CC BY
53
УДК 62-791.2
АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИКИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
В ГИДРОСИСТЕМАХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
А.С. Алаев, Н.Н. Трушин
Рассмотрены факторы, влияющие на ресурс рабочей жидкости в процессе её эксплуатации. Предложен критерий оценки деградации жидкости и способ его измерения. Рассматривается также автоматизированная система диагностики фактического состояния рабочей жидкости для гидросистем металлорежущих станков.
Ключевые слова: гидравлический привод, рабочая жидкость, загрязнения, критерий деградации, диэлектрическая проницаемость, диагностика.
Насыщенность предприятий страны сложными гидрофицирован-ными технологическими машинами, такими, как кузнечно-прессовое оборудование и металлорежущие станки, рост уровня механизации и автоматизации технологических процессов, вызывает острую необходимость в разработке мероприятий, направленных на сокращение времени нахождения и устранения неисправностей этого оборудования [1].
Анализ причин отказов гидравлического оборудования металлорежущих станков и прессов показывает, что около 10 % отказов оборудования приходится на загрязненность гидросистемы. Типичными причинами отказов являются попадание в маслобак эмульсии; работа на старом масле; использование сортов масел, не соответствующих условиям эксплуатации оборудования; попадание в масло различных загрязнений в виде стружки, абразивных частиц, кусочков резины от разрушенных гибких шлангов и уплотнений и др. [1].
Так, по мнению специалистов корпорации EATON, одним из направлений дальнейшего совершенствования гидравлических устройств является концепция "умной" гидравлики, в которой гидравлические устройства объединяются с «передовыми электротехническими решениями». Один из аспектов данной концепции - это непрерывный оперативный контроль состояния рабочей жидкости в гидросистеме.
Для проведения такого оперативного анализа необходимо представлять физико-химические процессы, происходящие в рабочей жидкости, на которые должны настраиваться датчики системы "умной" гидравлики [2].
Результаты аналитических исследований подтверждают необходимость внедрения в гидросистемы технологических машин метода оперативной и достоверной оценки текущего технического состояние гидросистемы. Таким методом может служить диагностирование рабочей жидкости гидросистемы по изменению показателей её физико-химического состояния в процессе эксплуатации технологического оборудования. К основным
258
преимуществам использования данного метода диагностики относится высокая информативность, возможность раннего обнаружения неисправностей гидропривода без остановки работы оборудования и разборки гидропривода, установление необходимости своевременной замены рабочей жидкости, предотвращение отказов в гидросистеме из-за повышенного загрязнения и износа деталей.
Диагностика состояния гидросистемы по параметрам рабочей жидкости основана на том, что рабочая жидкость является носителем комплексной информации о работе гидросистемы с точки зрения износа пар трения, развивающихся дефектов отдельных деталей или узлов, отклонений в протекании рабочего процесса [3].
Рабочая жидкость в процессе работы в гидроприводе претерпевает существенные изменения. Ухудшение ее показателей приводит к снижению производительности и повышению износа подвижных частей гидропривода.
Процесс постепенного снижения качества рабочей жидкости называется старением или износом. Деградация ("старение") минерального масла, являющегося основным видом рабочей жидкости объемных гидроприводов машин, происходит из-за прямого взаимодействия с газообразными, жидкими и твердыми продуктами загрязнения (продукты неполного сгорания топлива и износа деталей двигателя, атмосферная пыль, охлаждающая жидкость и т.д.).
Помимо этого, повергаясь воздействию высоких температур, масло интенсивно окисляется, полимеризуется и коксуется. Продукты, образующиеся в результате всех этих процессов, накапливаются в масле и приводят к значительному изменению его свойств [4].
Схема классификации основных факторов, оказывающих влияние на деградацию рабочей жидкости и её ресурс, представлена на рис. 1.
Как правило, замену рабочей жидкости в гидравлических системах технологического оборудовании рекомендуется производить с периодичностью, указанной в эксплуатационной документации и документации по техническому обслуживанию [5].
