Многоканальный вихретоковый преобразователь встроенного контроля параметров дисперсной фазы технологических жидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Гудков Станислав Анатольевич

• Гудков Станислав Анатольевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Гудков Станислав Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В В ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ

1.1 Анализ механизмов формирования и параметров частиц износа

1.2 Анализ влияния частиц износа на работу жидкостных систем

1.3 Обзор методов контроля частиц износа в жидкостных системах

1.4 Контроль параметров частиц износа вихретоковым методом

Выводы

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ИЗНОСА С ВИХРЕТОКОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

2.1 Обзор теоретических исследований в области электромагнитной идентификации проводящих объектов

2.2 Анализ взаимодействия проходного вихретокового преобразователя с металлическими частицами износа

2.2.1 Математическая модель системы «вихретоковый преобразователь -частица износа»

2.2.1.1 А-формулировка краевой задачи

2.2.1.2 Т, О-формулировка краевой задачи

2.3 Анализ системы «проходной ВТП - частица износа» методом конечных элементов

2.4 Расчет и анализ характеристик вихретоковых преобразователей при их взаимодействии с металлическими частицами износа на основе метода конечных элементов

2.4.1 Анализ годографа вносимого сопротивления немагнитной частицы

2

2.4.2 Анализ годографа вносимого сопротивления магнитной частицы

2.5 Анализ влияния радиального смещения частицы износа на вносимые параметры

2.6 Анализ влияния скорости движения частицы износа по каналу ВТП на вносимые параметры

2.7 Анализ влияния совпадения частиц износа на величину вносимого сопротивления

Выводы

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЗАДАЧЕ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

3.1 Методы повышения точности вихретоковых измерений

3.1.1 Метод накопления

3.1.1.1 Метод когерентного накопления

3.1.2 Корреляционный метод выделения сигнала с обмоток МВТП

3.1.3 Поточный алгоритм выделения информации о параметрах дисперсной фазы из выходного сигнала МВТП

3.2 Методы определения параметров дисперсной фазы с помощью обработки сигналов с МВТП

3.2.1 Двухчастотный фазовый метод

3.2.2 Двухчастотный амплитудный метод

3.2.3 Выбор частот тока возбуждения МВТП

Выводы

ГЛАВА 4 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВК НА ОСНОВЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4.1 Погрешность определения счетной концентрации

4.1.1 Погрешность определения объема проанализированной жидкости

4.1.2 Погрешность определения счетной концентрации частиц из-за совпадения частиц в измерительном объеме

4.1.2.1 Метод геометрического моделирования совпадений

4.1.2.2 Моделирование выходного сигнала канала МВТП с учетом совпадений частиц

4.2 Погрешность определения размера частиц

4.2.1 Погрешность определения размера частиц, обусловленная методом измерения

4.2.2 Влияние температуры на погрешность определения размера частиц

4.2.3 Оценка статистических харатеристик погрешности определения размера частиц

4.2.4 Погрешность метода когерентного накопления

4.2.4.1 Погрешность, обусловленная нестабильностью расхода рабочей жидкости через канал МВТП

4.2.4.2 Погрешность, обусловленная неравномерностью распределения скорости движения жидкости по сечению канала МВТП

4.2.5 Суммарная погрешность определения размера частиц

Выводы

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНОГО ВИХРЕТОКОВОГО ДАТЧИКА ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ

5.1 Структурная схема ВДВК

5.2 Конструкция ВДВК

5.3 Алгоритм расчета параметров ВДВК

5.3.1 Оценка постоянной времени ВДВК

5.3.2 Определение параметров собственного шума ИМС ЬБС1101

5.3.3 Алгоритм расчета параметров ВДВК

5.4 Экспериментальное исследование ВДВК

5.4.1 Измерение параметров объектов контроля в статике

5.4.2 Измерение параметров объектов контроля в динамике

5.4.3 Оценка пороговой чувствительности ВДВК

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение З

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоканальный вихретоковый преобразователь встроенного контроля параметров дисперсной фазы технологических жидкостей»

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие авиационной и космической техники связано с увеличением ресурса и повышением надежности всех основных систем технических объектов и изделий в целом. Условия эксплуатации современных изделий авиационной техники (АТ) связаны с высоким уровнем динамических нагрузок и внешних воздействий, что предопределяет использование конструкций и агрегатов ограниченного ресурса, техническое состояние которых должно контролироваться постоянно или периодически [1], [2].

В настоящее время эксплуатируются большое количество газотурбинных двигателей (ГТД) выпущенных 15-30 лет тому назад [3]. При этом существенное количество ГТД находится на грани полной выработки назначенных и межремонтных ресурсов и сроков службы. Это ведет к необходимости обеспечения безопасной эксплуатации таких ГТД путем продления назначенных ресурсов, сроков службы и снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации воздушных судов.

В АТ широкое применение в качестве исполнительных агрегатов и контуров систем управления находят гидравлические системы. В последние годы область их применения значительно расширилась [4]. Анализ многочисленных исследований как в России, так и за рубежом [5], [6], [7], [8] показал, что проблема обеспечения надежности и долговечности гидравлических систем АТ является актуальной. Согласно статистическим сведениям за период 2005...2013 годов в государственной авиации РФ зарегистрировано 466 инцидентов связанных с применением ГСМ по всем типам воздушных судов, принадлежащих различным ведомствам [9]. При этом присутствует тенденция к росту количества инцидентов и отказов АТ, связанных с применением ГСМ. Наиболее массовыми случаями отказа являются случаи загрязнения масляных, гидравлических и топливных систем механическими примесями, в том числе металлической стружкой от изношенных конструктивных элементов этих систем [9].

Необходимость эффективной и безопасной эксплуатации жидкостных систем различного назначения в современной авиационной и космической технике, а также других отраслях промышленности влечет за собой проблему контроля их технического состояния, в особенности агрегатов, содержащих узлы трения (насосы, гидроцилиндры и т.п.).

Одним из эффективных методов диагностики состояния жидкостных систем ГТД является трибомониторинг [3]. Согласно экспертной оценке информативности основных методов диагностики ГТД метод трибодиагностики превосходит по своей эффективности эндоскопию, виброакустический мониторинг, термогазодинамическую параметрию [10].

Диагностика жидкостных систем по параметрам дисперсной фазы позволяет оценить фактическое состояние агрегата и его остаточный ресурс непосредственно в процессе эксплуатации системы [11]. Оперативный автоматический контроль параметров дисперсной фазы (ДФ) позволяет в 3-5 раз повысить ресурс гидроагрегатов за счет своевременной замены фильтроэлементов и очистки рабочей жидкости, в 2-7 раз сократить затраты на ремонт и запчасти, в 40-50 раз повысить производительность контрольных операций и получить значительный экономический эффект [12].

