СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ РАЗМЕРОВ ЕДИНИЧНЫХ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛА В СИСТЕМЕ СМАЗКИ ПАР ТРЕНИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
METHOD OF DETECTING AND ESTIMATING SIZES OF SINGLE METAL PARTICLES IN LUBRICATION SYSTEM OF FRICTION PAIRS OF POWER PLANTS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам оперативного бортового контроля технического состояния работающего газотурбинного двигателя (ГТД) на наличие магнитных и немагнитных частиц металла (ЧМ) в потоке масла системы смазки, определения скорости потока масла, а также оценки размеров обнаруженных единичных частиц, и может быть использовано в авиации, газовой и нефтяной промышленности, электроэнергетике и других отраслях промышленности для диагностики состояния пар трения силовых установок, ремонта по состоянию и своевременного предотвращения аварийных ситуаций.
Известны способы обнаружения металлических частиц в масле, основанные на спектральном, сцинтилляционном, феррографическом, колориметрическом анализе, анализе методом радиоактивных изотопов и ряд других, имеющих довольно высокую информативность. (Машошин О.Ф. Диагностика авиационной техники. Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2007. - 141 с.)
Недостаток этих способов состоит в том, что они применяются лишь в лабораторных условиях и не пригодны для использования непосредственно на работающем двигателе. Кроме того, они не применяются для точной оценки размеров обнаруженных единичных частиц металла.
Известен способ обнаружения частиц металла в системе смазки узлов трения силовых установок с разбиением на группы по размерам частиц, в котором контроль потока масла осуществляют с помощью ЧЭ в виде одновиткового вихретокового датчика, а по величине измеренного напряжения в момент прохождения ЧМ через сечение ЧЭ определяют принадлежность зафиксированной частицы к определенной группе размеров: проводят построение градуировочных таблиц зависимости выходного сигнала датчика от радиального положения ЧМ в проходном канале датчика для различных диаметров частицы и по ним вычисляют вероятность принадлежности обнаруженной ЧМ к выделенным группам размеров, благодаря чему повышается информативность контроля масла на наличие ЧМ, а также проводят подсчет количества ЧМ в каждой группе размеров за заданный интервал времени (Патент РФ №2674577 Способ обнаружения частиц металла в системе смазки узлов трения силовых установок с разбиением на группы по размерам частиц, опубл. 11.12.2018 Бюл. №35).
Недостаток заключается в том, что способ позволяет определить вероятность отнесения обнаруженной частицы металла к определенной размерной группе частиц (большие, средние, мелкие), но не обеспечивает получения численного значения размера частицы металла.
1
2
1
2
Наиболее близким по технической сущности является способ обнаружения частиц металла в масле системы смазки узлов трения и определения скорости потока масла, в котором масло прокачивают через проходной канал датчика, преобразуют информацию о прохождении частицы металла по каналу датчика в электрический сигнал с помощью дифференциальной измерительной цепи, в которую включены два одновитковых вихретоковых чувствительных элемента ЧЭ и ЧЭ, смещенных относительно друг друга по направлению потока на заданное расстояние, выполняют идентификацию магнитных и немагнитных ЧМ, а также определяют скорость потока масла по известному расстоянию и времени прохождения ЧМ между ЧЭ и ЧЭ (Патент РФ №2668513 Способ обнаружения частиц металла в масле системы смазки узлов трения и определения скорости потока масла, опубл. 01.10.2018 Бюл. №28).
Недостаток способа заключается в том, что он не обеспечивает возможности получения численного значения размера обнаруженных частиц металла.
Целью изобретения является обеспечение возможности определения численного значения размера частицы металла, присутствующих в масле системы смазки подшипниковых узлов.
