CC BY
15
УДК 621.892
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ТРИБОМОНИТОРИНГА
УЗЛОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
© 2011 г. В.Ф. Кукоз, Ю.Г. Асцатуров, А.В. Ременцов, М.В. Хулла
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Разработана конструкция устройства для непрерывного измерения износа вала сальниковым уплотнением, показан принцип его работы. Предложены схемы устройства трибомониторинга состояния узла трения и устройства для измерения величины и скорости отклонения диэлектрических прони-цаемостей нового и эксплуатируемого смазочных материалов.
Ключевые слова: устройство; трибомониторинг; износ; трение; смазка; сальниковое уплотнение.
The constructions of the device for uninterrupted measurement of wearing out the spindle by oil sealed gland has been worked out, the principle of its work has been shown. The schemes of tribomonitoring of the conditions of the junction of friction and the device for measurement of the value and velocity of deviation of dielectric penetrabilities of the new and exploited lubricating materials have been offered.
Keywords: device tribomonitoring; wear; friction; lubrication; stuffing box packing.
Одним из перспективных направлений ускоренного развития экономики нашей страны на данный момент является разработка инновационных технологий материального производства, включающих обработку материалов, трибологию, робототехнику, диагностику, испытания и контроль в машинах.
Решение проблем трения, смазки и износа стало важнейшим фактором повышения надежности и ресурса эксплуатации машин, с узлами с относительным перемещением их деталей.
В настоящее время в связи с интенсивным развитием мирового машиностроения различных областей применения, включая разработки для космической отрасли, вопросы трения, смазки и износа стали весьма актуальными, а их непосредственное решение занимает первоочередные места.
Такое положение обусловлено рядом причин.
Во-первых, со временем в технически развитых странах мира происходит усовершенствование и постоянное увеличение сложных машиностроительных комплексов, причем выход из строя хотя бы одного звена оборачивается колоссальными материальными и трудовыми затратами.
Во-вторых, растет производительность создаваемых технологических комплексов, также увеличивается потребность в оборудовании, способном работать в сложных, агрессивных условиях [1].
В-третьих, существует необходимость в создании такого оборудования, которое имело бы достаточно большой срок службы при высоких скоростях, нагрузках, температурах, а также в космосе.
Все это невозможно без применения деталей, имеющих высокие физико-механические характеристики, в частности поверхностных слоев высокого качества, поскольку эти детали должны обладать из-
носо-коррозионной и радиационной стойкостью, а также другими эксплутационными характеристиками.
Ужесточение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев стимулировало развитие новых методов их модификации различными видами технологической обработки.
Кроме того, развитие науки о трении и изнашивании твердых тел показало, что во многих случаях в контакте трущихся тел наблюдается адаптация их материалов к условиям трения за счет протекания гаммы физических и химических процессов, стимулируемых энергией, рассеиваемой в контакте при трении. При этом, как и в случае поверхностной модификации технологическими средствами, создаются специальные поверхностные структуры, реализующие низкий и стабильный коэффициент трения при высокой износостойкости.
Большинство отказов в работе машин и подобных устройств происходит в результате износа и разрушения деталей в узлах трения, в основном, начинается с поверхностного слоя. Поэтому закономерно, что на первый план выступают вопросы, связанные с необходимостью непрерывного мониторинга работы узлов трения, с целью контроля износа пар трения, и в дальнейшем повышении их долговечности, износостойкости и разработки новых материалов для их изготовления.
Одним из методов повышения износостойкости является формирование в процессе механообработки с использованием смазочно-охлаждающих технологических сред характеристик поверхностного слоя с заранее заданными эксплуатационными свойствами, близкими к приработочным [2].
Эффективность и долговечность работы машин и агрегатов, имеющих вращающиеся детали, во многом
зависит от надежности работы пары трения «сальниковое (манжетное) уплотнение - вал», т.е. от характеристик поверхностного слоя детали, режима работы, типа и качества применяемых уплотнений, а также состава среды функционирования этих устройств.