В настоящее время известны и в достаточной степени разработаны различные автоматические методы контроля загрязнения жидкостных систем с помощью датчиков встроенного контроля (ДВК): фотоэлектрический, пьезоэлектрический, вихретоковый и др. [11]. Вихретоковый метод является одним из наиболее перспективных, т.к. позволяет контролировать не только количественный, но и качественный состав частиц износа, что является важным диагностическим признаком в условиях замкнутых гидросистем.

В отраслевой лаборатории ОНИЛ-16 Самарского университета разработан вихретоковый анализатор гранулометрического состава металлических частиц загрязнений АЗЖ-908. Помимо этого, аналогичные работы ведутся в Институте

механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси [13], компании «Диамас» [14], компании РгийесИшк [15] и др.

Несмотря на то, что диагностические возможности вихретокового метода весьма обширны, широкое распространение ДВК на базе ВТП сдерживается относительно низкой чувствительностью вихретоковых преобразователей - она ниже чувствительности фотоэлектрических и пьезолектрических преобразователей. На практике удается обеспечить контроль размерных фракций ферромагнитных частиц размером от 35 мкм, немагнитных частиц от 80 мкм [14]. Однако в соответствии с ГОСТ Р53450-2009 для топливных систем ГТД требуются жидкости не грубее 9 класса чистоты по ГОСТ 17216-2001, для масляных систем ГТД - не грубее 13 класса чистоты. Это приводит к необходимости контроля частиц диаметром от 20 мкм и менее, что не позволяют осуществлять промышленно выпускаемые в настоящий момент вихретоковые анализаторы чистоты рабочих жидкостей.

В связи с этим необходимо проведение работ, направленных на улучшение метрологических характеристик вихретоковых преобразователей за счет конструктивных и алгоритмических изменений.

Таким образом, совершенствование метрологических характеристик вихретоковых анализаторов загрязнения жидкости и разработка алгоритмов эффективной обработки информации с ВДВК являются актуальной задачей, решение которой позволяет повысить эффективность и оперативность контроля параметров ДФ различных жидкостных систем.

Область исследований - вихретоковые преобразователи встроенного контроля параметров дисперсной фазы технологических жидкостей.

Объект исследований - методы и технические средства улучшения эксплуатационных характеристик МВТП.

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование многоканального вихретокового датчика встроенного контроля параметров дисперсных сред, позволяющего снизить порог чувствительности и

обеспечить возможность идентификации типа материала частиц износа по признаку магнитный/немагнитный.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, что определило структуру и содержание диссертации. Задачи диссертационной работы:

1. Обзор и сравнительный анализ вихретоковых средств контроля уровня загрязнения рабочей жидкости.

2. Разработка математической модели ВТП, учитывающей радиальное смещение частиц износа относительно геометрической оси преобразователя.

3. Разработка методики определения параметров ДФ, основанной на обработке разнесенных по частоте сигналов с двух измерительных каналов МВТП.

4. Разработка конструкции МВТП и методики обработки сигналов измерительных каналов, основанной на когерентном накоплении и позволяющей снизить порог чувствительности устройства.

5. Проведение метрологического анализа МВТП параметров дисперсной фазы.

6. Изготовление и экспериментальное исследование макетного образца МВТП. Методы исследования

В диссертационной работе применяются методы численного решения систем дифференциальных уравнений в т.ч. на суперкомпьютере Сергей Королев (СУ), методы математической статистики, элементы теории погрешностей и имитационное моделирование на ЭВМ. В процессе работы использовались пакеты прикладных программ MathCAD, Matlab, Ansys Maxwell.

Научной новизной обладают следующие результаты диссертации: - математическая модель ВТП, отражающая механизм взаимодействия преобразователя с металлическими частицами износа из магнитных и немагнитных материалов, учитывающая случай радиального смещения частицы относительно геометрической оси преобразователя;

- методика определения параметров дисперсной фазы, основанная на обработке разнесенных по частоте сигналов с двух измерительных каналов МВТП, позволяющая отстроиться от влияния проводимости материалов частиц износа;

- методика обработки сигналов измерительных каналов МВТП, основанная на когерентном накоплении сигналов и позволяющая снизить порог чувствительности преобразователя;

- методика компенсации мультипликативной погрешности первичного преобразователя, обусловленной радиальным смещением частиц износа относительно геометрической оси МВТП.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Создании многоканального вихретокового датчика встроенного контроля inline типа, позволяющего снизить порог чувствительности до 16 мкм для магнитных частиц и до 45 мкм для немагнитных частиц и обеспечить возможность контроля типа материала ДФ по признаку магнитный/немагнитный.

2. Получении выходных характеристик проходного вихретокового датчика встроенного контроля параметров дисперсных сред на основе анализа конечно-элементной модели системы «ВТП - частица износа», а также аналитических выражений, связывающих величину ОВС с диаметром частицы износа и рассчитанных для основных материалов частиц износа.

3. Разработке программного обеспечения для моделирования работы проходного вихретокового преобразователя, позволяющего подобрать геометрические параметры ВТП и рассчитать погрешность определения счетной концентрации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия ВТП с металлическими частицами износа из магнитных и немагнитных материалов, учитывающая радиальное смещение частицы с геометрической оси преобразователя.

2. Методика определения параметров дисперсной фазы, основанная на обработке разнесенных по частоте сигналов с двух измерительных каналов МВТП.

3. Методика обработки информации с измерительных каналов МВТП с когерентным накоплением сигналов.

4. Методика снижения мультипликативной погрешности первичного преобразователя.

5. Результаты разработки и экспериментальных исследований макетного образца четырехканального МВТП.

Внедрение результатов работы Разработанная конструкция, математическая модель, а также результаты исследования МВТП нашли применение:

- в НИР «ЗОНА-ОЗ», выполненной в Самарском отделении научно-исследовательского института радио.

- в учебном процессе Самарского университета по дисциплине «Эксплуатационные свойства горюче-смазочных материалов и надежность авиационной техники».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 45 работ в научных сборниках, тезисов докладов, в том числе семь статей в ведущих научных изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК и Scopus, получено два патента на полезную модель для вихретоковых устройств контроля гранулометрического состава дисперсных сред, а также свидетельство о регистрации программного модуля моделирования выходного сигнала МВТП. Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и 8 приложений. Диссертация содержит 198 страниц, 100 рисунков, 25 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ

Повышение надежности авиационной и космической техники, увеличение срока её службы является одним из приоритетных направлений развития аэрокосмической отрасли. Важной составляющей повышения надежности изделий авиационной техники (АТ) является применение качественной диагностики технического состояния изделий АТ.

