УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2004 года по МПК G01N27/74 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для диагностики изнашивания узлов трения на основе оценки содержания частиц износа в смазочном материале.

Параметры частиц износа, содержащихся в масле, дают информацию о режиме изнашивания узлов трения. В частности, при катастрофическом износе баббитовых вкладышей подшипников скольжения в смазочном материале резко увеличивается содержание металлических неферромагнитных частиц. Износ вкладыша влечет за собой износ поверхности вала, который сопровождается образованием ферромагнитных частиц. Своевременная диагностика изнашивания таких узлов в дорогостоящих и ответственных механизмах, например поршневых компрессорах, двигателях самолетов и др., позволяет предотвратить аварии и избежать выхода из строя механизма. В связи с этим актуальной задачей является разработка надежных устройств оперативной диагностики для непрерывного контроля, для определения начала разрушения и обеспечения своевременной остановки двигателя традиционно используются магнитные пробки [Yuang-Cherng Chiou, Rong-Tsong Lee, Chih-Yih-Tsai. An on-line Hall-effect device for monitoring wear particle in oils. // Wear, 223 (1998), 44-49], установленные в линию смазки. Однако они оценивают содержание только ферромагнитных частиц и не могут определять металлические неферромагнитные частицы износа.

Для определения содержания неферромагнитных частиц износа в ряде случаев используется датчик [патент США №540211, G 08 B 17/10, 1995 (опубл.)], работа которого основана на замыкании электрической цепи при попадании металлических частиц в зазоры между металлическими пластинами. Однако этому датчику присущи следующие недостатки: недостоверная информация, так как датчик сигнализирует не только при попадании в него металлических частиц, но и при попадании воды; датчик не дает информацию о количестве частиц износа; кроме того, требуется разборка и промывка датчика каждый раз после его срабатывания.

Эти недостатки устранены в известном вихретоковом устройстве измерения размеров и концентрации металлических частиц в жидкости [Авторское свидетельство СССР №1522085, G 01 N 27/74, 1985 (опубл.)]. Устройство содержит вихретоковый преобразователь, включающий возбуждающую катушку индуктивности и несколько пар измерительных катушек. При прохождении металлических частиц через измерительные катушки на их выходах возникают электрические импульсы. Анализ импульсов позволяет оценить размеры частиц и их счетную концентрацию в исследуемой жидкости. Однако это устройство имеет сложную конструкцию канала прохождения масла. Для определения мелких частиц используются узкие каналы, что при анализе вязких жидкостей, в частности масла, требует дополнительно применение насоса для прокачивания масла по каналам, кроме того, узкие каналы подвержены быстрому засорению, что снижает достоверность анализа.

Прототипом изобретения является устройство регистрации и идентификации ферромагнитных и неферромагнитных проводящих частиц в жидкости [патент США №5315243, G 01 R33/12, G 01 N 27/74, 1994 (опубл.)], содержащее измерительный блок катушек, состоящий из трех охватывающих поток масла коаксиальных катушек, одна из которых является чувствительной, а две другие катушки - возбуждающими, предварительный усилитель, умножитель, каскад блокирования постоянной составляющей сигнала, фильтр нижних частот, усилитель оконечный, дискриминатор, счетчик ферромагнитных частиц и счетчик неферромагнитных частиц.

Недостаток прототипа заключается в низкой чувствительности к мелким металлическим частицам, что снижает надежность диагностики изнашивания узлов трения.

Задача заявляемого изобретения состоит в повышении чувствительности устройства к мелким металлическим частицам.

Поставленная задача решается тем, что устройство содержит измерительный блок катушек, состоящий из трех охватывающих поток масла коаксиальных катушек, одна из которых является чувствительной, а две другие катушки - возбуждающими, предварительный усилитель, умножитель, каскад блокирования постоянной составляющей сигнала, фильтр нижних частот, усилитель оконечный, дискриминатор, счетчик ферромагнитных частиц и счетчик неферромагнитных частиц. При этом фильтр нижних частот в предлагаемом устройстве выполнен перестраиваемым по ширине полосы пропускания, а устройство дополнительно снабжено регулятором полосы пропускания фильтра нижних частот и измерителем длительности импульсов разбаланса, возникающего при прохождении частиц через измерительный блок катушек, причем вход измерителя длительности импульсов подключен к выходу фильтра нижних частот, а выход - к регулятору полосы пропускания фильтра, причем коэффициент передачи регулятора равен

k(τ)=A·τ,

где А - коэффициент пропорциональности; τ - длительность импульса,

где L_кат - длина измерительного блока катушек, V_ч - скорость частицы.

Такая настройка позволяет устранить шум, частоты которого лежат вне полосы пропускания фильтра, соответствующей длительности импульса информационного сигнала, и таким образом увеличить отношение сигнал/шум, то есть увеличить чувствительность устройства, что обеспечивает регистрацию импульсов разбаланса выходного сигнала, вызванного прохождением через чувствительную (измерительную) катушку металлических частиц меньшего размера.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 приведена блок-схема устройства,

на фиг.2 - сигнал на выходе фильтра 6 нижних частот прототипа (фиг.2а) и заявляемого устройства (фиг.2б).

Основные блоки устройства показаны на фиг.1. Устройство содержит задающий генератор 1, питающий блок возбуждающих катушек; измерительный блок катушек 2, состоящий из трех охватывающих поток масла коаксиальных катушек, одна из которых является катушкой чувствительной (КЧ), а две другие катушки (К1 и К2), включенные встречно-параллельно и расположенные соответственно перед и после чувствительной катушки по направлению потока масла на одинаковом расстоянии от нее, являются возбуждающими переменные противоположно направленные магнитные поля в чувствительной катушке; предварительный усилитель 3; умножитель 4; каскад блокирования постоянной составляющей сигнала 5; перестраиваемый фильтр 6 нижних частот; измеритель длительности импульса разбаланса 7; регулятор полосы пропускания фильтра 8 нижних частот; усилитель оконечный 9; дискриминатор 10; счетчик ферромагнитных частиц 11 и счетчик неферромагнитных частиц 12.