Оптимизация условий эксплуатации и причин поломок центробежных лопастных насосов серии НФ ставит задачи мониторинга износа пары трения «втулка - сальниковое уплотнение», с целью дальнейшей минимизации износа за счет более рациональных режимов резания при изготовлении втулок в процессе проведения капитального ремонта.
При одновременном действии коррозии (вследствие агрессивного состава стоков) и циклических механических воздействий прочность металлических деталей насоса быстро снижается.
Авторами предложено устройство для непрерывного измерения износа вала сальниковым уплотнением. Схема устройства показана на рис. 1.
Устройство состоит из корпуса 7, имеющего внутреннюю полость 10 для смазывающей жидкости. Внутри корпуса размещены основное 5 и вспомогательное 13 сальниковые уплотнения. Сальниковые уплотнения с боков фиксируются шайбами 4, 6, 11, 14. Осевые давления на сальниковые уплотнения 5 и 13 регулируются соответственно прижимными гайками 3 и 15, которые снабжены отверстиями для специального ключа.
Радиальные давления на сальниковые уплотнения 5 и 13 регулируются соответственно болтами 3 и 15 на хомутах. Винт 9 служит для герметизации полости 10. Сальниковые уплотнения 5 и 13 контактируют с валом 1 , который выполнен полым для размещения в нем электронной части устройства.
По вращающемуся валу 1 с помощью щеточных
контактов 2 и 16 пропускается постоянный ток от генератора тока 8. К внутренней поверхности вала 1 припаяны три проводника, подключенные к дифференциальному усилителю 21. Места контактов проводников К1, К2, КЗ выбраны так, чтобы между контактами К1 и К2 находилась зона износа вала основным сальниковым уплотнением, а между контактами К2 и К3 находилась зона вала, не подверженная износу. Напряжения на участках вала между контактами К1 и К2 и контактами К2 и К3 вычитаются дифференциальным усилителем 21 , который перед началом испытаний регулируется так, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. В процессе износа вала возрастает электрическое сопротивление вала на участке между контактами К1 и К2, а при постоянном значении тока, протекающего по валу, возрастает напряжение между контактами К1 и К2. Это приводит к появлению сигнала на выходе дифференциального усилителя 21. К выходу дифференциального усилителя 21 подключен модулятор 20, который осуществляет частотную модуляцию сигнала. Промодулирован-ный по частоте сигнал усиливается усилителем мощности 19. К выходу усилителя мощности 19 подключен излучатель света 18, размещенный в центре вала.
Промодулированный световой поток 17 поступает на фотоприемник 22, сигнал с выхода которого усиливается усилителем 23. После усилителя сигнал де-модулируется демодулятором 24, а затем после усиления усилителем 25 поступает на регистрирующий прибор 26 [3].
Разработанное устройство может быть применено на заводах, изготавливающих насосы, манжетные уплотнения валов, а также на предприятиях, занимающихся вопросами совершенствования этих уплотнений.
6
7
9 10 11 12 13
21 20 19 18
-W
22 23 24 25 26
Рис. 1. Схема устройства для измерения износа вала 39
Осуществляя постоянный контроль состояния узла трения «вал - уплотнение», подшипниковых и других фрикционных узлов, своевременно проводя работы по продлению их ресурса, можно в значительной степени снизить затраты на ремонтные работы и простои оборудования, предотвратить аварийные ситуации, тем самым повысив общий уровень промышленной и экологической безопасности [4]. Контроль фрикционных узлов без их разборки можно проводить, анализируя свойства и состав соответствующих смазок, т.е. осуществляя непрерывный трибомонито-ринг [5].
Другой способ оценки узла трения может быть основан на установлении количественных и качественных показателей загрязнений масла. С этой целью можно успешно применять метод диэлектрометрии, вследствие того, что диэлектрическая проницаемость масел, да и любых других технологических жидкостей, изменяется в результате попадания в них частиц износа и компонентов окружающей среды. Существующие методы измерения диэлектрической проницаемости дают возможность проводить измерения в жидкостных резервуарах работающих машин в реальном масштабе времени. Это превращает рассматриваемый способ в метод экспресс-мониторинга состояния трибоузлов, позволяющий непрерывно в процессе работы механизма оценивать состояние и ресурс трибоузлов.