В последние годы в авиационной и космической технике растет число инцидентов, связанных с применением горюче-смазочных материалов (ГСМ). В общей структуре выявленных инцидентов в государственной авиации в период 2005... 2015 годов доля инцидентов, связанных с загрязнениями ГСМ различными продуктами, не входящими в их компонентный состав, достигает более 50% [9]. Следует отметить, что по сравнению с периодом 1996...2005 годов, где основными недостатками, связанными с применением ГСМ, были: подача на заправку некондиционного топлива, в котором в процессе контроля его качества выявлялось наличие воды, механических примесей и кристаллов льда, а также нарушения в технологии подготовки топлива к применению. Период эксплуатации АТ 2005.2015 годов характеризуется массовыми отказами АТ из-за процессов изнашивания ее деталей, узлов и агрегатов по причине их старения и, как следствие, загрязнение ними топливных, масляных и гидравлических систем [9]. В этой связи эффективный контроль технического состояния узлов и агрегатов гидравлических (жидкостных) систем (ГС) является необходимым условием повышения надежности изделий АТ, позволяющим отказаться от невыгодного с экономической точки зрения ремонта изделий АТ по наработке на отказ и перехода к их обслуживанию по фактическому состоянию.

Для оценки технического состояния гидросистем и узлов трения необходимо отдавать предпочтение параметрам, позволяющим обнаруживать неисправ-

ность на ранних стадиях и удобным для контроля в процессе эксплуатации. К таким признакам можно отнести изменение уровня загрязненности рабочей жидкости в процессе эксплуатации гидросистемы. Многие узлы трения гидрофициро-ванного оборудования изготавливаются из антифрикционного материала, в состав которого входят цветные металлы, такие как Cu, Sn, Al и другие. К таким узлам относятся подшипники скольжения, сепараторы подшипников качения и т.д. Это обуславливает необходимость контроля не только количественного, но и качественного состава частиц износа в рабочей жидкости, т.е. необходимость различения материала частиц загрязнений.

По информации отечественных и зарубежных (Bosch Rexroth, Eaton Vickers, Hydac) компаний, специализирующихся на производстве гидравлического оборудования, до 70-80% всех отказов в ГС и связанный с ними ремонт гидрооборудования возникает из-за недопустимо высокого уровня загрязнения рабочей жидкости [4]. Специалисты ведущих фирм, производящих гидрофицированное оборудование: "Берти" (США), "Паркер" (Австрия), "Рексрот" (Германия), "То-шиба" (Япония) и ряд других считают, что объективный контроль состояния рабочей жидкости и особенно ее чистоты позволяет существенно увеличивать срок службы оборудования [12].

Таким образом, концентрация и качественный состав частиц износа в рабочей жидкости гидросистем является одним из основных признаков при контроле технического состояния ГС. Разработка диагностических средств, позволяющих в процессе эксплуатации гидрофицированного оборудования определять износ узлов трения, изготовленных из черных и цветных металлов и сплавов, является важной научно-технической задачей.

Влияние степени загрязнения РЖ на стабильность работы ГС рассматривалось многими учеными: Баштой Т.М., Логвиновым Л.М., Лозовским В.Н., Никитиным Г.А. и др. Ряд ученых, в том числе Белянин П.Н., Бербер В.А., Данилов В.М., Зверев И.И., Ковалев М.А., Калакутский Л.И. и др. проводили исследования влияния загрязнения РЖ на надежность узлов и агрегатов АТ.

1.1 Анализ механизмов формирования и параметров частиц износа

Образование металлических частиц обусловлено износом трущихся поверхностей. В зависимости от типа износа происходит генерация частиц с различными параметрами.

При трении поверхностей металлов может иметь место так называемый износ поверхностей за счет среза, когда часть одной поверхности проникает в другую. Иногда такой характер износа может быть обусловлен абразивными частицами загрязнений, которые оказываются внедренными в более мягкий материал и образуют «микроножи». В этом случае в масле системы появляется стружка длиной свыше 10-15 мкм и толщиной 1-5 мкм [11].

В маслосистемах могут генерироваться сферические частицы, которые появляются в микротрещинах шариковых или роликовых подшипников. В этом случае в маслосистеме могут появиться сферические частицы размером 10-30 мкм и более [11].

В маслосистемах также могут появиться частицы износа пар трения, обусловленные усталостными и коррозионными явлениями. В этом случае в жидкость генерируется большое число частиц износа размером 50-100 мкм, форма которых близка к сферической, но при этом образуются и меньшие по размеру частицы [11].

Согласно [7] гидравлические насосы после 4000 часов работы при расходе 75 л/мин генерируют частицы размером более 10 мкм в следующих объемах: плунжерный - 34 мг/час (62000 частиц/мин); шестеренный - 37.5 мг/час (69000 частиц/мин); пластинчатый - 125 мг/час (230000 частиц/мин). При этом контроль размеров частиц износа позволяет судить о характере изнашивания узла трения.

В таблице 1 . 1 приведены основные металлы, применяемые в узлах и агрегатах гидравлических систем.

Металл о Узел гидравлической системы

Железо (Ре) 107 Шток, цилиндры, передачи, подшипники

Хром (Сг) 22.3^106 Вал, подшипники

Алюминий (А1) 38^106 1 Подшипники, опорные шайбы

Медь (Си) 58^06 0.99 Направляющие втулки, опорные шайбы, радиатор охлаждения масла

Свинец(РЬ) 4.8Ы06 0.99 Направляющие втулки (бронзовые сплавы)

Серебро (Ag) 62.5^06 0.99 Припой на основе серебра (в радиаторах для охлаждения масла), покрытие сепараторов подшипников

Магний (Mg) 22.7^06 1.001

Помимо приведенных в таблице 1. 1 металлов широкое применение находят различные типы сталей. Таким образом, в жидкостных системах используются как магнитные, так и немагнитные материалы с широким диапазоном проводимостей.

Износостойкость различных материалов к основным видам износа -питтингу и абразивному износу - различна. Механизм процесса изнашивания в значительной мере определяется коэффициентом Кт, представляющим собой отношение микротвердостей материала детали Нм и твердых частиц На. В зависимости от соотношения между твердостью абразива На и твердостью металла Нм возможны три различных режима абразивного изнашивания: 1) режим слабого изнашивания при На<Нм; 2) переходный режим при На«Нм и 3) режим сильного изнашивания при На>Нм. При этом условие Нм~1,3На можно использовать в качестве критерия малой интенсивности абразивного изнашивания [16].

Ввиду более высокой твердости частицы износа из магнитных материалов оказывают значительное влияние при гидроабразивном износе на узлы и агрегаты, изготовленные из цветных металлов и их сплавов. Таким образом,

контроль качественного состава механических примесей в рабочих жидкостях позволяет прогнозировать скорость износа узлов и агрегатов.

В таблице 1.2 приведен элементный состав частиц, встречающихся в маслосистеме исправного авиационного двигателя (АД) [17].

