СПОСОБ СИГНАЛИЗАЦИИ НАЛИЧИЯ СТРУЖКИ В МАСЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК F16N29/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам сигнализации о наличии металлических частиц в системе смазки механических устройств, содержащих подверженные износу детали, и позволяет диагностировать начало разрушения этих деталей с заданной достоверностью, исключая ложные срабатывания, при появлении стружки в масле.

Известна магнитная пробка-сигнализатор (RU 2460006), состоящая из магнитного и немагнитного электродов, в зазоре между которыми скапливается металлическая магнитная стружка, замыкая электрическую цепь табло "Стружка в масле". Данный сигнализатор не исключает ложные срабатывания сигнализации в процессе приработки деталей агрегатов.

Известно техническое решение (RU 2312240) уменьшающее вероятность ложных срабатываний сигнализатора за счет использования температуры масла в качестве дополнительного диагностического признака повышающего достоверность сигнализации. Однако инерционность значительного объема масла в маслосистеме не позволяет выявить своевременную корреляцию признаков на ранних стадиях разрушения деталей, т.к. период приработки связан с повышенным трением в узлах и, следовательно, повышенной температурой масла.

Известно также техническое решение (RU 2727737), которое осуществляет обработку трех последовательно поступивших сигналов срабатывания электромагнитного сигнализатора стружки (СС). Недостаток данного решения обусловлен фиксированным малым числом наблюдений (три) в цикле измерений, на основе обработки которых формируется сигнал о наличии стружки в масле, достоверность которого сходится по вероятности к заданному значению при неограниченном числе циклов диагностирования.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ и реализующее его устройство (RU 2765325), в котором решение о наличии стружки в масле принимается по сумме случайных значений времени срабатывания СС, распределенных по экспоненциальному закону. Однако величина погрешности в идентификации альтернативного события в определенных условиях ведет к снижению достоверности предложенного в прототипе способа до 50%.

Целью изобретения является уменьшение погрешности достоверного диагностирования начавшегося разрушения деталей двигателя, исключая ложные срабатывания, не связанные с разрушением деталей, в режиме реального времени. Технический результат состоит в реализации последовательного анализа преобразованных сигналов срабатывания электромагнитного сигнализатора стружки в каждом цикле диагностирования.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому изобретению система сигнализации стружки в масле содержит табло "Стружка в масле", электромагнитный сигнализатор стружки, блок автоматического регулирования и контроля с устройством анализа сигналов, поступающих от электромагнитного сигнализатора стружки, связанный посредством каналов передачи сигналов с табло и электромагнитным сигнализатором стружки. Устройство анализа сигналов осуществляет обработку последовательно поступающих сигналов срабатывания электромагнитного сигнализатора стружки, формирование сигнала "Стружка в сигнализаторе" при первом срабатывании электромагнитного сигнализатора стружки для сохранения в памяти и формирование сигнала «Стружка в масле» при снижении достоверности диагностирования ниже заданного уровня в результате последовательного анализа следующих срабатываний электромагнитного сигнализатора стружки.

Работу системы сигнализации с заданной вероятностью ложного срабатывания α рассмотрим на примере последовательных срабатываний электромагнитного СС в моменты времени t₁<t₂<…<t_i<…, между которыми питание с электромагнита СС на короткое время снимается, чтобы поток масла унес налипшие частицы, очистив контакты СС для следующего срабатывания. Наблюдения продолжаются до тех пор, когда критерий примет установленное значение. В статистике такая задача является задачей обнаружения моментов изменения стохастических свойств наблюдаемых случайных последовательностей (разладки), при реализации которых решение о наличии разладки принимается после каждого наблюдения.

Срабатывание СС происходит по мере накопления продуктов износа или разрушения деталей двигателя, что является относительно редким событием, характеризуемым пуассоновским потоком. В этом случае интервалы времени между событиями считаются распределенными по экспоненциальному закону. У аналогичных СС главных редукторов вертолетов имеется более обширная статистика срабатываний, при обработке которой экспоненциальный закон распределения идентифицирован достоверно. Отличие ложного срабатывания от истинного (из-за действительного разрушения деталей) состоит в меньшем значении наработки до срабатывания СС по сравнению с истинным. Значит параметр распределения будет иным. Следовательно, задача заключается в выявлении значимого (с требуемой достоверностью) изменения закона распределения времени срабатывания сигнализатора и выработки сигнала о наличии стружки в масле.

Пусть случайное время t между срабатываниями СС подчинено экспоненциальному закону с функцией распределения

F(t)=1-e^-λt, t≥0,

где λ - параметр.

По определению функция распределения является неубывающей функцией на интервале [0;1]. Тогда, используя вероятностное интегральное преобразование х=F(t), экспоненциально распределенную случайную величину t можно преобразовать в случайную величину X, равномерно распределенную в интервале [0;1]. Преобразование обусловлено наибольшей энтропией у равномерного закона распределения. Кроме того, критерий в виде отношения двух независимых равномерно распределенных в интервале [0;1] случайных величин доминирует по энтропии над критерием в виде их суммы. Поэтому для первых двух случайных величин x₁ и x₂ вводится в рассмотрение статистика [2].

распределение которой является результатом следующей теоремы.

Теорема. Отношение меньшей из двух независимых случайных величин, равномерно распределенных в интервале [0;1], к большей есть случайная величина, равномерно распределенная в интервале [0;1].

