Научная статья на тему 'Разработка оптико-электронного устройства для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами'

Разработка оптико-электронного устройства для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
239
39
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРИБОМОНИТОРИНГ / ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО / ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ / МОТОРНЫЕ МАСЛА / МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЁННОСТИ / TRIBOMONITORING / ELECTROOPTICAL DEVICE / INTERNAL COMBUSTION ENGINE / MOTOR OILS / METHODS FOR ANALYZING CONTAMINATION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Асцатуров Юрий Георгиевич, Семенов Владимир Владимирович, Ханжонков Юрий Борисович

Предложено новое устройство для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами. Для повышения информативности данных для оценки концентрации загрязнений в устройстве используются оптический и ультразвуковой методы анализа загрязнённости моторных масел.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Асцатуров Юрий Георгиевич, Семенов Владимир Владимирович, Ханжонков Юрий Борисович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of electrooptical device for analysis of motor oil contamination of the internal combustion engine with disperse particles

A new device is offered for the analysis of motor oil contamination of the internal combustion engine with dispersed particles. Optical and ultrasonic methods for analyzing contamination of motor oils are used to obtain more informative data to estimate the concentration of pollutants in the device.

Текст научной работы на тему «Разработка оптико-электронного устройства для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами»

Разработка оптико-электронного устройства для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами

Ю. Г. Асцатуров, В.В. Семенов, Ю.Б. Ханжонков

В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей можно, в значительной степени, снизить затраты на ремонтные работы и простои, и предотвратить аварийные ситуации, путем осуществления постоянного контроля состояния фрикционных узлов и своевременно проводя работы по продлению их ресурса. Такой контроль узлов ДВС без их разборки можно осуществлять, анализируя свойства и состав моторных масел, т.е. проводя их непрерывный трибомониторинг [1 - 3].

В последние годы определилась тенденция создания трибомониторинговых систем нового поколения. Они позволяют вести комплексный непрерывный мониторинг в режиме реального времени для чего машины оснащают средствами встроенного (бортового) контроля трибоузлов с помощью датчиков, анализирующих количественный и качественный состав и размеры частиц износа, выделяемых в потоке масла. Такая методика относится к передовому подходу обслуживания оборудования - «обслуживание по его фактическому состоянию». При этом система технического сервиса оборудования ориентируется на проведение ремонтных работ не через заранее запланированные интервалы времени, а по мере необходимости, в соответствии с его техническим состоянием. Как известно, такой подход позволяет снизить затраты на обслуживание до 70 %, устранить отказы и простои оборудования, значительно сократить издержки на запасные части. Применение таких мониторинговых систем нового поколения является особенно актуальным на фоне продолжающегося старения основных производственных фондов в России, что требует

значительных средств для поддержания их работоспособности традиционными способами [4 - 10].

Фрикционные узлы и система смазки ДВС подвергаются наиболее агрессивным воздействиям по сравнению с большинством других трибосистем. Для мониторинга загрязнения масла в такой трибосистеме следует контролировать:

- уровень продуктов износа смазываемых фрикционных поверхностей;

- топливное загрязнение (растворением);

- загрязнение за счет утечки хладагента;

- загрязнение за счет чрезмерного накопления сажи;

- проникновение загрязнений извне, определяемое повышенным уровнем кремния в используемом масле;

- количество конденсирующейся в масляной системе воды;

- изменение основных характеристик масла за счет окисления, старения, взаимодействия с водой и других факторов [1, 6, 7, 11].

По ГОСТ 10541-78 содержание механических примесей в чистых моторных маслах должно быть не выше 0,015%. Предельным показателем содержания механических примесей в работающих маслах являются значения от 1 до 3% в зависимости от типа двигателя.

Известно [11, 12], что с увеличением срока эксплуатации масла, в нём увеличивается количество механических примесей, в том числе взвешенных частиц металлической (продукты износа деталей цилиндропоршневой группы) и угарной (нерастворимые продукты окисления) природы. При этом частицы угарной природы распределены в слое масла равномерно, а частицы металлической природы, как частицы с большей плотностью, распределены в основном в нижних слоях масла в картере при выключенном двигателе.

Способы анализа загрязнений масел могут быть основаны на различных методах: виброакустическом, электрическом, оптическом, спектральном и др.[1, 13 - 15]. Однако эти способы и устройства, их реализующие, обладают определенными недостатками, в частности,

недостаточной информативностью. Авторами разработан эффективный способ анализа моторных масел, позволяющий проводить интегральную оценку того, является ли загрязнение масла результатом износа деталей двигателя с образованием в масле металлических частиц или же оно носит характер старения масла с образованием в нём угарных частиц [16].

