СПОСОБ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ВЫРАБОТКИ РЕСУРСА СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2007 года по МПК G01N21/67 

Изобретение относится к способам, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин в части смазки, конкретно к оптическому анализу смазочных материалов с помощью электрических разрядов, и может быть использовано для определения степени выработки ресурса смазочного материала с целью его своевременной замены в узлах машин и механизмов.

Долговечность машин и механизмов в значительной степени зависит от качества смазочного материала, обеспечивающего снижение нагрузки на трущиеся поверхности и отводящего избыточное тепло. В процессе работы смазочный материал испытывает изменения, которые могут оказать существенное влияние на долговечность и надежность механизма. По мере выработки ресурса в смазочном материале накапливаются продукты износа механизма в виде механических и химических примесей, а также продукты, связанные с деградацией самого смазочного материала (полимеризация, расщепление, окисление и т.п.). Контроль степени выработки ресурса смазочного материала позволяет производить его замену в оптимальные сроки, что позволяет заметно снизить эксплуатационные расходы. В связи с этим повышение эффективности соответствующих способов контроля является актуальной задачей.

Известен ряд способов оценки степени выработки ресурса смазочного материала, которые делятся на 4 группы: физико-химические, спектрального анализа, радиоактивных изотопов и феррографии. Наиболее распространены первые два из них.

Известен способ спектрального анализа, описанный в книге: Соколов А.И., Тищенко Н.Т., Аметов В.А. Оценка работоспособности машин по параметрам работающего масла: Учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1991, с.200, с.24.

Согласно этому способу в качестве источника возбуждения используется индуктивно связанная плазма. Пробу масла растворяют в специальном растворителе и с помощью газа-носителя падают в виде аэрозолей в плазменную горелку с индуктивной связью. С помощью спектрографа выполняют спектальный анализ пробы масла. Данный метод обладает невысокой экспрессностью, низкой производительностью и требуется больше времени на подготовку проб.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является метод эмиссионного спектрального анализа (Соколов А.И., Тищенко Н.Т., Аметов В.А. Оценка работоспособности машин по параметрам работающего масла: Учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1991, с.24-32). Он включает помещение пробы исследуемого материала в область электрического разряда, аппаратную регистрацию свечения разряда и алгоритмическую обработку зарегистрированой информации.

Конкретно, при осуществлении известного способа оценки степени выработки ресурса смазочного материала проба подвергается специальной подготовке и вводится в дуговой разряд. Аппаратная регистрация состоит в фотографировании спектра излучения на фотопластинку. Алгоритмическая обработка зарегистрированной информации состоит в анализе сравнительной интесивности спектральных линий, соответствующих различным химическим элементам и характеризующим степень износа и загрязнения. Недостатком известного способа является низкая производительность, обусловленная необходимостью специальной подготовки проб, а также калибровки установки с учетом зависимости показаний от взаимного влияния различных химических элементов на показания аппаратуры. При наличии большого парка работающих машин низкая производительность при анализе смазочных материалов ограничивает возможности текущего контроля степени выработки их ресурса. Кроме того, недостатком известного способа является высокая интенсивность воздействия вредных факторов. К ним относятся генерация озона, ультрафиолетовое излучение, выброс продуктов сгорания проб и электродов. Воздействие вредных факторов снижает точность оценки выработанного ресурса смазочного материала.

Задача изобретения - повысить производительность при анализе смазочных материалов и осуществить более эффективный контроль степени выработанного ресурса этих материалов.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, состоит в повышении экспресности диагностики параметров работающего масла, а также в снижении интенсивности воздействия вредных факторов при оценке степени выработки ресурса смазочного материала и, как следствие, повышении точности такой оценки, а также в оценке степени выработки ресурса, зависящей от концентрации накопившихся компонентов, по интенсивности цветового свечения электрического разряда.