Доказательство. Из наблюдений x₁ и x₂ составлен вариационный ряд x₁≤х₂ (для упрощения записи здесь и далее члены вариационного ряда не отмечаются штрихом). Плотность вероятности совместного распределения упорядоченных случайных величин x₁≤x₂ запишется следующим образом

где ƒ_xi(x_i) плотность распределения i - го наблюдения в исходной выборке.

Введем в рассмотрение две статистики (по числу членов вариационного ряда)

и

Так как обратные преобразования х₁=υ⋅υ₁ и х₂=υ₁ взаимно однозначны, то плотность совместного распределения

где - якобиан преобразования.

Тогда плотность совместного распределения статистик υ и υ₁ запишется следующим образом

ƒ_u,u1(υ, υ₁)=2!υ₁.

Исключая вспомогательную переменную υ₁ путем интегрирования плотности ƒ_υ,υ1(υ, υ₁) по области значений υ₁, получим плотность переменной

что является плотностью равномерного распределения переменной υ.

Теорема доказана.

Для равномерного в интервале [0;1] распределения вероятность Р{ϑ≤υ}=υ. Поэтому значение статистики υ сравнивается с вероятностью 1 - α и, если υ>1 - α, то анализ заканчивается с выдачей сигнала "Стружка в масле". В противном случае анализ продолжается со статистикой υ и следующей поступившей случайной величиной x₃. И так далее.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с заданной вероятностью ложного срабатывания а своевременно реагировать на появление стружки в масле. Выбор значения а производится, исходя из рекомендаций ГОСТ Р 51901.12-2007 при анализе видов и последствий отказов с помощью матрицы критичности.

Функциональная схема устройства анализа сигналов, реализующая алгоритм его работы представлена на фиг. 1. Входными сигналами служат сигнал "Запуск", который запускает таймер, величина параметра λ истинного срабатывания, определяемого по результатам эксплуатации и сигналы, поступающие от срабатывания СС.

Входной сигнал при очередном срабатывании СС останавливает таймер и формирует выходной сигнал "Стружка в сигнализаторе", который сохраняется в памяти. Значение t с выхода таймера поступает на вход блока вычисления экспоненциальной функции распределения х=F(λ, t). С его выхода значение х поступает в блок принятия решения, из которого, если срабатывание СС первое, x₁ поступает в блок сравнения и запускает таймер. Если срабатывание СС не первое, х поступает в блок сравнения под наименованием х₂.

С выходов блока сравнения х₁ и х₂ поступают на один из блоков вычисления критерия υ в зависимости от их соотношения и далее в блок сравнения с вероятностью 1 - α принятия решения. Если υ>1 - α, то формируется выходной сигнал "Стружка в масле". В противном случае значение критерия υ поступает на вход схемы сравнения вместо значения х₁ и одновременно запускает таймер для продолжения анализа.

Адекватность способа и работоспособность предлагаемой функциональной схемы устройства проверены с помощью имитационной модели путем проведения вычислительного эксперимента с числом реализаций N=10⁵. Результаты приведены в таблице.

Относительная погрешность данного способа при наиболее используемом значении α=0,1 составляет

Чем подтверждается адекватность предлагаемого способа. Кроме того, исследование показало, что интенсивность срабатывания сигнализации определяется (почти равна) задаваемой вероятности ложного срабатывания. И, в отличие от прототипа, на выявление ложных срабатываний требуется меньшее число наблюдений, что повышает быстродействие и эффективность устройства.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для сигнализации о наличии металлических частиц в системе смазки механических устройств, содержащих подверженные износу детали, и позволяет эффективно диагностировать начало разрушения этих деталей с заданной достоверностью, исключая ложные срабатывания, при появлении стружки в масле. Технический результат состоит в реализации последовательного анализа нефиксированного числа преобразованных сигналов срабатывания электромагнитного сигнализатора стружки в каждом цикле диагностирования. Указанный технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому изобретению система сигнализации стружки в масле содержит табло "Стружка в сигнализаторе" и "Стружка в масле", электромагнитный сигнализатор стружки, блок автоматического регулирования и контроля с устройством анализа сигналов поступающих от электромагнитного сигнализатора стружки, связанный посредством каналов передачи сигналов с табло и электромагнитным сигнализатором стружки, причем устройство анализа сигналов осуществляет обработку нефиксированного числа преобразованных сигналов срабатывания электромагнитного сигнализатора стружки в каждом цикле диагностирования, формирование сигнала "Стружка в сигнализаторе" при первом срабатывании электромагнитного сигнализатора стружки и формирование сигнала «Стружка в масле» при снижении достоверности диагностирования ниже заданного уровня в результате последовательного анализа последующих срабатываний электромагнитного сигнализатора стружки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ сигнализации стружки в масле, включающий обработку последовательно поступающих преобразованных сигналов срабатывания электромагнитного сигнализатора стружки неограниченного числа, формирование сигнала "Стружка в сигнализаторе" при первом срабатывании электромагнитного сигнализатора стружки, который сохраняется в памяти, и формирование сигнала «Стружка в масле» при превышении значения вероятности ложного срабатывания заданного уровня α.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее табло "Стружка в масле", электромагнитный сигнализатор стружки и связанный посредством каналов передачи сигналов с табло и электромагнитным сигнализатором стружки блок автоматического регулирования и контроля, содержащий устройство анализа сигналов, поступающих от электромагнитного сигнализатора стружки, отличающееся тем, что устройство анализа содержит таймер, блок расчета значения функции экспоненциального распределения и два блока расчета частного от деления.