на волне 1.064 нм в режиме свободной генерации с частотой около 12 Гц. Излучение лазера фокусировалось линзой на мишень, кювета с мишенью, погруженной в жидкость непрерывно перемещалась. Расплавленный металл под действием излучения извергался из кратера, образовавшегося на мишени в фокусе лазерного луча. Попадая в жидкость, расплавленный металл застывал в нем в виде отдельных частиц, которые, в изготовленных на них ОС, должны имитировать частицы износа. Обработка одного образца длится несколько десятков секунд, затем жидкость сливают и подвергают сцинтилляционному анализу, при этом измеряют элементный состав и число образовавшихся металлических частиц в единице объема жидкости. По полученным от эталонных образцов соотношениям определяют стехиометрический состав сложных частиц и отождествляют их с соответствующими сплавами деталей и узлов двигателя, либо делают заключение об образовании сложной частицы путем механического наклепа одного металла на другой, происходящем при повышенных нагрузках взаимодействующих деталей.

Анализ происходит по следующей схеме.

Находится распределение импульсных сигналов и площадь фонового сигнала за экспозицию по текущему набору факторов, которые нельзя измерить, выбираются соответствующие коэффициенты разложения градуировочной зависимости, по градуировочной зависимости находится содержание элемента примеси в пробе масла.

Совпадение по времени двух или более импульсов излучения указывает на наличие сложной частицы.

Проведенные микрорентгеноспектральные исследования на CAMEBAX-SX50 поверхности образцов легированных сталей показали наличие на поверхности не связанного с кристаллической решеткой металла в виде частиц размером до 10 мкм, образующего мягкую структурную сплава. Эта структурная составляющая в процессе трения выжимается под действием пластической деформации поверхностных слоев и образует защитный слой на поверхности подшипника, (шестерни и т. д. ), который изнашивается в первую очередь. Такой защитный слой играет роль твердой смазки /7/. Основываясь на этом явлении можно оценить состояние узлов двигателей и других машин и механизмов. При нормальной работе трущихся деталей двигателя появляются простые частицы износа, которые показывают, что износ двигателя в норме. Появление сложных частиц показывает, что началось разрушение основы материала, кристаллической решетки, что может привести к разрушению всего узла трущихся деталей.

В условиях развивающейся неисправности и возникающих при этом больших нагрузках на взаимодействующие детали, изготовленные из разнородных сплавов (втулки и валы подшипников скольжения, сепараторы, обоймы и тела качения подшипников качения и т.д.), образуются так называемые "наклепные" частицы, являющиеся механическими соединениями металлов (элементов) не представленных самостоятельными сплавами (FeCu, FeAg, FeAl, FeMg, AgCu и др.). Появление наклепных частиц в работающем масле всегда свидетельствует о существовании повышенного износа узлов и деталей, а элементный состав их об адресности развивающейся неисправности.

Применение данного способа можно рассмотреть на основе таблиц 2-4 (для однотипных двигателей).

В таблице 2 приведены результаты сцинтилляционного определения характеристик износных частиц в масле исправного авиационного двигателя со временем наработки 3092 часа.

N_пр- число простых одноэлементных частиц в единице объема пробы, см-3; Ср -концентрация элемента, находящегося в масле в форме растворенного соединения; С_ч -концентрация элемента, находящегося в масле в форме металлических частиц износа; d - условный размер частиц;
Обращают на себя внимание очень небольшое число зарегистрированных частиц по всем элементам и низкие элементные концентрации износных частиц, а также полное отсутствие сложных частиц.

Количество и состав сложных частиц в масле исправного двигателя зависит от его типа. Сравнение данных таблиц 2 и 3 показывает, что в масле исправного двигателя сложные многоэлементные частицы полностью отсутствуют, а число простых частиц, как и концентрация элементов, невелики (меньше 0,1 г/т). В неисправном двигателе количество простых частиц, как и концентрация элементов в масле, резко возрастает. При этом одновременно появляется большое число сложных частиц, например, таких как FeNi-449 частиц, отождествляемых со сплавом, а также FeCu-20 частиц, FeMg-24 частицы, отождествляемые как "наклепные".

Отождествления сложных частиц со сплавами узлов показаны в таблице 4.

Поузловую диагностику неисправного двигателя выполняли исходя из данных таблицы 3 и признаков износа узлов, показанных в таблице 4. Элементный состав сплавов, из которых изготовлены детали, обозначен в таблице 4 символами химических элементов, при этом первый по порядку символ обозначает основу сплава, а символы заключенные в скобки - легирующие сплав примеси. Цифра, стоящая после символа примеси, - процентное содержание этого элемента в сплаве. Звездочка (*) означает, что детали, изготовленные из указанного сплава, в соответствующем по таблице узле двигателя, работают в соприкосновении при взаимном перемещении относительно друг друга. Как следует из таблицы, состав сложных частиц может являться признаком того или иного узла.