Таблица 1.2 - Элементный состав частиц маслосистемы исправного АД

№ п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Элементный состав частиц Бе Си Бе-Си Бе^п Бе-Си^п Бе-Сг-М Бе-Сг И А1

Частота встречаемости частиц в масле, % 19 5 1 2 0.4 0.1 1 0.3 0.3

Частота встречаемости частиц на фильтре, % 16 1 1 2 6 - 1 1 1

Продолжение таблицы 1.2

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Са БьА1 81-А1-Бе Б1-А1-К БьА1-Са БьК БьСа

- 60 4 3 1 0.7 0.5 - -

0.5 7 19 10 5 2 3 2 2

В масле системы смазки исправного двигателя находится приблизительно 30% собственно металлических частиц повреждаемой детали, остальное приходится на соединения кремния, кальция и алюминия. При этом количество частиц и содержание элементов имеют чрезвычайно низкие значения. Частицы износа представлены, в основном, одноэлементными частицами. Однако, возможно появление частиц, состоящих из разных типов материалов, т.е. сложных частиц, при этом их доля составляет не более 10% от общего числа частиц.

В дефектном двигателе происходит существенный рост количества сложных частиц, на порядок и более возрастает количество простых частиц [17]. Среди простых частиц катастрофический рост числа наблюдается для частиц из железа, меди, серебра. При этом контроль состава частиц износа по типу

материала и количеству частиц износа позволяет судить и об узле, с которого происходит генерирование частиц износа, и о степени износа узла.

Таким образом, контроль качественного состава частиц износа по типу металла, выделение информации о появлении сложных частиц в рабочей жидкости является необходимым условием для проведения эффективной трибодиагностики.

На основании вышеизложенного к наиболее важным диагностическим параметрам частиц износа следует отнести размер, материал, концентрацию и гранулометрический состав.

Далее в работе будем употреблять термин немагнитные частицы износа, подразумевая частицы из меди, магнитные (или ферромагнитные) частицы износа - частицы из стали ШХ-15, если не оговорено иное. Также рассматриваются частицы только сферической формы, поэтому под размером частицы подразумевается её диаметр.

1.2 Анализ влияния частиц износа на работу жидкостных систем

Практика показывает, что надежная работа гидросистем технологического оборудования наблюдается при чистоте рабочей жидкости, соответствующей 7-8-му классам, а критическим уровнем чистоты рабочей жидкости являются 11-14-ый классы чистоты по ГОСТ 17216-2001 [18]. Требования, предъявляемые к рабочей жидкости, зависят от многих факторов (давления, тонкости фильтрации и др.). Массовая концентрация загрязнений рабочей жидкости лишь косвенно характеризует степень снижения надежности работы гидросистемы. При одной и той же массовой концентрации загрязнений в рабочей жидкости может быть разное соотношение числа крупных и мелких частиц, частиц из разных материалов. На надежность составных частей гидропривода наибольшее влияние оказывают частицы определенных размеров и материала. Поэтому при анализе состояния рабочей жидкости нужно иметь информацию не только о массовой концентрации, но и о гранулометрическом составе и материале частиц загрязнений.

Назначение рабочей жидкости в гидросистемах сводится к четырем основным функциям: передаче энергии, смазке внутренних движущихся узлов гидросистемы, охлаждению и уплотнению зазоров между трущимися поверхностями [11].

Загрязнение рабочей жидкости препятствует выполнению, по крайней мере, трех из этих функций. Частицы загрязнения затрудняют передачу энергии, забивая небольшие отверстия в узлах гидравлических систем (регуляторов, дросселей). При таких условиях энергия (давление) не может передаваться, например, к другой стороне золотника. Это приводит к неопределенности в срабатывании клапана и неожиданным отказам соответствующих агрегатов. Загрязнение рабочей жидкости также препятствует эффективной смазке трущихся элементов различных узлов и агрегатов. Частицы загрязнения, попадая в зазоры трущихся элементов, царапают их поверхности и разрушают смазочную пленку жидкости. Достаточно крупные частицы (свыше 20 мкм) скапливаются в зазорах и закрывают путь потоку жидкости между трущимися поверхностями, что приводит к снижению эффективности смазки и к увеличению износа поверхностей элементов гидросистем и особенно плунжерных пар тяжелонагруженных агрегатов, например, насосов. Осаждение загрязнений на поверхностях трубопроводов и баков снижает эффективность отвода тепла от элементов гидросистемы и препятствует охлаждению самой рабочей жидкости. Известно, что повышение температуры рабочей жидкости приводит к увеличению содержания загрязнений за счет образования шлака [11].

Поскольку узлы гидравлической системы выполняют различные функции, то и влияние загрязнения, оказываемое на отдельные детали, будет различным. Например, у насосов загрязнение рабочей жидкости вызывает повышенный износ плунжеров или лопастей в зависимости от конструкции, а также шеек и подшипников вала. Это приводит к заеданиям отдельных элементов агрегата, неравномерному расходу жидкости и, как следствие, к нарушениям в работе всей системы, вызывая перегрев рабочей жидкости и неэффективное использование мощности.

Все типы неисправностей, вызванных загрязнением рабочей жидкости, можно разделить на две основные категории:

• катастрофическую поломку узла, вызываемую в основном частицами загрязнений с размером свыше 100 мкм;

• постепенный выход узла из строя под воздействием большого числа частиц загрязнений малого размера (менее 50 мкм), что приводит к износу узла агрегата и ухудшению его основных характеристик [19].

При катастрофических отказах в большинстве случаев заклиниваются плунжерные пары насосов и клапанов, забиваются отверстия, что может быть устранено только путем замены вышедших из строя узлов и агрегатов. Это связано со значительными затратами.

I ^ II ^ III

N. -^т

с»

юо—/X------

80

60

ЬО

го

О 30 60 90 Ш> № 1 ,

¿час

Рисунок 1.1 - Кривая степени износа пар трения, зарегистрированная феррографом: 1-обкатка агрегатов; 11-экспериментальная эксплуатация;

Ш-эксплуатация в нормальных условиях;

1У-эксплуатация в критических условиях.

Типичная кривая степени износа пар трения, по данным американской фирмы «ФОКСБОРО» имеет вид, приведенный на рисунке 1.1. «Базовая зона», соответствующая нормальным условиям эксплуатации, устанавливается экспериментальным путем. При прогнозировании повреждения узлов трения гидроагрегатов необходимо особое внимание уделять не только общему количеству частиц, но и их градациям по размерам и форме. При нормальном износе пар трения концентрация частиц свыше 5 мкм и менее 2 мкм равны. При катастрофическом

износе концентрация частиц размером свыше 5 мкм значительно превышает концентрацию частиц размера менее 2 мкм. Кроме того, согласно исследованиям американских ученых, при истирании металлических поверхностей одна о другую при наличии смазки (например, плунжеры насосов, беговые дорожки, шарики и сепараторы подшипников и т.п.) частицы появляются из так называемого «чешуйчатого» слоя на поверхности металла. Частицы («чешуйки») имеют толщину порядка 1 мкм, если материалом является сталь. Более мягкие частицы имеют большую толщину [19].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гудков Станислав Анатольевич, 2019 год

- 16 с.

82.Логвинов, Л.М. Фотоэлектрическое устройство для определения размера и концентрации частиц в потоке жидкости / Л. М. Логвинов, Д. Е. Поминов, К. Е. Воронов. - март 10, 2009.