Наиболее простым и распространенным методом измерения диэлектрической проницаемости является способ, использующий изменение ёмкости конденсатора, между обкладками которого помещается исследуемая жидкость. Однако работа реальных машин, содержащих узлы трения, может сопровождаться проявлением целого ряда других факторов, влияющих на диэлектрическую проницаемость технологических жидкостей.
Диэлектрическая проницаемость жидкости, а следовательно, ёмкость датчика в жидкостной магистрали, изменяется не только в зависимости от степени загрязнения используемой жидкости, но и при смене смазочных жидкостей. Например, при переходе от синтетического масла к минеральному и наоборот.
Известно, что масла (и другие технологические жидкости) разных марок и разных производителей содержат разный набор присадок, состав которых к тому же зачастую не оглашается. Поэтому различаются и диэлектрические проницаемости различных не эксплуатируемых масел. Это приводит к тому, что при заполнении системы маслами, не содержащими продуктов эксплуатационного износа оборудования, разных марок и разных производителей, мы будем иметь различную ёмкость датчика.
Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на диэлектрическую проницаемость, является также изменение температуры при работе механизма. Кроме того, сама жидкость, находясь в контакте с деталями трибосистем механизмов и аппаратов, нагретыми зачастую до весьма высоких температур, возможно, контактирует с атмосферой, изменяет свои свойства, окисляется, стареет и, как следствие, также изменяет свою диэлектрическую проницаемость. В
результате действия всех этих факторов возникает неоднозначность соответствия информации емкостного датчика степени износа узлов машин. Поэтому диэлектрические проницаемости различных новых масел различаются. Отсюда возникает неоднозначность соответствия информации емкостного датчика степени износа пар трения.
Решение задачи получения достоверной информации о влиянии примесей на диэлектрическую проницаемость жидкости в обсуждаемой ситуации возможно при использовании двойных (дифференциальных) ёмкостных датчиков [6]. При этом измеряют не абсолютное значение ёмкости конденсатора датчика, а её значение относительно ёмкости такого же конденсатора, содержащего такую же жидкость, но не используемую машиной, т.е. не смешивающуюся с жидкостью в жидкостном контуре машины. Второй конденсатор заправляют той же технологической жидкостью. Жидкость в конденсаторе сравнения, как и рабочая жидкость, может иметь связь с атмосферой, или герметизироваться, аналогично условиям эксплуатации рабочей жидкости.
Конденсатор сравнения и жидкость между его обкладками могут находиться в тепловом контакте с контуром рабочей жидкости, и, следовательно, технологическая жидкость будет иметь ту же температуру и продолжительность работы при той же температуре, что и рабочая жидкость. Различие в условиях эксплуатации технологических жидкостей в этих конденсаторах заключается только в том, что в конденсаторе сравнения жидкость не омывает работающие узлы машин и механизмов. Но она того же состава, той же температуры, так же окисляется, стареет, оводняется, как и рабочая жидкость, которая используется машиной.
При проведении измерений по описанному методу основной причиной различия ёмкостей конденсаторов датчика, а следовательно, и диэлектрических прони-цаемостей жидкостей между их обкладками, является только содержание в рабочей жидкости продуктов износа омываемых ею трибоузлов соответствующих систем. Измерение отношения эксплуатируемых емкостей позволяет проводить достоверный мониторинг состояния этих узлов, их износа, а следовательно, остаточного ресурса систем, контролируя величину и скорость отклонения отношения ёмкостей от эталонных значений, полученных, например, для неработав-шей и максимально загрязненной жидкости, используемой машиной.
Схематически устройство, использующее описанный принцип, представлено на рис. 2.
Конденсатор сравнения С2 находится в объёме, заполненном такой же жидкостью, что и жидкостная магистраль машины, но отделенном от неё, в результате чего жидкости не смешиваются. Между жидкостями в конденсаторах С2 и С1, возможен только тепловой контакт.