Указанный технический результат достигается тем, что при осуществлении способа оценки степени выработки ресурса смазочного материала, включающего помещение пробы материала в область электрического разряда, аппаратную регистрацию свечения разряда и алгоритмическую обработку зарегистрированой информации, основанную на сравнительном анализе интенсивности свечения, в отличие от прототипа, пробы диагностируемого и эталонного смазочного материала идентичной марки внедряют в носитель из капиллярно-пористого материала, который помещают в область поверхостного тлеющего высоковольтного разряда от пластинчатого электрода, устанавливаемого с частичным перекрыванием поверхности носителя с пробой, аппаратную регистрацию свечения разряда, в области каждой из указанных проб, производят путем цифрового фотографирования, полученное изображение заносят в базу данных компьютера в виде цифрового файла, при этом сравнительный анализ проводят по распределению интенсивности свечения в области указанных проб, выбирая для алгоритмической обработки содержимое цифрового файла, соответствующее зеленой составляющей изображения, и проводя для двух указанных проб сравнение законов спада интенсивности по мере удаления от кромки пластинчатого электрода, для чего повышают контрастность визуализированного изображения зеленого свечения до получения дискретных границ в градациях яркости, измеряют расстояния от кромки электрода до этих границ, а за численную меру для оценки степени выработки ресурса смазочного материала принимают отношение этих растояний.

Заявляемый способ отличается также тем, что пробы диагностируемого и эталонного смазочного материала идентичной марки помещают в область разряда одновременно.

Для повышения разрешающей способности при большой степени выработки пробу диагностируемого смазочного материала предварительно смешивают с эталонным смазочным материалом в отношении от 1:10 до 1:2.

Способ наиболее эффективно реализуется при условии, что в качестве носителя используют бумажный фильтроэлемент.

Возможность получения указанного технического результата при осуществлении изобретения поясняется следующим.

Помещение пробы смазочного материала в область поверхостного тлеющего высоковольтного разряда обеспечивает его взаимодействие с электрическим полем. Взаимодействие происходит в области воздушной границы исследуемого смазочного материала в присутствии его паров, при этом характер ионизации определяется наличием в парах как исходных компонентов смазочного материала, так и комплекса компонентов, накопившихся в процессе работы. Концентрация накопившихся компонентов монотонно зависит от степени выработки ресурса смазочного материала. В основе предлагаемого способа лежит экспериментально установленная зависимость пространственного распределения интенсивности свечения разряда и его усредненной спектральной характеристики от концентрации накопившихся компонентов.

Внедрение исследуемого смазочного материала в носитель из капиллярно-пористого материала предотвращает его вытеснение из области разряда ионным ветром, обеспечивая возможность фотографической регистрации свечения разряда в присутствии исследуемого смазочного материала.

Частичное перекрывание носителя с пробой пластинчатым электродом обеспечивает присутствие в области разряда пробы исследуемого материала, равномерно распределенной по поверхности носителя.

Фотографирование области разряда и занесение изображения в базу данных компьютера в виде цифрового файла обеспечивают регистрацию двумерной картины распределения интенсивности свечения, используемой для последующий алгоритмической обработки. Цифровое фотографирование выполняет также функцию усреднения спектральной характеристики свечения по трем основным составляющим видимого спектра: красной, синей и зеленой. Выбор для дальнейшей алгоритмической обработки зеленой составляющей сделан на основании экспериментальных наблюдений. Эксперименты показали, что распределение яркости зеленой составляющей наиболее чувствительно к присутствию в области разряда компонентов исследуемого смазочного материала. Распределение яркости красной и синей составляющих в основном определяется присутствием атмосферных газов и слабо зависит от присутствия исследуемого смазочного материала.

Выбор закона спада интенсивности свечения по мере увеличения расстояния от кромки электрода в качестве критерия для сравнительного анализа степени выработки ресурса смазочного материала также обоснован экспериментальным наблюдениями. Установлено, что крутизна спада интенсивности свечения монотонно связана с концентрацией накопившихся в процессе работы компонентов. В целом закон спада интенсивности имеет сложный характер, обусловленный уменьшением напряженности электрического поля, а также зависящих от этого факторов: интенсивности инжекции молекул исследуемого материала в область разряда, степени их ионизации, баланса излучения и поглощения света и т.п. При всей указанной сложности достаточно приемлемой для практики аппроксимацией является линейный закон спада интенсивности.