Принцип предлагаемого технического решения поясняется с помощью структурной схемы устройства для определения параметров дисперсных частиц, находящихся в масле картера двигателя, реализующего данный способ. Устройство представлено на рис.1.

3 11 30

*-<г

X

*—

14

*-(г

12

14 15

16

17

/

14

18

13

/

19 24

Ук Г-7^

29

У-

20 25

■А г-т2

21

т

/

26

22 27

23 28

Рис. 1. - Структурная схема устройства для определения параметров дисперсных частиц

Устройство, реализующее предложенный способ, формирует три измерительных канала: эталонный канал - в кювете с чистым маслом 1; измерительный канал контроля угарных частиц, расположенный ниже верхнего уровня масла 4 на высоте минимального уровня масла 5 в картере двигателя 3; измерительный канал контроля металлических частиц, расположенный внизу масляного поддона картера двигателя. Устройство содержит эталонную кювету с чистым маслом 1; лазер 13 в качестве источника зондирующего излучения; смотровые окна 6; светоделители (полупрозрачные зеркала) 12; световую ловушку 11; объективы 14; фотоприёмники 15, 17, 18; датчик температуры 9; ультразвуковой излучатель канала контроля угарных частиц 7; ультразвуковой излучатель канала контроля металлических частиц 8; ультразвуковой излучатель эталонного канала 10; усилители 19, 20, 21, 23; аналого-цифровые преобразователи 24, 25, 26, 28; цифроаналоговой преобразователь 27; генератор ультразвуковых колебаний 22; коммутатор 16; электронно-вычислительную машину 29. Оптическая часть устройства помещена в корпус 30, защищенный от посторонней засветки и от попадания пыли и влаги.

Устройство функционирует следующим образом. Исследуемая дисперсная система 2 контактирует с зондирующим излучением с длиной волны Л, которое генерируется лазером 13 и ультразвуковыми колебаниями, формируемыми излучателями ультразвуковых колебаний 7, 8, 10, соответственно, в измерительных каналах контроля: угарных частиц, металлических частиц и в эталонном. Через светоделители 12 зондирующее излучение через смотровые окна 6 подводится к дисперсионной среде (сплошной фазе) 2. При прохождении этой волны через исследуемую дисперсную систему происходит рассеяние, отражение и поглощение излучения. Рассеянное и отраженное (под малыми углами относительно направления распространения) от дисперсных частиц 2 излучение проходит через смотровые окна 6 и попадает на светоделители 12, которые направляют его на объективы 14. Объективы 14 проецируют излучение непосредственно

на фотоприёмники 15, 17, 18, соответственно, измерительных каналов контроля угарных частиц, металлических частиц и эталонного канала. Далее аналоговый сигнал с фотоприёмников усиливается в усилителях 19, 20, 23 и преобразуется к цифровому виду при помощи аналого-цифровых преобразователей 24, 25, 28, и поступает для дальнейшей обработки и регистрации на ЭВМ 29. Для контроля изменения температуры масла в картере двигателя внутреннего сгорания введен датчик температуры 9, информация с которого через усилитель 21 и АЦП 26 так же поступает в ЭВМ 29. ЭВМ координирует работу всех узлов системы. Она управляет процессом оцифровки сигнала с фотоприёмников и датчика температуры посредством аналого-цифровых преобразователей 24, 25, 26, 28; управляет работой ультразвукового генератора 22 через цифроаналоговый преобразователь 27 и коммутатор 16, обрабатывает и регистрирует результаты измерений. ЭВМ, используя математическую модель оптимального взаимодействия ультразвуковых колебаний с дисперсными частицами, рассчитывает параметры воздействующих импульсов таким образом, чтобы колебания поверхности дисперсной частицы происходили по гармоническому закону с собственной частотой ^ При этом учитывается температура дисперсной системы и характерное время затухания колебаний дисперсных частиц за счет вязких сил.

Устройство начинает функционировать в момент включения зажигания. Его работа делится на три периода: период старта, период разогрева двигателя, период нормальной эксплуатации двигателя при рабочей температуре.

В первом периоде при включении зажигания в зависимости от температуры масла выбирается частота ультразвуковых излучателей, затем попеременно проводится опрос измерительных каналов: эталонного канала -канала контроля металлических частиц и эталонного канала - канала контроля угарных частиц для выявления процентного содержания угарных и металлических частиц.

При разогреве двигателя, в зависимости от температуры масла меняется частота ультразвуковых колебаний, затем, как и в первом периоде, попеременно проводится опрос измерительных каналов: эталонного канала -канала контроля металлических частиц и эталонного канала - канала контроля угарных частиц для выявления процентного содержания угарных и металлических частиц.

На третьем отрезке времени в зависимости от температуры масла устанавливается частота ультразвуковых излучателей, и затем попеременно проводится опрос измерительных каналов: эталонного канала - канала контроля металлических частиц и эталонного канала - канал контроля угарных частиц для фиксации резкого увеличения процентного содержания угарных и металлических частиц в моторном масле.