Из сравнения данных таблиц 3 и 4 следует, что частицы износа FeNi (табл. 3) соответствующие сплаву Fe(Cr11Ni10) (табл.4), могут принадлежать к следующим регатам двигателя: 1 - стартеру, 2 - коробке приводов, 3 - разделительному корпусу (держание хрома не измерялось). Однако присутствующие (табл. 3) "наклепы" FeCu и FeMg, как признаки (табл.4), принадлежат только стартеру. Таким образом наибольшее число признаков (Fe 1640 частиц, FeNi 449 частиц, FeCu 20 частиц, FeMg 24 частицы) приходится на долю стартера, что указывает на наибольшую вероятность его неисправности по сравнению с другими агрегатами двигателя. Кроме того, появление "наклепных" частиц FeAg свидетельствует о начале износа межвального подшипника.

Так, в случае обнаружения частиц типа Fe(Crl2), которые могут принадлежать большинству агрегатов и частиц типа TiAl, наиболее вероятна неисправность компрессора. Если в масле обнаружены частицы Fe(W9), Cu(Zn34), Al(Cu5) в концентрации превышающих определенное значение, то можно сделать вывод об износе подшипников. Если обнаружены частицы Ti и Mg(Al 9) - неисправен стартер.

Отметим, что разборка неисправного двигателя, данные диагностики которого представлены в таблице 3, полностью подтвердила сделанное заключение (диагноз) о неисправности стартера.

Предлагаемое изобретение может найти применение для диагностики износа двигателей, машин и механизмов в машиностроении, в авиационном, железнодорожном, водном, автомобильном транспорте и других отраслях промышленности.

Источники информации
1. Первая международная конференция "Энергодиагностика". Сб. трудов. М., 1995 г., т.3, стр. 120-152.

2. Аттестат методики измерения концентрации продуктов изнашивания на установках типа МФС при диагностике авиадвигателей. М., ГосНИИ ГА, 1993 г., с. 6-10.

3. Авт. св. СССР N 431451, G 01 N 33/28, 1973 г.

4. Авт. св. СССР N 1770902, G 01 N 33/28, 1990 г.

5. Патент РФ N 2118815, G 01 N 21/73, 1996 (прототип).

6. Первая международная конференция "Энергодиагностика". Сб. трудов. М., 1995 г., т.3, стр. 245-251.

7. Первая международная конференция "Энергодиагностика". Сб. трудов. М., 1995 г., т.1, стр. 53-63.

Задачей данного изобретения является создание способа определения состояния двигателей с помощью явления, которое называется "твердая смазка". Основой способа является использование последовательности появления, при увеличении наработки, вначале простых одноэлементных частиц, а затем сложных частиц, состоящих из нескольких элементов и образующихся при износе самого тела взаимодействующих деталей, представляющих собой частицы выкрашивания соответствующих сплавов. Дополнительно подготавливают эталонные образцы для каждой детали, входящей в двигатель, путем дробления соответствующих сплавов, из которых изготовлены взаимодействующие детали, по результатам сравнения с ними определяют число сложных частиц, образующихся при взаимодействии деталей, а уровень износа оценивают по появлению одноэлементных и сложных частиц различного происхождения, изменению их числа и соотношения со временем наработки, отождествляя появившиеся сложные частицы со сплавами узлов и деталей. Предлагаемое изобретение может найти применение для диагностики износа двигателей, машин и механизмов в машиностроении, в авиационном, железнодорожном, водном, автомобильном транспорте и других отраслях промышленности. Технический результат - повышение эффективности. 4 табл.

Способ определения технического состояния двигателей и других машин и механизмов по характеристикам микропримесей металлов, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях, заключающийся в том, что пробу вводят в спектральный источник со скоростью, обеспечивающей с заданной вероятностью раздельную во времени регистрацию сигналов от каждой частицы анализируемой примеси, предварительно подготавливают пробу и образцы сравнения, при этом вводят пробу в виде аэрозоля путем распыления в плазмотрон, регистрируют оптические сигналы излучения одновременно по двум или более измерительным каналам, каждый из которых настроен на аналитическую линию излучения одного элемента, преобразуют оптические сигналы в электрические импульсы, измеряют их, определяют массы отдельных металлов в частицах микропримеси по величине импульсов и градуировочным характеристикам, при этом для сигналов, зарегистрированных одновременно на каждом канале, определяют соотношение масс соответствующих металлов, по которому с учетом стехиометрического соотношения металлов устанавливают состав частицы, и по полученным данным рассчитывают количество частиц отдельных микропримесей, содержание металла в частицах износа, по которым определяют уровень износа машин и механизмов, отличающийся тем, что дополнительно подготавливают эталонные образцы для каждой детали, входящей в двигатель, путем дробления лазерным излучением соответствующих сплавов, из которых изготовлены соответствующие детали, по полученным от эталонных образцов соотношениям определяют стехиометрический состав сложных многоэлементных частиц, а по результатам сравнения пробы с эталонными образцами определяют число сложных частиц, образующихся при взаимодействии деталей, при этом считая, что состав сложных частиц является признаком того или иного узла или детали и, различая происхождение частиц как соответствующих сплавам узлов и деталей двигателя, так и образованных путем наклепа одного металла на другой, оценивают уровень износа двигателя по появлению одноэлементных и сложных частиц, изменению их числа и соотношения со временем наработки, отождествляя появившиеся сложные частицы со сплавами узлов и деталей.