Резистивный метод и устройство контроля электрических параметров жидких смазочных материалов

На правах рукописи

ДАВЫДОВА НАДЕЖДА ВЛАДИМИРОВНА

РЕЗИСТИВНЫЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел - 2012 г.

Работа выполнена на кафедре «Приборостроение, метрология и сертификация» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ногачёва Татьяна Ивановна

Официальные оппоненты: Куценко Станислав Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»,

зав. кафедрой «Химия

Щекотихин Сергей Николаевич,

кандидат технических наук

Академии ФСО России,

ст. преподаватель кафедры №7

Ведущая организация: МГТУ им. Н.Э. Баумана

Защита состоится «17» апреля 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» по адресу: 302020, Россия, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»

Автореферат разослан «15» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.182.01,

кандидат технических наук, доцент __________ Волков В. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Подавляющее большинство машин и механизмов при своей работе используют смазочные материалы, от качества которых напрямую зависит их работоспособность и долговечность. Своевременная диагностика текущего состояния жидкого смазочного материала представляет важную задачу при решении широкого круга вопросов анализа качества горюче-смазочных материалов.

Качество смазочного материала зависит от множества физико-химических свойств, зачастую изменяющихся в процессе эксплуатации. Для оценки состояния любого смазочного материала ГОСТ 4.24-84 предлагает широкую номенклатуру показателей качества. При этом процедура определения качества смазочного материала по этим рекомендуемым показателям оказывается достаточно трудоёмкой и длительной, требующей наличия специально оборудованной лаборатории и квалифицированных специалистов.

Поэтому в настоящее время проводят поиск новых более доступных, простых и точных способов оценки текущего состояния смазочного материала. Для этих целей начинают активно использовать такие электрические показатели качества смазочных материалов как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, а также их частотные дисперсии, для которых можно найти функциональные или корреляционные связи между их значениями и значениями стандартных показателей их качества.

Существенный вклад в развитие этого направления внесли В.Ф. Кукоз, В.Д. Хула, А.В. Тарасов, Н.Г. Подгайный (ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)), В.Л. Лашхи, Г.И. Шор, В.А. Золотов (ФГУП «25 ГосНИИ МО РФ»), Б.В. Скворцова (СГАУ), Ю.Г. Подкин (ФГБОУ ВПО ИжГТУ), С.Н. Сычёв, Е.В. Пахолкин (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» г. Орел) и другие.

Однако одним из основных препятствий для широкого применения электрических параметров при диагностике состояния масел является невысокая точность методов их измерения. Так, например, широко используемые для измерения электрических параметров масел мостовые и резонансные методы позволяют получить достаточную точность измерения только на тех частотах, для которых изготовлены используемые в них образцовые реактивные элементы (катушки индуктивности и конденсаторы), при переходе на другие частоты рабочего диапазона точность этих методов снижается. При этом погрешность определения диэлектрической проницаемости достигает 5 %, а тангенса угла диэлектрических потерь 10 %. Так как диэлектрическая проницаемость при эксплуатации масла меняется не более чем на 30%, а тангенс угла диэлектрических потерь на 70%, то использование существующих методов измерения не позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать состояние смазочных масел. Кроме того существующие методы трудоемки, требуют балансировки или настройки в резонанс и не позволяют исследовать электрические параметры и их частотные дисперсии в тех случаях, когда эти параметры изменяются во времени. И, наконец, в настоящее время не существует методов, позволяющих исследовать дисперсию этих параметров в низкочастотной области.

Таким образом, вопрос разработки методов, позволяющих повысить точность и быстродействие, расширить рабочий частотный диапазон и упростить процедуру определения электрических параметров жидких смазочных материалов является весьма важным и актуальным. Решению этой задачи и посвящена диссертационная работа.

Объект исследования: резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов.

Предмет исследований: принципы реализации и метрологические характеристики резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов.