83.Маталин, Л.А., Нараи, Ж., Чубаров, С.И.. Методы регистрации и обработки данных в ядерной физике и технике. [Текст] / Л. А. Маталин, Ж. Нараи, С. И. Чубаров, С.И. - М.: "Атомиздат", 1970. - 570 с.

84.Гольданский, В.И. Статистика отсчетов при рекистрации ядерных частиц [Текст] / В. И. Гольданский, А. В. Куценко, М. И. Подгорецкий. - М.: ГИФМЛ, 1959. - 411 с.

85.Лашманов, В.И. Расчет совпадений в датчике при определении размеров и концентрации частиц кондуктометрическими и аэрозольными счетчиками / В. И. Лашманов, П. Н. Монтик, А. М. Алешин // Метрология. - № 9. -1989. - с. 51-56.

86.Беляев, С.П. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей [Текст] / С. П. Беляев, Н. К. Никифорова. - М.: "Энергоиздат", 1981. - 232 с.

87.Кудрявцев И.А. Совпадения частиц в фотоэлектричеком датчике загрязнения жидкости / И. А. Кужрявцев // Сборник трудов НИИП. -Самара, 1996. - Т. 1. - с. 31-32.

88.Кудрявцев И.А. Определение счетной концентрации частиц загрязнителя автоматическими счетчиками / И. А. Кужрявцев // Сборник трудов НИИП.

- Самара, 1997. - Т. 1. - с. 14-16.

89.Кудрявцев, И.А. Метод повышения предела измерения концентрации частиц датчиками фотоэлектрического типа / И. А. Кудрявцев, Л. М. Логвинов, Е. И. Поминов, В. В. Фадеев // Измерительная техника. - № 10.

- 1997. - . 63-65.

90.Вентцель, Е.С. Теория вероятностей [Текст] / Е. С. Вентцель. - 5-е-е изд. -М.: "Высш. шк.", 1998. - 576 с.

91.Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении / А. Н. Колмогоров // Доклады АН СССР. - 1941. - Т. 31. - с. 99-101.

92.Андреев, С.Е. Закономерности измельчения и исчисление характеристик гранулометрического состава [Текст] / С. Е. Андреев, В. В. Товаров, В. А. Перов. - М.: "Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии", 1959. - 437 с.

93.Gebelein, Н. // Chemie-Ingenieur-Technik. - №12. - 1956. - pp. 11-14.

94.Страхов, С.Ю. Методы статистического моделирования в радиотехнике [Электронный ресурс] // сайт БГТУ им. Д.Ф. Устинова. 2003. Режим доступа: http://www.voenmeh.ru/. Дата обращения: 11.04.2018.

95.Гудков С.А. Программный модуль моделирования сигнала вихретокового преобразователя для контроля параметров дисперсных сред/ С. А. Гудков, К. Н. Тукмаков // Программа 2017615085. - Май 12, 2017.

96.АМ-3028 Анализатор компонентов [Электронный ресурс] // веб-сайт компании Актаком. Режим доступа: http: //www. aktakom. ru/kio/index. php? SECTION_ID= 1046&ELEMENT_ID= 35536. Дата обращения: 05.05.2018.

97.Texas Instruments I. LDC1101 1.8-V High-Resolution, High-Speed Inductance-to-Digital Converter // web-site Texas Instruments Inc. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ldc1101.pdf. Дата обращения: 23.04.2018.

98.Ткалич, В.Л. Обработка результатов технических измерений [Текст] / В. Л. Ткалич, Р. Я. Лабковская // Учебное пособие. - СПб.:СПбГУ ИТМО, 2011. - 72 с.

99.Гудков, С.А. Разработка детектора металлических частиц на основе вихретоковых преобразователей / С. А. Гудков, И. А. Кудрявцев, Н. В. Селиванов // Измерительная техника. - № 2. - 2018. - с. 51-54.

100.Рогов, А.А. Исследование влияния температуры на конструктивные элементы матричного вихретокового преобразователя и разработка

быстродействующих методов температурной компенсации: автореф. дис. ... к.т.н./ А. А. Рогов. - М.: МГУПИ, 2007. - 16 с.

101.0сновные разработки ОНИЛ-16 [Электронный ресурс] // Отраслевая научно-исследовательская лаборатория ОНИЛ-16. Режим доступа: http://onil-16.ssau.ru/foton-965r.html. Дата обращения: 04.03.2018.

102.Платт, Ч. Энциклопедия электронных компонентов [Текст]. Т.1. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, переключатели / Ч. Платт. - СПб: BHV, 2017. - 352 с.

103.Платт, Ч. Энциклопедия электронных компонентов [Текст]. Т. 3. Датчики местоположения, присутствия, ориентации, вибрации / Ч. Платт. - СПб: BHV, 2017. - 288 с.

104.Быховский, Ю.С. Вихретоковое устройство для измерения размеров и концентрации металлических частиц в жидкости / Ю. С. Быховский, Л. М. Логвинов, Ю. А. Маланичев, В. И. Витевский // SU1522085, Nov 15, 1989.

105.Патент на полезную модель 124396 Российская Федерация Вихретоковое устройство для контроля металлических частиц в слабопроводящих средах. С.А. Гудков, И.А. Кудрявцев, заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. акад. С.П. Королева (СГАУ). Заявл. 31.07.2012, опубл. 20.01.2013.

106.Ляченков Н.В. Вихретоковые контрольно-измерительные модули систем управления технологическими процессами: автореф. дис. ... д.т.н./ Н. В. Ляченков. -Самара: СГАУ, 2000. - 42 с.

107.Ralph, B. D'Agostino. A Suggestion for Using Powerful and Informative Tests of Normality / Ralph, B. D'Agostino, Belanger, А., Ralph, B. D'Agostino Jr // The American Statistician. - №4. - 1990. - pp. 316-321.

108.Гудков С.А. Применение метода когерентного накопления в вхиретоковом контроле параметров дисперсных сред // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Т. 15. - № 6(3). - 2013.

109.Cullity, B. Introduction to magnetic materials / B. D. Cullity, C. D. Graham / New York: John Wiley & Sons. - 2009. - 568 pp.

110.Lu, H.Y., Zhu, J.G., Hui, Y.R. Measurement and modeling of thermal effects on magnetic hysteresis of soft ferrites / H. Y. Lu, J. G. Zhu, Y. R. Hui // IEEE Transactions on Magnetics. - Vol. 43. - №11. - 2007. - pp. 3953-3960.

111.Руководящие технические материалы. Методы нормирования метрологических характеристик, оценки и контроля характеристик погрешностей средств статистических измерений: РТМ 25139-74. М.: Минприбор, 1974. 76 с

112.Тамм И.Е. Основы теории электричества: учеб. пособие для вузов [Текст] \ И.Е. Тамм. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 616 с.

Приложение А

Т, Ф-формулировка краевой задачи для осесимметричной модели

Рисунок А1 - Осесимметричная модель системы «ВТП-частица износа»

При переходе к осесимметричной модели в задаче определения электромагнитного поля системы «ВТП-частица износа» в модель необходимо добавить несколько новых границ: ГНс, ГЕ, ГНп.