Кроме этого, постоянно проводится контроль соотношений между усредненными сигналами эталонного канала и канала контроля металлических частиц, и сигналами эталонного канала и канала контроля угарных частиц для определения интегрального показателя загрязненности моторного масла в соответствии с существующими стандартами.

Таким образом, рассмотренное оптико-электронное устройство, позволяет существенно повысить информативность данных для оценки концентрации взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в масле, и в частности, дает возможность контролировать качество работы двигателя, оставшийся ресурс работы масла до его замены. Данное устройство может быть использовано не только при эксплуатации ДВС, но и на стадии их испытаний.

Литература:

1. Хулла, В. Д. Электрохимический трибомониторинг [Текст]: Монография /В.Д. Хулла. - Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион», 2006. - 184 с.

2. Ступин, В.Е. Тенденции интеграции радиотехнических и мехатронных средств [Электронный ресурс]// «Инженерный вестник Дона. Научные исследования и разработки», 2007. - №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2007/39 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

3. Семенов В.В., Асцатуров Ю.Г., Ханжонков Ю.Б. Совершенствование устройств для трибомониторинга узлов машин и механизмов с применением оптоэлектроники [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013. - №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y 2013/ 1541 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

4. Voynov K.N., Shwarts M.A., Belyh V.V. Prognostication and estimation of the residual period of operation for pair of friction. In Zakopane, International conf. KONMOT, vol.2, Poland. 21-30.09.2004, pр. 651-656.

5. Кукоз В.Ф., Шкрет Л.Я., Подгайный Н.Г., Балакай В.И. Экспресс-оценка эксплуатационных свойств моторного масла [Текст] // Проблемы исследования и проектирования машин: сб. ст. II Междунар. науч.-техн. конф., г. Пенза, 28-29 ноября 2006 г. - Пенза: Изд-во АНОО «Приволжский Дом знаний».- С. 180-183.

6. Кукоз В.Ф., Шкрет Л.Я., Мамаев Н.М. Условия работы и качество моторного масла [Текст] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - Спецвыпуск: Проблемы электрохимии. - С. 109-110.

7. Хулла В.Д., Кукоз В.Ф., Подгайный Н.Г., Хулла М.В. Технические смазочные масла - объект электрохимического трибомониторинга [Текст] //Динамика технологических систем: тр. Междунар. науч.-техн. конф./Донск. гос. техн. ун-т. - Ростов н/Д, 2007. - С. 46-50.

8. Способ контроля технического состояния машин и механизмов [Текст] : пат. 2310187 Рос. Федерация : МПК G01N 15/06 /Хулла В.Д., Кукоз Ф.И., Хулла М.В., Кукоз В.Ф.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)». - № 2006116805/28 ; заявл. 16.05.06 ; опубл. 10.11.07, Бюл. № 31.

9. Кукоз В.Ф., Хулла В.Д., Тарасов А.В., Подгайный Н.Г. Экспресс-метод оценки работоспособности моторных масел [Текст] //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2007. - №3. - С. 75-76.

10. Хулла В.Д., Кукоз В.Ф., Подгайный Н.Г., Тарасов А.В. Экспресс-трибомониторинг технического состояния машин и механизмов [Текст] //Вестник РГУПС. Ростов н/Д. 2007. - № 4. - С. 10-14.

11. Корнеев, С.В. Критерии работоспособности моторных масел [Текст] //Строительно-дорожные машины. - 2004. - № 4. - С. 28-29.

12. Гармаш С.Н., Решенкин А.С. Новый принцип контроля состояния автомобильных масел в процессе эксплуатации [Текст] //Автомобильная промышленность. - 2005. - № 9. - С. 30-32.

13. Ермаков, О.Н. Прикладная оптоэлектроника [Текст] / О.Н. Ермаков. - Москва: Техносфера, 2004 - 416 с.

14. Семенов В.В., Ханжонков Ю.Б., Асцатуров Ю.Г. Оценка потенциальной опасности возникновения поллинозов телевизионным анализатором аэрозолей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012.- №4 (часть 1). Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1278 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

15. Dickey F.M., Holswade S.C., Hornak L.A., Brown K.S. OPTICAL METHODS FOR MICROMACHINE MONITORING AND FEEDBACK. Sensors and Actuators A: Physical. 1999. Т. 78. № 2-3. рр. 220-235.

16. Способ анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами [Текст] : пат. № 2498269 Рос. Федерация: МПК G01N15/02 / Семенов В.В., Ханжонков Ю.Б., Асцатуров Ю.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса». - № 2012115075/28; заявл. 16.04.12; опубл. 10.11.13, Бюл. № 31.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.