Устройство работает следующим образом. С задающего генератора 1 высокочастотный сигнал подается на катушки возбуждения К1 и К2. Катушки К1 и К2 создают противоположно направленные магнитные поля, взаимно компенсирующие друг друга в месте расположения чувствительной катушки КЧ. По трубопроводу прокачивается тестируемое масло и металлические частицы износа, содержащиеся в масле, вызывают нарушение взаимной компенсации магнитных полей, возбуждаемых катушками К1 и К2. При этом в чувствительной катушке КЧ индуцируется сигнал разбаланса. Амплитуда огибающей информационного сигнала разбаланса несет информацию о размере металлической частицы, а фаза - информацию о материале (ферромагнитном или неферромагнитном) частицы. Сигнал разбаланса подается через предварительный усилитель 3 на умножитель 4, где сигнал преобразуется в пульсирующее высокочастотное напряжение, амплитуда которого пропорциональна амплитуде входного сигнала. Затем это напряжение подается на каскад 5, который блокирует постоянную составляющую сигнала, и подается на вход перестраиваемого фильтра 6 нижних частот. Ширина полосы пропускания (Δf) перестраиваемого фильтра 6 первоначально установлена в соответствии со средней скоростью масла в трубопроводе (Δf~V_масла/L_кат, где V_масла - средняя скорость масла, L_кат - длина измерительного блока катушек). Длительность импульсов сигнала разбаланса определяется размерами катушек K1, K2 и КЧ и скоростью частиц, проходящих с потоком масла через катушки. В случае мелких частиц в потоке жидкости [Фортье А. Механика суспензий: Пер. с франц. - М.: Мир, 1971. - 264 с.] их скорость совпадает со скоростью потока жидкости, что справедливо и в случае частиц износа в потоке масла. Регулятор полосы пропускания 8 устанавливает частоту среза перестраиваемого фильтра 6 нижних частот в соответствии с длительностью импульса разбаланса, т.е. длительностью импульса информационного сигнала. Это позволяет осуществлять оптимальную настройку полосы пропускания фильтра в соответствии с длительностью импульса разбаланса, что приводит к устранению шума, частоты которого лежат вне полосы пропускания фильтра. Благодаря увеличению отношения сигнал/шум повышается чувствительность устройства к более мелким частицам. На фиг.2а представлен сигнал на выходе фильтра 6 нижних частот прототипа. Видно, что импульсы информационного сигнала малой амплитуды, находящейся на уровне шумов, невозможно выделить из общего сигнала. На фиг.2б показан тот же сигнал на выходе перестраиваемого фильтра 6 нижних частот предлагаемого устройства. В этом случае после сужения полосы пропускания можно с уверенностью регистрировать информационные сигналы (импульсы разбаланса) малой амплитуды. После перестраиваемого фильтра нижних частот сигнал через оконечный усилитель 9 подается на дискриминатор 10. Дискриминатор распределяет сигналы от ферромагнитных и неферромагнитных частиц по соответствующим каналам счета частиц. Для подсчета количества частиц используются счетчики ферромагнитных 11 и неферромагнитных частиц 12.

Повышение чувствительности в предлагаемом устройстве достигается увеличением отношения сигнал/шум за счет снижения шумов путем настройки полосы пропускания фильтра нижних частот, соответствующей длительности импульсов сигнала разбаланса при прохождении металлических частиц износа через измерительный блок катушек.

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники, а также машиностроения, и может быть использовано для диагностики изнашивания узлов трения на основе оценки содержания частиц износа в смазочном материале. Устройство содержит измерительный блок катушек, предварительный усилитель, умножитель, каскад блокирования постоянной составляющей сигнала, фильтр нижних частот, усилитель оконечный, дискриминатор, счетчик ферромагнитных частиц и счетчик неферромагнитных частиц. Фильтр нижних частот имеет перестраиваемую полосу пропускания. Устройство также содержит измеритель длительности импульсов разбаланса, возникающего при прохождении частиц через измерительный блок катушек, и регулятор полосы пропускания фильтра нижних частот. Настройка полосы пропускания фильтра нижних частот позволяет устранить шум, частоты которого лежат вне полосы пропускания фильтра, соответствующей длительности импульса информационного сигнала. Таким образом, увеличивается отношение сигнал/шум и чувствительность устройства, появляется возможность определять наличие частиц меньшего размера. 3 ил.

Устройство для детектирования металлических частиц в потоке смазочного материала, содержащее измерительный блок катушек, состоящий из трех охватывающих поток масла коаксиальных катушек, одна из которых является чувствительной, а две другие катушки - возбуждающими, предварительный усилитель, умножитель, каскад блокирования постоянной составляющей сигнала, фильтр нижних частот, усилитель оконечный, дискриминатор, счетчик ферромагнитных частиц и счетчик неферромагнитных частиц, отличающееся тем, что фильтр нижних частот выполнен перестраиваемым, при этом устройство дополнительно снабжено регулятором полосы пропускания фильтра нижних частот и измерителем длительности импульсов, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а выход - к регулятору полосы пропускания фильтра, причем коэффициент передачи регулятора равен

k(τ)=А·τ,

где А - коэффициент пропорциональности

τ - длительность импульса,

где L_кат - длина измерительного блока катушек

V_ч - скорость частицы.