Целью диссертационной работы является повышение точности и быстродействия измерения электрических параметров жидких смазочных материалов, расширение рабочего частотного диапазона, упрощение процедуры измерения, обеспечение возможности исследования зависимостей электрических параметров жидких смазочных материалов от времени, температуры, напряженности и частоты электрического поля и т. д.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ существующих методов оценки качества смазочного материала с точки зрения их быстродействия, объективности, ширины рабочего частотного диапазона, обеспечения требуемой точности, простоты процесса измерения и его автоматизации;

2) обосновать принцип и способ реализации резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов без использования образцовых реактивных элементов;

3) провести теоретические исследования чувствительности и точности резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных масел, на основе которого разработать научно-обоснованные рекомендации по оптимизации режимов реализации резистивного метода, исходя из условия обеспечения наибольшей точности и чувствительности;

4) разработать методику определения электрических параметров жидких смазочных материалов: диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь резистивным методом;

5) разработать экспериментальную установку для апробации резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов;

6) провести экспериментальные исследования электрических параметров стандартных калибровочных жидкостей и смазочных масел резистивным методом с целью апробации метода и подтверждения достоверности заложенных в его основу теоретических положений и достижения улучшенных метрологических характеристик.

Методы и средства исследования. В работе используются методы анализа эквивалентных электрических схем при исследовании процессов протекающих в жидких диэлектриках под действием переменного электрического поля, математический аппарат теории статистики, спектрального анализа, численного и дифференциального исчисления, а также цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных средств измерения и на оригинальных установках, выполненных с использованием средств вычислительной техники.

Достоверность научных положений подтверждается корректностью использования математического аппарата, их практической реализацией и соответствием аналитических данных и выводов, полученных по итогам теоретических исследований, результатам обработки данных экспериментальных исследований.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:

разработан резистивный метод раздельного определения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления емкостной ячейки, заполненной жидким смазочным материалом, отличающийся тем, что вместо образцовых реактивных элементов в измерительную цепь последовательно с емкостной ячейкой включаются поочередно или одновременно два образцовых активных сопротивления, основанный на поочередном или одномоментном измерении отношений напряжений, создаваемых током, протекающим в измерительной цепи, на соответствующих участках этой цепи к напряжению, падающему на измеряемом сопротивлении емкостной ячейке, и позволяющий по результатам измерения отношений напряжений и значениям образцовых активных сопротивлений определять искомые составляющие сопротивления исследуемой емкостной ячейки;

– теоретически установлены зависимости между параметрами исследуемого смазочного материала, соотношениями образцовых активных сопротивлений, включаемых в измерительную цепь, реализующую резистивный метод, и его чувствительностью и точностью, позволяющими оптимизировать режим измерения;

– разработана методика определения электрических параметров жидких смазочных материалов: диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь резистивным методом.

Практическая ценность:

1. Разработаны резистивный метод и устройство контроля электрических параметров смазочных масел, защищенные патентами Российской Федерации на изобретения №2431855 и №2433416.

2. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по оптимизации режимов измерения резистивным методом.

3. Разработана методика определения электрических параметров жидких смазочных материалов: диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь резистивным методом.

4. Экспериментально обоснована возможность использования резистивного метода для исследования зависимостей электрических параметров жидких смазочных масел от времени, температуры, напряженности и частоты электрического поля и т.д.

5. Показана возможность использования резистивного метода контроля для оценки степени старения смазочных масел.

Результаты диссертации приняты к внедрению на ЗАО «Научприбор» и внедрены в ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» в учебный процесс при подготовке специалистов и бакалавров по специальности и направлению «Приборостроение». Кроме того отдельные результаты, полученные соискателем в рамках выполнения диссертационного исследования, использованы при выполнении финансируемых Минобрнауки России научных проектов « Разработка научной базы для технологий триботехнических испытаний и диагностики электрическими методами» по программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 г. № ГР 0120.0504036) и «Теория и принципы интеллектуализации электрических методов мониторинга узлов трения» ( в рамках формирования государственных заданий в высшем учебном заведении на 2012-2014 г.).

Положения, выносимые на защиту:

- резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов, включающий оригинальные принципы и способы его реализации без применения образцовых реактивных элементов;

- научно-обоснованные рекомендации по оптимизации режимов измерения резистивным методом, а также методика определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь смазочных материалов;

- принцип действия устройства, реализующего резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов, позволяющего уменьшить влияние паразитных емкостей и нелинейных искажений напряжения питания измерительной цепи.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 5 Международных конференциях и семинарах: Международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (Орел, 2006 г.); Международная 5-я научно-практическая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2006 г.); Международная школа-семинар молодых ученых «Проблемы экономики и менеджмента качества» (Тамбов, 2006 г.); Шестая международная научно-техническая конференция «Чкаловские чтения»( Егорьевск, 2007 г.); Международная научно-техническая интернет-конференция «Информационные системы и технологии 2011» (Орёл, 2011г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе два патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 243 страницах машинописного текста, иллюстрируется 43 рисунками, 59 таблицами (в том числе 34 в приложении), состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 186 наименований, 6 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту, а также сведения об апробации и реализации результатов работы.