Однако замена рабочей жидкости в плановом порядке не всегда эффективна, поскольку ее ресурс может быть еще не выработан либо она уже израсходовала свой ресурс до наступления момента замены вследствие интенсивной эксплуатации машины. В случае если ресурс рабочей жидкости ещё не выработан, наблюдается необоснованный перерасход рабочей жидкости, что ведет к увеличению затрат на техническое обслуживание и к увеличению количества обслуживаний. Поэтому актуальной является задача оперативной диагностики фактического состояния рабочей жидкости в процессе ее эксплуатации.
Точно оценить фактическое техническое состояние оборудования можно только в результате непрерывного наблюдения за работой оборудования, регистрации, учета и анализа всех параметров, а также возникаю-
щих отказов. Для реализации процесса непрерывного наблюдения следует использовать специальные информационные технические средства, которые должны быть неотъемлемой частью самого оборудования [6]. Целью автоматизированной системы диагностики является повышение оперативности контроля эксплуатационных свойств и текущего состояния рабочей жидкости в гидросистемах технологических машин.
Рис. 1. Факторы, влияющие на ресурс рабочей жидкости
В настоящее время в основе методов и средств определения свойств рабочих жидкостей гидросистем лежат физический, химический и физико-химический способы определения качественных и количественных характеристик исследуемых материалов. Широко используемыми на практике являются спектральный, колориметрический, хроматографический, трибо-логический, потенциометрический и полярографический методы анализа жидкостей [3].
Учитывая основные недостатки единичных показателей, характеризующих техническое состояние рабочей жидкости в гидросистеме для определения состояния рабочей жидкости в гидроприводе, перспективным методом является анализ электрофизических показателей жидкостей.
Одна из причин использования диэлектрической проницаемости как критерия старения минерального масла состоит в том, что масло является неполярным диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого
260
способна меняться при воздействии на него полярным диэлектриком. Поэтому любое изменение физико-химического состава рабочей жидкости в процессе работы (например, ее загрязнение примесями) влечет за собой изменение диэлектрической проницаемости в рабочей жидкости [7].
На рис. 2 представлены факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость масла. В процессе эксплуатации гидрофицированных машин химические и электрофизические свойства рабочей жидкости в гидроприводе претерпевают изменения, вызывающие её деградацию, называемую также "старением".
Рис. 2. Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость
минерального масла
Так, в процессе эксплуатации происходит насыщение рабочей жидкости частицами загрязнений, продуктами окислений, а также наблюдается изменение ее физико-химических свойств. Скорость деградации рабочей жидкости непосредственно связана с продолжительностью работы гидропривода под нагрузкой.
Диэлектрометрический метод основывается на том, что протекающие в диэлектрике процессы сопровождаются изменениями диэлектрической проницаемости, которые определяются по изменениям емкости конденсатора. Путем измерения диэлектрической проницаемости можно получить информацию о качестве и составе исследуемого вещества [8].
Для измерения диэлектрической проницаемости используется электроёмкостной метод. Его суть заключается в измерении емкости конденсатора, в который помещен объект контроля (в данном случае - минеральное
масло). Определение степени деградации рабочей жидкости гидропривода происходит косвенным путем, а именно с использованием зависимости емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости е:
С _ е •е 0 • $ (1)
а '
где а - расстояние между пластинами (толщина диэлектрика); $ - площадь электродов; е0 - диэлектрическая постоянная; е - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, помещенного в пространстве между пластинами конденсатора [7].
В качестве метода контроля предлагается непосредственное измерение емкости специального конденсатора, помещенного в рабочую жидкость гидросистемы (например, в гидробак), с использованием соответствующего микроконтроллерного измерительного устройства. Такой метод позволяет повысить оперативность проводимого контроля технического состояния рабочей жидкости. Кроме того, информационная система, основанная на данном методе измерения ёмкости измерительного конденсатора, позволит оценивать динамику изменения состояния рабочей жидкости в режиме реального масштаба времени.