В соответствии с предложенной в [60] моделью, для рассматриваемой

модели можно записать следующие граничные условия.

На ГНс границе тангенциальная составляющая вектора напряженности

магнитного поля должна обратиться в ноль

Я X п = 0 ^ (Т0 + Т - УП) X п = 0 на ГНс (А1)

ГНс представляет собой плоскость симметрии, где Г0 X п = 0, т.е. выполняется граничное условие Дирихле

Г X п = 0, и П = П0 на ГНс (А2)

Уравнение / • п = 0 на ГНс удовлетворяется автоматически, т.к.

/• п = (V X Т) • п = V • (Т X п) На ГЕ тангенциальная составляющая напряженности электрического поля должна быть равна нулю

Е X п = 0 V X Т^ X п = 0, на ГЕ (А3)

Также нормальная составляющая плотности магнитного потока должна обращаться в ноль (граничное условие Неймана)

В • п = 0 ^ (д0дгГ0 + Доу.гТ — д0дгУП) • г! = 0, на ГЕ (А4)

Т.к. в рассматриваемой формулировке используется кулоновскую калибровка, то 1 / аУ ■ Т = 0 во всей области Ос и на границе ГНс и ГЕ.

Можно показать, что выполнение условий калибровки достигается при выполнении граничного условия Неймана на ГНс

^•Г = 0, на ГНс (А5)

Таким образом, полная система уравнений и граничных условий записывается в следующем виде:

У • (д0?0 — Д0УП) = 0, в 5п (А6)

V X ^У X г) — У ^ У • г) + — УП) = — в 5с (А7)

У • (д0дг7' — д0дгУП) = —У • (ц0дгГ0), в 5с (А8)

Г X п = 0, на ГНс (А9)

П = П, на Гнс (А10)

1

-У •Г = 0, на ГНс (А11) о

У X г) X п = 0, на ГЕ (А12)

+ ^ — УП) • г! = 0, на ГЕ (А13)

Т • п = 0, на ГЕ (А14)

Приложение Б

ёЛ - расхождение модулей комплексных сопротивлений ВТП, полученных аналитически и с помощью МКЭ

Действительная и мнимая часть относительного вносимого сопротивления Таблица Б1 - Медная частица износа, диаметр 100 мкм, диаметр ВТП 2 мм

Аналитическая модель Конечно-элементная модель ал,% в

Ке^оти) 1ш^ота) Яе^оти) 1ш^отн)

4,40899Е-07 -4,66583Е-10 4,0824Е-07 -4,32022Е-10 7,41Е+00 1,0Е+00

4,50853Е-06 -4,86Е-08 4,08197Е-06 -4,3172Е-08 9,46Е+00 3,5Е+00

4,39878Е-05 -4,60688Е-06 4,03591Е-05 -4,26563Е-06 8,24Е+00 1,0Е+01

0,000171927 -8,94016Е-05 0,000159192 -8,27792Е-05 7,41Е+00 2,5Е+01

0,000215922 -0,000212315 0,000198076 -0,000196588 7,84Е+00 3,5Е+01

0,000174769 -0,000392261 0,000159793 -0,000363204 7,60Е+00 5,9Е+01

0,000140418 -0,000462787 0,000134646 -0,000415999 9,59Е+00 7,5Е+01

Таблица Б2 - Магнитная частица износа, ц = 20, диаметр 100 мкм, диаметр ВТП 2 мм

Аналитическая модель Конечно-элементная модель ал,% в

Яе^о™) 1ш^отн) Яе^о™) 1ш^отн)

3,22Е-06 0,000992826 3,01995Е-06 0,000934778 5,84672107 1,0Е+00

3,29076Е-05 0,000992548 2,9916Е-05 0,000932259 6,077513922 3,5Е+00

0,000199746 0,000878985 0,000181588 0,000817259 7,122905403 1,0Е+01

0,000334449 0,000618793 0,000294953 0,000562539 9,698278171 2,5Е+01

0,000369701 0,000427295 0,000330637 0,000415723 5,991937641 3,5Е+01

0,000381718 0,000140824 0,000347016 0,000155295 6,558965616 5,9Е+01

0,000376249 0,00007 0,000332953 3,42155Е-05 12,54181877 7,5Е+01

Приложение В

Выбор параметра р

Будем иметь ввиду, что частота возбуждающего ВТП сигнала связана с параметром в зависимостью (2.23). В дальнейших расчетах изменения параметра в достигались за счет изменения частоты возбуждающего сигнала, прочие величины в формуле (2.23) сохранялись постоянными.

Выбор параметра в целесообразно проводить на основе анализа функций зависимости ОВС ВТП от параметра в.

На рисунке В1 представлены зависимости величины реактивного ОВС от величины параметра в при разных % для немагнитных частиц. Функции на рисунке В1 с ростом параметра в стремятся к асимптотическим значениям, при этом, чем меньше частица (меньше х), тем при более высоком в достигается асимптотическое значение. Так, при х=0,05 величина в~170, при Х=0,15 величина в~130, однако уже при в>50 скорость изменения функции существенно падает, и величина ОВС изменяется не существенно.

а

б

Рисунок В1 - Зависимость реактивного ОВС ВТП от параметра в для немагнитной частицы при х=0,05 (а) и х=0,15 (б) Таким образом, с точки зрения увеличения величины реактивного ОВС при контроле немагнитных частиц целесообразно использовать как можно более высокие значения параметра в, т.е. более высокие частоты тока возбуждения ВТП. Однако следует учитывать ограничения, накладываемые конкретной измерительной системой и методом измерения величины

вносимого сопротивления. Кроме того, для обеспечения устойчивой работы измерительной схемы частота тока возбуждения ВТП должна быть в несколько раз ниже частоты собственного резонанса обмотки ВТП.

На рисунке В2 приведены зависимости реактивной составляющей ОВС от параметра в для магнитных частиц.

№

7.6Е-05 7.4Е-05 7.2Е-05 7,0Е-05 6.8Е-05 6.6Е-05 6.4Е-05

.05

N1

О 20 40 60 80 Р

1.8Е-03

1.7Е-03 ■ 1.6Е-03 X Е5Е-03 1.4Е-03

20 40 60 80 ЕЗЕ-ОЗ

х=ад5 ч

Х-ОД

5.6Е-04 5,4Е-04

в

5.2Е-04

X

5,0Е-04 4.8Е-04

р 0 20 40 60 80 р

Рисунок В2 - Зависимость реактивного ОВС ВТП от параметра в для

магнитной частицы Вид зависимостей, приведенных на рисунке В2, существенно отличается от аналогичных для немагнитных частиц. Для малых % наблюдается максимум при в~30...50. С ростом размера частицы вид функций меняется и значение Х*вн в точке максимума несущественно отличается от начального значения Х*вн. Так, при х=0,1 разница составляет 1,06 раза, при х=0,15 разница составляет 1,01. Таким образом, контроль магнитных частиц целесообразно вести при низких значениях параметра в~3..5 для х>0,1 и при в~35 для 0,5<х<0,1.