Повышение контрастности визуализированного изображения свечения двух проб смазочного материала обеспечивает получение дискретных границ в градациях яркости, причем координаты указанных границ связаны с численными характеристиками законов спада интенсивности свечения. Отношение расстояний между указанными границами и кромкой пластинчатого электрода равно отношению численных коэффициентов, характеризующих законы спада интенсивности. В связи с этим данное отношение принимают за меру степени выработки ресурса смазочного материала, определяемую, как указано выше, по концентрации накопившихся компонентов.

Одновременное помещение в область разряда наряду с пробой диагностируемого смазочного материала пробы эталонного смазочного материала идентичной марки обеспечивает однозначность получаемых результатов, поскольку оценки для двух проб одинаково подвержены влиянию внешних дестабилизирующих факторов: температуры, влажности, напряжения питания и т.п. При одновременной аппаратной регистрации и сравнительной алгоритмической обработке зарегистрированной информации результаты влияния дестабилизирующих факторов взаимно компенсируются. Таким образом, различие в законах спада интенсивности свечения служит такой мерой степени выработки ресурса, которая не зависит от внешних условий. Кроме того, выбор указанного различия в качестве меры обеспечивает проведение измерений в относительных единицах и исключает необходимость абсолютной калибровки при осуществлении предлагаемого способа, что повышает производительность и эффективность контроля.

Смешивание пробы дагностируемого смазочного материала с эталонным смазочным материалом в отношении от 1:10 до 1:2 обеспечивает повышение разрешающей способности предлагаемого способа при большой степени выработки ресурса, что поясняется градуировочным графиком фиг.5. На графике представлена зависимость численного результата измерений относительной ширины области свечения зеленого цвета W от концентрации накопившихся компонентов, выраженной в процентах от их концентрации N в материале с полностью выработанным ресурсом (сплошная линия). Процент концентрации N варьируют в ходе градуировки путем смешивания смазочного материала с полностью выработанным ресурсом и эталонного смазочного материала. Из графика видно, что при концентрации более 0,5 градуировочная кривая испытывает насыщение, вследствие которого оценка в пределах 0,5-1,0 утрачивает информативность. При смешивании диагностируемого смазочного материала с эталонным масштаб градуировочной кривой увеличивается, и она принимает форму, показанную на графике пунктиром. Таким образом, смешивание обеспечивает получение однозначного численного результата в области, соответствующей предельной степени выработки ресурса смазочного материала. Пропорцию при смешивании проб определяют в зависимости от того, какой участок кривой подлежит исследованию с максимальной разрешающей способностью.

Снижение интенсивности воздействия вредных факторов обусловлено различием в характеристиках дугового разряда, используемого в способе-прототипе, и тлеющего разряда, используемого в предлагаемом способе. Мощность дугового разряда составляет сотни Вт, в то время как мощность тлеющего разряда составляет единицы Вт. Соответственно сниженной оказывается генерация озона и ультрафиолетового излучения при осуществлении заявляемого способа. Выброс продуктов сгорания проб и электродов полностью исключен.

По результатам исследования различных видов капиллярно-пористых носителей для внедрения проб исследуемого смазочного материала наиболее эффективным оказался бумажный фильтроэлемент, который обеспечивает достаточно быстрое и равномерное внедрение смазочного материала, а также не вносит искажения в спектрально-яркостные характеристики свечения.

Авторами изобретения выбран нетрадиционный путь решения поставленной задачи, приводящей к указанному выше техническому результату, а именно: оценка степени выработки ресурса смазочного материала по интенсивности свечения разряда зеленого цвета в видимой части спектра. То, что чистому (эталонному) смазочному материалу присущ зеленый цвет, а по мере накопления отработанных компонентов в смазочном материале интенсивность его падает и область свечения становится меньше авторами выявлено в ходе экспериментов. Из уровня техники способы, основанные на таком подходе, не обнаружены. Это дает основание судить о наличии изобретательского уровня у заявляемого способа.