Указанная цель достигается тем, что в известный способ, заключающийся в:
- прокачке масла из системы смазки двигателя через проходной канал датчика обнаружения частиц металла;
1
2
- преобразовании информации о прохождении частицы металла по каналу датчика обнаружения частиц металла в электрический сигнал с помощью дифференциальной электрической цепи, в которую включены два одновитковых чувствительных элемента ЧЭ и ЧЭ, смещенных относительно друг друга на заданное расстояние h;
- регистрации частиц металла в потоке масла;
1
2
- идентификации магнитных или немагнитных частиц металла по совокупности двух последовательных разнополярных импульсов U и U в сигнале измерительной цепи, соответствующих времени похождения частицей металла первого и второго чувствительных элементов датчика обнаружения частиц металла;
- вычислении скорости элементарного потока масла V, в котором движется обнаруженная частица металла, по известному расстоянию и времени прохождения частицы металла между чувствительными элементами;
введены дополнительные операции:
0
- определение средней скорости потока масла V по информации с дополнительного датчика расхода;
в
0
- вычисление радиуса r, на котором частица металла пересекла сечение масляного канала датчика обнаружения частиц металла, охватываемого кольцевым контуром чувствительного элемента, по средней скорости V, заданному радиусу R трубопровода и известному закону гидродинамики, определяющему распределение скоростей элементарных потоков по сечению трубопровода при ламинарном течении масла;
1ext
в
1ext-гх
- вычисление размера d частицы металла по величине экстремального значения импульсного сигнала измерительной цепи U, по вычисленному радиусу r и ранее полученным экспериментальным градуировочным характеристикам - зависимостям амплитуды (экстремальных значений) импульсных сигналов измерительной цепи U (d, r) от размера d и радиального смещения r частицы металла.
Суть предлагаемого способа поясняется фигурами 1 и 2.
1
2
Поток масла 1 системы смазки подшипникового узла проходит через датчик расхода 2 и датчик обнаружения частиц металла 3 (фиг. 1). Два одновитковых вихретоковых чувствительных элемента 4 и 5 (ЧЭ и ЧЭ) датчика 3, охватывающие масляный канал датчика с радиусом R, включены в дифференциальную измерительную цепь 6. Информационный сигнал Р с датчика расхода 2 и информационный сигнал U с измерительной цепи 6 поступают в блок обработки информации 7.
Средняя скорость потока масла 1 системы смазки ГТД по трубопроводу радиусом R определяется по расходу Р масла в единицу времени на основе информации с датчика расхода 2
0
Скорость элементарных потоков масла по сечению трубопровода не одинакова. Скорость струи потока масла, в которой находится обнаруженная частица металла, в канале датчика 3 (фиг. 1) отличается от средней скорости потока масла V и зависит от того, на каком радиальном расстоянии r проходит траектория движения частицы металла от оси масляного канала. Движение масла в масляном канале датчика близко к ламинарному течению, для которого скорость движения масла в элементарном потоке в зависимости от радиального смещения r определяется выражением
(Теория тепломассообмена, М., Высшая школа, 1979,495 с.).
в
Зависимость (1) распределения скоростей используют для вычисления фактического радиуса r, на котором частица металла прошла сечения масляного канала, охватываемые контурами чувствительных элементов.
1ext
2ext
1
2
lext
Выходной сигнал U с измерительной цепи 6 при прохождении частицы металла по масляному каналу датчика 3 имеет вид двух последовательно идущих колоколообразных разнополярных импульсов, экстремальные значения U и U которых совпадают с моментом прохождения частицей металла сечений масляного канала, охватываемых соответственно контурами чувствительных элементов ЧЭ и ЧЭ. В блоке обработки информации 7 определяется фактическая скорость прохождения частицы металла V через масляный канал датчика и величина U.
n
lext
lext-rx
min
max
Поперечный размер (диаметр d) частицы металла вычисляют по величине сигнала измерительной цепи U и ранее полученным градуировочным характеристикам, определяющим зависимость выходного сигнала измерительной цепи U от радиального положения частицы металла в пределах от r=0 до r=R и от поперечного размера частиц металла, в пределах выбранного для контроля диапазона размеров от d до U. (фиг. 2).
lext-rx
Техническим результатом является существенное повышение информативности при регистрации металлических частиц износа в потоке масла системы смазки пар трения силовых установок, достигнутое за счет применения дополнительных операций по измерению средней скорости потока масла и вычислению радиального положения частицы металла относительно оси потока масла, что позволило при использовании заранее снятых градуировочных характеристик U (r,d) определить численное значение поперечного размера единичной частицы металла, и, следовательно, с большей достоверностью оценить фактическую степень износа деталей пар трения в системах диагностики опасных ситуаций на работающей силовой установке.