В первой главе проведен анализ показателей качества смазочных материалов, характеризующих их физико-химические свойства, и методов их определения. Отмечено, что число таких показателей весьма велико (более 50). Учитывая обширную номенклатуру показателей и сложность испытаний по каждому из параметров, для отдельных видов масел, в зависимости от области применения, назначается свой ограничительный перечень показателей качественного состояния, но даже в этом случае процедура оценки качества смазочного материала оказывается достаточно трудоёмкой и длительной, требующей наличия специально оборудованной лаборатории и квалифицированных специалистов.

Другим существенным недостатком оценки качества смазочных материалов по отдельным единичным показателям (даже всего лишь по семи) является сложность сопоставления этих показателей на разных стадиях контроля или при выборе нужной смазки из нескольких аналогичных материалов. В связи с этим рассмотрены современные тенденции развития способов и подходов к оценке качества смазочных материалов. Анализ литературных источников, посвящённых методам исследования свойств смазочных масел, показал, что все чаще начинают использовать электрические параметры смазочных масел, для которых можно найти функциональную или корреляционную связь между их значениями и значениями стандартных показателей их качества.

Тенденция перехода к оценке качества смазочных масел по их электрическим параметрам объясняется большим опытом, накопленным в области электрических измерений, высоким быстродействием, возможностью непосредственного введения результатов измерения в информационно измерительные системы, позволяющие одновременно оценивать целый ряд электрических параметров, а также исследовать зависимости последних от влияющих факторов.

Во второй главе рассмотрены электрические эквивалентные схемы емкостной измерительной ячейки, частично заполненной жидким смазочным материалом, позволяющей уменьшить влияние «выпучивания» электрического поля, и основные выражения для расчета электрических параметров исследуемой жидкости.

Проведен анализ электрических методов, наиболее часто применяемых для определения электрических параметров жидких диэлектриков. На основании анализа литературных источников предложено разделить все методы на две группы: методы с применением образцовых реактивных элементов (катушек индуктивности и конденсаторов) и методы без применения образцовых реактивных элементов. В первой группе рассмотрены мостовой и резонансный методы. Показано, что применение того или иного метода, в первую очередь, обусловлено диапазоном частот, в котором проводятся измерения. Мостовые методы применяются преимущественно на низких частотах, так как на высоких частотах велико влияние паразитных емкостей. Резонансные методы используются на высоких частотах, причём точность измерения повышается с уменьшением угла диэлектрических потерь. Во второй группе рассмотрен метод вольтметра-амперметра и его различные модернизированные варианты.

Наиболее перспективным вариантом модернизированного метода вольтметра-амперметра является резистивный метод, сущность которого заключается в том, что измерительная ячейка с исследуемым материалом включается в резистивную цепь, не содержащую других реактивных элементов кроме исследуемой ячейки, и последующем измерении напряжений на соответствующих участка измерительной цепи. Основным препятствием в использовании резистивного метода является невысокая точность определения электрических параметров жидких смазочных материалов, важной особенностью которых является широкий диапазон изменения значений диэлектрической проницаемости (от 2 до 6) и тангенса угла диэлектрических потерь (от 10-3 до 1).

В третьей главе проведен теоретический анализ особенностей резистивного метода определения электрических параметров жидких диэлектриков, помещенных в измерительную емкостную ячейку. Разработаны четыре варианта схем и устройство, позволяющие реализовать резистивный метод.

Рисунок 1 - Резистивный метод поочерёдного измерения напряжения на ячейке при RI=R1 и RII=(R1+R2) (Патент №2431855.)	Рисунок 2 - Резистивный метод поочерёдного измерения напряжения на ячейке при RI=R1 и RII=R2	Рисунок 3 - Резистивный метод поочерёдного измерения напряжения на ячейке при RI=R1 и	Рисунок 4 - Резистивный метод одновременного измерения всех напряжений (Патент №2433416)