Перечень фигур, поясняющих заявляемый способ:

Фиг.1. Пример фотографической регистрации свечения тлеющего разряда в зеленой части видимого спектра приэлектродной области для двух проб смазочного материала (слева - область свечения эталонного материала, справа - диагностированного, т.е. выработанного).

Фиг.2. Картина дискретизованного распределения яркости свечения для пробы выработанного смазочного материала со степенью разбавления 0,2.

Фиг.3. Картина дискретизованного распределения яркости свечения для пробы выработанного смазочного материала со степенью разбавления 0,3.

Фиг.4. Картина дискретизованного распределения яркости свечения для пробы выработанного смазочного материала со степенью разбавления 0,5.

Фиг.5. Графики зависимости относительной ширины области свечения от концентрации накопившихся компонентов N (сплошная линия). Пунктирной линией показана та же зависимость, но при смешении диагностируемого материала с эталонным.

Способ оценки степени выработки ресурса смазочного материала включает помещение проб диагностируемого и эталонного материала идентичной марки в область электрического разряда, аппаратную регистрацию свечения разряда и алгоритмическую обработку зарегистрированой информации, основанную на сравнительном анализе интенсивности свечения. При осуществлении способа пробу исследуемого смазочного материала помещают в область поверхностного тлеющего высоковольтного разряда, создаваемого, например, стандартным прибором д'Арсонваля для газоразрядной визуализации (ГРВ). Чтобы предотвратить вытеснение смазочного материала из области разряда ионным ветром, смазочный материал внедряют в носитель из капиллярно-пористого материала, в качестве которого используют, например, стандартный бумажный фильтроэлемент. Носитель частично покрывают пластинчатым электродом. Аппаратную регистрацию свечения разряда осуществляют с применением, например, цифровой фотокамеры. Пример представления зарегистрированной информации в виде двумерной картины распределения яркости свечения приведен на фиг.1. На приведенной картине в бумажный носитель внедрены пробы диагностируемого смазочного материала (область менее яркого свечения) и идентичного ему по марке эталонного (область более яркого свечения). В качестве носителя могут быть использованы и другие синтетические или природные сорбенты. Внедрение производят нанесением капель или погружением с последующим промакиванием. Одновременная аппаратная регистрация свечения в области обеих проб устраняет влияние дестабилизирующих факторов на точность получения результата и исключает необходимость абсолютной калибровки. Занесенный в базу данных компьютера цифровой файл с зарегистрированной информацией содержит три составляющих, соответствующих различным участкам усредненной спектральной характеристики свечения разряда. Для алгоритмической обработки выбирают составляющую, связанную с зеленой областью видимого спектра, поскольку ее картина распределения яркости наиболее зависит от присутствия в области разряда исходных компонентов смазочного материала и комплекса компонентов, накопившихся в процессе работы. Концентрация накопившихся компонентов, и, следовательно, степень выработки ресурса смазочного материала влияет на закон спада интенсивности свечения по мере удаления от кромки электрода. Ввиду приблизительно линейного характера спада интенсивности достаточно достоверной численной оценкой является определение расстояния, на котором яркость свечения спадает до некоторого заданного уровня. Указанное расстояние определяют для двух проб: диагностируемого и эталонного материала, после чего вычисляют их отношение. Последовательность действий при этом включает визуализацию двумерной картины распределения яркости, например, на мониторе персонального компьютера, регулировку контрастности визуализированного изображения до появления дискретных границ в градациях яркости и, наконец, измерение линейных размеров областей свечения в направлении, перпендикулярном кромке электрода. Отношение указанных размеров связано функциональной зависимостью с концентрацией накопившихся в работающем смазочном материале компонентов и указывает на степень выработки его ресурса.