Как отмечалось в главе 2, с ростом параметра в величина ОВС от немагнитных частиц растет, от магнитных частиц - падает. При в~30 величина |Х*вн| для магнитных и немагнитных частиц оказывается равной.

Приложение Г

Влияние параметров рабочей жидкости на величину ОВС

В процессе анализа параметров дисперсной среды частицы износа движутся через чувствительный объем ВТП в рабочей жидкости гидравлической системы. Так как электромагнитные параметры рабочей жидкости отличны от вакуума, целесообразно рассмотреть вопрос влияния рабочей жидкости на величину вносимого в ВТП сопротивления.

В настоящее время в авиационной технике широкое применение нашло гидравлическое масло АМГ-10, используемое в средненапряженных гидравлических системах.

Электромагнитные параметры АМГ-10 приведены в таблице Г1. Таблица Г1 - Параметры жидкости АМГ-10

Относительная магнитная проницаемость Относительная диэлектрическая проницаемость Удельная проводимость, См/м

АМГ-10 1 2,2 10-12

Зависимость модуля ОВС от частоты для ВТП, через который проходит чистая жидкость АМГ-10 без металлических включений приведена на рисунке Г1.

Рисунок Г1 - Зависимость ОВС от частоты

Для сравнения на этом же рисунке приведены зависимости относительного вносимого сопротивления, создаваемого медной и стальной частицами диаметром 50 мкм. Видно, что на низких частотах (менее 100 кГц)

185

степень влияния рабочей жидкости и немагнитной частицы на параметры ВТП одинакова. При этом величина вносимого сопротивления магнитной частицы на три порядка превышает остальные величины. С ростом частоты влияние магнитной и немагнитной частиц на сопротивление ВТП стремится выровняться, при этом величина вносимого рабочей жидкостью сопротивления на 2 порядка меньше величины сопротивления, вносимого частицами. Для частиц большего диаметра эта разница будет еще более существенной.

Таким образом, влияние электромагнитных параметров рабочей жидкости следует учитывать только при контроле немагнитных частиц износа на частотах менее 100 кГц. Однако, ввиду чрезвычайно малого вносимого сопротивления от немагнитных частиц на этих частотах, данный режим является нерабочим режимом ВТП. В зоне рабочих частот ВТП (порядка 10 МГц) влияние жидкости становится пренебрежимо малым.

На выходной сигнал фотоэлектрических преобразователей существенное влияние оказывает наличие в рабочей жидкости пузырей воздуха [11]. Оценим влияние воздушного пузыря диаметром 1мм на величину ОВС. Результаты моделирования приведены на рисунке Г2.

Рисунок Г2 - Зависимость ОВС от частоты при наличии воздушного пузыря С ростом размера воздушного пузырька растет величина вносимого сопротивления за счет того, что воздух вытесняет часть объема рабочей жидкости из канала ВТП, меняя электромагнитные параметры среды.

Величина относительного вносимого сопротивления на частоте 10 МГц для воздушного пузырька диаметром 0,4мм |2вн| = 1.5Е-8, для стальной частицы диаметром 50 мкм |2вн| = 1Е-5. Видно, что ОВС от воздушных пузырьков на три порядка меньше ОВС от частиц износа. Таким образом, влиянием воздушных пузырей, диаметр которых не превышает половины диаметра измерительного канала ВТП в рабочей жидкости при контроле вихретоковым методом можно пренебречь.

Приложение Д

Аппроксимированные зависимости фазы вносимого сопротивления для магнитных и немагнитных материалов

Радиус одновиткового ВТП 1 мм. Частота тока возбуждения 10 МГц. Диапазон изменения параметра %: 0... 0,5 Зависимости аппроксимированы функцией вида

А1 -А2

<р(х) = А 2 +

1 + Ш"

Таблица Д1 - Немагнитные материалы

Материал А1 А2 х0 Р

Медь -0,1908 -77,477 0,1822 2,54104

Свинец 0,15106 -12,792 0,24719 3

Алюминий -0,03834 -74,332 0,2224 2,4605

Хром 0,1 -67,849 0,2859 2,3384

Серебро 0,21814 -77,9379 0,17609 2,5497

Таблица Д2 - Магнитные материалы

Материал А1 А2 х0 Р

Железо 90,029 85,755 0,3815 2,0817

Никель 90,024 63,768 0,7914 1,3319

Аппроксимированные зависимости модуля относительного вносимого сопротивления для магнитных и немагнитных материалов

Диапазон изменения параметра %: 0. 0,4 Зависимости аппроксимированы функцией вида

1^вн \(х) = ашХЬ Таблица Д3 - Немагнитные материалы

Материал а Ь

Медь 0,08039 3,46048

Свинец 0,05146 4,51454

Алюминий 0,0898 3,65925

Хром 0,10139 3,98509

Серебро 0,07908 3,43308

Таблица Д4 - Магнитные материалы

Материал а Ь

Железо 0,13114 2,98522

Никель 0,10768 2,88435

Обратные зависимости имеют вид

х№т |) = \гвн\ь

Таблица Д5 - Немагнитные материалы

Материал а Ь

Медь 1,37364 0,22782

Свинец 1,77194 0,21041

Алюминий 1,56119 0,23933

Хром 1,50093 0,22492

Серебро 1,68236 0,25596

Таблица Д6 - Магнитные материалы

Материал а Ь

Железо 1,97487 0,33498

Никель 2,12104 0,34277

Приложение Е

Метод стабилизации расхода РЖ через измерительный канал ДВК

Гидравлическая схема ДВК показана на рисунке Е1. Здесь р - расход жидкости через основной канал, q - расход жидкости через измерительный (пробоотборный) канал ДВК.

Рисунок Е1 - Гидравлическая схема ДВК 1 - входной штуцер, 2 - выходной штуцер, 3 - измерительный канал ДВК,

4 - основной канал ДВК

Как следует из приведенной схемы, расход q в измерительном канале определяется разностью (перепадом) давления жидкости АР между входным 1 и выходным 2 штуцерами, возникающей при протекании жидкости по основному каналу 4 ДВК.

Оценим характеристики потоков в ДВК для типичных размеров каналов и расходов жидкостей с типичными вязкостными свойствами, применяемые в промышленности.

Диаметры подводящего и отводящего трубопроводов равны В1=Б2=16 мм, а эквивалентный диаметр основного канала ДВК имеет диаметр Б=20 мм при рабочем расходе р=10..70 л/мин. Эквивалентный диаметр измерительного канала ё=0.9 мм, при требуемых расходах в канале q =0,02...0,04 л/мин; при таких расходах продолжительность анализа пробы 0,1 л (в соответствии с ГОСТ 17216) будет составлять 2...5 мин. Типичные величины кинематической вязкости контролируемых жидкостей при рабочих температурах лежат в пределах от Умин=1,4 сСт до Умакс =10...20 сСт.