Для контроля состояния рабочей жидкости предполагается использовать автоматизированную измерительную систему (АИС), которая будет собирать и обрабатывать информацию о текущем состоянии рабочей жидкости гидросистемы технологического оборудования (металлорежущего станка и др.) в течение всего его периода работы.
На рис. 3 приведена схема структуры АИС. Она состоит из измерительного конденсатора, помещенного в масло, аналогово-цифрового преобразователя, микроконтроллера, устройства отображения информации, а также устройств сопряжения АИС с системой управления станком.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Измерительный конденсатор, который постоянно погружен в минеральное масло, изменяет свою ёмкость в зависимости от изменения физико-химических свойств масла. Текущее значение ёмкости измерительного конденсатора через аналогово-цифровой преобразователь поступает далее в микроконтроллер.
Микроконтроллер рассчитывает значение диэлектрической проницаемости из величины измеренной ёмкости конденсатора при известных параметрах конденсатора (площади пластин, расстояние между платина-ми). Через определенные периоды интервалы времени рассчитанное значение диэлектрической проницаемости записывается в память микроконтроллера и сравнивается с предыдущим. Далее микроконтроллер рассчитывает параметр, показывающий степень ухудшения состояния масла за этот период. При превышении полученного значения диэлектрической проницаемости некоторого заданного максимального уровня, устройство подаст сигнал о необходимости замены рабочей жидкости.
Рис. 3. Функциональная схема автоматизированной измерительной системы диагностики рабочей жидкости гидросистемы
Лабораторные исследования изменения ёмкости измерительного конденсатора показали устойчивую корреляцию ёмкости в зависимости от степени загрязнения минерального масла. Рассмотренная АИС может быть интегрирована в конструкцию как новых технологических машин, так и уже эксплуатируемых. Оперативный анализ состояния рабочей жидкости на основе измерения её электрических параметров позволит повысить достоверность диагностики состояния рабочей жидкости и оптимизировать периодичность её замены.
Список литературы
1. Смирнов Ю.А., Волков В.С. Неисправности гидроприводов станков: Красочный альбом. М.: Машиностроение, 1980. 184 с.
2. Гидравлические решения EATON: инновации - интеграция - интеллект // Индустрия: межотраслевой информ.-аналит. журн. 2012. № 3. С. 42.
3. Техническая диагностика гидравлических приводов / Т.В. Алексеева , В.Д. Бабанская , Т.М. Башта. [и др.]; под общ. ред. Т.М. Башты. М.: Машиностроение, 1989. 264 с.
4. Коновалов В.М., Скрицкий В.Я., Рокшевский В. А. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков. М.: Машиностроение, 1976. 288 с.
5. Чмиль В.П. Гидропневмопривод: монография. СПбГАСУ. СПб., 2010. 176 с.
6. Трушин Н.Н. Организационно-технологическая структура производственного процесса на машиностроительном предприятии: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 230 с.
7. Борисова Г.А., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1979. 240 с.
8. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: учеб. для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.
Алаев Александр Сергеевич, студент, Sanya7oct@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., trunikolaiayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
AUTOMATION OF DIAGNOSTICS OF WORKING FLUID IN HYDROSYSTEMS OF METAL-CUTTING MACHINE TOOLS
A.S. Alaev, N.N. Trushin
Consideredfactors affecting the service life of the working fluid during its operation. Proposed a criterion for estimating the degradation of a fluid and a method of its measurement. Also considered automated system of diagnosis of the actual state of the working fluid for hydraulic system of the metal-cutting machine tools.
Key words: fluid drive, working fluid, contaminants, degradation criterion, permittivity, diagnosis.
Alaev Alexander Sergeevich, student, Sanya 7oct ayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, truniko-lai@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