На фиг.2, 3, 4 приведены двумерные картины с дикретным распределением яркости, полученные для проб полностью выработанного смазочного материала с различной степенью разбавления чистым смазочным материалом: а - 0,2; б - 0,3; в - 0,5. Нижней части изображения соответствует кромка электрода, левой части - чистый смазочный материал, правой части - исследуемая проба. Из приведенных картин видно, что с увеличением концентрации выработанного смазочного материала N относительная ширина области свечения W монотонно уменьшается. На фиг.3 приведен экспериментальный график зависимости относительной ширины области свечения W от степени разбавления полностью выработанного смазочного материала чистым. Для конкретной марки смазочного материала такой график служит калибровочной кривой. Измеряя для исследуемой пробы относительную ширину области свечения, с помощью графика определяют относительную концентрацию продуктов работы, то есть искомую степень выработки ресурса. В области концентраций 50-100% относительная ширина области свечения изменяется слабо, что снижает точность оценки. Смешивание исследуемой пробы с исходным смазочным материалом идентичной марки изменяет масштаб концентраций на графике, при этом градуировочная кривая принимает вид, показанный пунктиром. Пропорция при смешивании зависит от того, какой участок градуировочной кривой представляет интерес для исследования. Выбор диапазона изменения пропорции смешивания от 1:10 до 1:2 обеспечивает проведение измерений для любого участка кривой с приемлемой точностью.

Подготовка проб, аппаратная регистрация и алгоритмическая обработка по предлагаемому способу занимают малое время, что обеспечивает высокую производительность, а низкая интенсивность генерации озона и ультрафиолетового излучения наряду с полным отсутствием выброса продуктов горения уменьшают воздействие вредных факторов при оценке степени выработки ресурса смазочного материала.

Изобретение относится к измерительной технике. В способе используют поверхностный высоковольтный тлеющий разряд. Пробы исследуемого и чистого смазочного материала внедряют в слой капиллярно-пористого материала, который частично покрывают пластинчатым электродом и фотографируют. Исследуемый материал смешивают с чистым в отношении 1:10-1:2. Проводят для двух проб сравнение законов спада интенсивности по мере удаления от кромки пластинчатого электрода, для чего повышают контрастность визуализированного изображения зеленого свечения до получения дискретных границ в градациях яркости. Технический результат заключается в снижении степени воздействия вредных факторов, а также в повышении достоверности оценки степени выработки ресурса смазочного масла. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оценки степени выработки ресурса смазочного материала, включающий помещение пробы материала в область электрического разряда, аппаратную регистрацию свечения разряда и алгоритмическую обработку зарегистрированной информации, основанную на сравнительном анализе интенсивности свечения, отличающийся тем, что при его осуществлении пробы диагностируемого и эталонного смазочного материала идентичной марки внедряют в носитель из капиллярно-пористого материала, который помещают в область поверхностного тлеющего высоковольтного разряда от пластинчатого электрода, устанавливаемого с частичным перекрыванием поверхности носителя с пробой, аппаратную регистрацию свечения разряда в области каждой из указанных проб производят путем цифрового фотографирования, полученное изображение заносят в базу данных компьютера в виде цифрового файла, при этом сравнительный анализ проводят по распределению интенсивности свечения в области указанных проб, выбирая для алгоритмической обработки содержимое цифрового файла, соответствующее зеленой составляющей изображения, и проводя для двух указанных проб сравнение законов спада интенсивности по мере удаления от кромки пластинчатого электрода, для чего повышают контрастность визуализированного изображения зеленого свечения до получения дискретных границ в градациях яркости, измеряют расстояния от кромки электрода до этих границ, а за численную меру для оценки степени выработки ресурса смазочного материала принимают отношение этих расстояний.2. Способ оценки степени выработки ресурса смазочного материала по п.1, отличающийся тем, что пробы диагностируемого и эталонного смазочного материала идентичной марки помещают в область разряда одновременно.3. Способ оценки степени выработки ресурса смазочного материала по п.1, отличающийся тем, что пробу диагностируемого смазочного материала предварительно смешивают с эталонным смазочным материалом в отношении 1:10-1:2.4. Способ оценки степени выработки ресурса смазочного материала по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве носителя используют бумажный фильтроэлемент.