Схема, с помощью которой измеряют величину и скорость отклонения диэлектрических проницаемо-
стеи жидкостей, в том числе и смазочного механизма, в конденсаторах С1 и С2 представлена на рис. 3.
Выводы для измерения
емкости
Рис. 2. Схема устройства для мониторинга состояния узла трения
Конденсаторы ,С1 С2
Начальная установка нуля
Переменное напряжение
Сигнал, зависящий от наличия и свойств примесей
Рис. 3. Схема устройства для измерения величины и скорости отклонения диэлектрических проницаемостей нового и эксплуатируемого смазочного механизма
Измерение осуществляют путем контроля отношения ёмкости рабочего конденсатора С1 к ёмкости конденсатора сравнения С2 при помощи мостовой схемы, которая балансируется во время заправки системы жидкостью. В этот момент в рабочей жидкости частицы износа ещё отсутствуют, температуры жидкостей одинаковы, поэтому диэлектрическая проницаемость жидкостей в обоих конденсаторах одинакова. Под балансировкой понимается начальная установка нулевого напряжения на выходных контактах при помощи переменного резистора. Мост питается
Поступила в редакцию
переменным напряжением. При работе машины или аппарата происходит загрязнение рабочей жидкости продуктами износа, в то время как жидкость в конденсаторе сравнения, не смешиваясь с рабочей жидкостью, таких продуктов износа не содержит. В результате ёмкости конденсаторов в ходе эксплуатации машины изменяются на различную величину и мост разбалансировывается. Величина напряжения разбаланса пропорциональна концентрации частиц износа в жидкости и в конечном счете определяет степень износа узлов, омываемых этой жидкостью. Измеряя это напряжение и сравнивая его с напряжением, полученным для нерабочей и максимально загрязненной жидкости, можно оценить степень износа и остаточный ресурс узлов машины, омываемых данной технологической жидкостью [7].
Системы трибомониторинга, основанные на измерении диэлектрической проницаемости жидкости, способны осуществлять непрерывный контроль и анализ неисправностей и отклонения от нормального режима систем смазки двигателя, систем гидравлики, охлаждения и других систем, использующих технические жидкости. Это позволит своевременно осуществлять ремонтные работы в соответствии с реальным техническим состоянием машины.
Литература
1. Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. М., 1978. 213 с.
2. Кукоз В.Ф. Вопросы теории и практики трибоэлектрохи-мии. Ростов н/Д., 2004. 292 с.
3. Пат. 2270434 RU С2 G 01 N 3/56. Устройство для непрерывного измерения износа вала сальниковым уплотнением.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин) : учебник; 5-е изд., пере-раб. и доп. М., 2002. 632 с.
5. Кукоз Ф.И., Кукоз В.Ф., Хулла В.Д. Проблемные вопросы трибоэлектрохимии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Проблемы трибоэлектрохимии. 2005. Спецвыпуск. С. 15 - 17.
6. Хулла В.Д. Электрохимический трибомониторинг. Ростов н/Д., 2006. 184 с.
7. Пат. 2310187 RU G 01 N 15/06. Способы контроля технического состояния машин и механизмов.
12 мая 2011 г.
Кукоз Виктор Федорович - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-928-759-65-15. E-mail: [email protected] Асцатуров Юрий Георгиевич - канд. техн. наук, доцент, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (НПИ). Тел. 8-928-156-441. E-mail: [email protected] Ременцов Александр Владимирович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-905-439-93-06. E-mail: [email protected] Хулла Марина Владимировна - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-908-485-43-02.
Kukoz Victor Theodorovitch - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-928-759-65-15. E-mail: [email protected] Astsaturov Yuri Georgievitch - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Shakhty Institute (branch) South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-928-156-441. E-mail: [email protected] Rementsov Alexander Vladimirovitch - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-905-439-93-06. E-mail: [email protected]
Khulla Marina Vladimirovirovna - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-908-485-43-02._