Результаты оценки числа Рейнольдса Яе для вышеприведенных условий приведены в таблицах Е1 и Е2.

190

Таблица Е1 - Характеристики течения жидкости в основном канале ДВК

Расход Q, Диаметр канала Вязкость Число Характер

л/мин D, мм кинематическая Рейнольдса течения

V, сСт ReD

1,4 7571 Турбулентный

10 20 10 1060 Переходный

20 530 Переходный

1,4 22714 Турбулентный

30 20 10 3180 Турбулентный

20 1590 Переходный

1,4 53000 Турбулентный

70 20 10 7421 Турбулентный

20 3710 Турбулентный

1,4 75714 Турбулентный

100 20 10 10600 Турбулентный

20 5300 Турбулентный

10 663 Переходный

30 16 20 1988 Переходный

70 4638 Турбулентный

100 6625 Турбулентный

Таблица Е2 - Характеристики течени жидкости в измерительном канале ДВК

Расход q, л/мин Диаметр канала d, Вязкость Число Характер

мм кинематическая V, Рейнольдса

сСт Red

1,4 337 Ламинарный

0,02 0,9 10 47 Ламинарный

20 24 Ламинарный

1,4 505 Переходный

0,03 0,9 10 71 Ламинарный

20 35 Ламинарный

1,4 841 Переходный

0,05 0,9 10 118 Ламинарный

20 59 Ламинарный

1,4 649 Переходный

0,03 0,7 10 91 Ламинарный

20 45 Ламинарный

Анализ таблиц Е1 и Е2 показывает следующее:

1. Значения числа Рейнольдса ReD для потока жидкости в основном канале ДВК на 1...2 порядка превышает значения числа Рейнольдса Red для течения в измерительном канале.

2. Значения числа Рейнольдса Яео для потока жидкости в основном канале ДВК соответствуют турбулентному или переходному к турбулентному режиму течения, что предполагает квадратичную степенную зависимость потерь давления АР в канале от расхода р и слабую зависимость от вязкости жидкости:

АР12 = К^2 (Е1)

где К1 - константа.

3. Значения числа Рейнольдса Яеа для потока жидкости в измерительном канале ДВК в большинстве случаев соответствуют ламинарному или началу перехода к турбулентному режиму течения, что предполагает близкой к линейной зависимость потерь давления АР в канале от расхода q и от вязкости жидкости V:

АР12 = (Е2)

где К2 - константа.

Из равенства выражений (Е1) и (Е2) следует

q = Кэ^Лг (Е3)

Таким образом, отсюда следует, что в первом приближении величина расхода жидкости q в измерительном канале ДВК изменяется с квадратом величины расхода р в основном канале и обратно пропорциональна величине вязкости V жидкости.

Учитывая, что диапазон расходов р в ДВК гидравлических установок может достигать 5...10, а диапазон значений вязкости V жидкости даже для одного типа жидкости может варьироваться в зависимости от температуры в 3 и более раз, а для различных жидкостей до 5.10 раз, следует ожидать вариацию расхода q через измерительный канал до 2.3 порядков. В такой же степени будет изменяться и продолжительность протекания через измерительный канал стандартной пробы жидкости, что практически не приемлемо и требует применения мер по стабилизации расхода жидкости в измерительном канале.

Уменьшить диапазон расходов через измерительный канал ДВК можно, если стабилизировать падение давления жидкости при изменении расхода Р в основном канале. Этого можно достигнуть, например, установив в основном канале клапан, который открывается при превышении усилия пружины Б0 силой Б от перепада давления:

Б = АР^к (Е4)

где Sk - площадь окна клапана, Бо - сила открытия клапана, равная силе предварительного сжатия пружины.

Работа клапана при изменении расхода заключается в следующем (см. рисунок Е2). При увеличении расхода жидкости сначала расход будет происходить через каналы утечки и измерительный канал. По мере роста расхода q и повышении потерь давления в измерительном канале и каналах утечки до величины, при которой сила Б превысит величину Б0, клапан откроется и дальнейшее увеличение расхода будет происходить за счет протекания жидкости через основной канал и увеличения р.

АР

/

- 2__ /1

1 / 1 1

1 1 1 1

О

Рисунок Е2 - Характеристика клапанного механизма - зависимость потери давления АР от расхода р: 1 - характеристика канала с полностью открытым клапаном, 2 - характеристика при работе клапана, АРо=Бо^к - давление открытия клапана, АРк=Бк^к - давление при полном открытии клапана.

При этом дальнейшее увеличение расхода будет происходить за счет повышения потери давления АР и дальнейшего открытия клапана при увеличении перепада и сжатия пружины до полного открытия клапана.

Эффективный ход плоского клапана Ь = Вк/4, где Вк — диаметр окна клапана.

Характеристика пружины клапана показана на рисунке Е3.

При малой величине Ь/Но сила Бк мало отличается от Бо:

Бк = Бо (1+Ь/Но) (Е5)

При уменьшении величины Ь/Но может быть достигнута высокая стабильность перепада давления ЛР12, создаваемая клапаном и, следовательно, расхода жидкости в измерительном канале.

Рисунок Е3 - Силовая характеристика пружины клапана Бо - усилие

сжатой пружины, Бк - сила пружины полностью открытого клапана, Бт -сила сжатия, соответствующая началу смыкания витков пружины, Ь - длина свободной пружины, Ьо - длина сжатой пружины в клапане, Ьк - длина пружины при полном открытии клапана, Но - величина предварительного сжатия пружины, Нк - величина полного сжатия пружины в клапане,

Ь - рабочий ход пружины.

Таким образом, клапан позволяет существенно стабилизировать расход жидкости в измерительном канале в широком диапазоне расходов жидкости от Qо до Qк.

Результаты испытаний ДВК с клапаном и различными типами пружины приведены в таблице Е3 и на рисунке Е4. Видно, что при изменениях расхода жидкости через основной канал в пределах 0 - 30 л/мин перепад давления на измерительном канале ёР меняется не более чем на 10%.

Таблица ЕЗ - Результаты испытаний клапана

Зависимость потери давления в клапане от расхода с1Р=^0) Клапан штуцера ДВК 0=25/27 Диаметр трубы 16мм Увеличенный 2 штуцер и корпус ДВК Диаметр клапана Ок=16мм

0 л/мин ар кгс/см2

клапан открыт пружина цилиндрическая скор напор

удлинненная короткая 0,8/70 минус скор.нап 0,6/60 минус скор.нап

0,8/70 0,6/60 0,7/60

1 2 3 4 5 6 7

0 0,000 0,335 — 0,190 0,305 0,0000 0,335 0,1900

5 0,003 0,335 0,190 0,295 0,0003 0,335 0,1897

10 0,014 0,330 0,190 0,290 0,0013 0,329 0,1887

15 0,030 0,330 0,190 0,290 0,0029 0,327 0,1871

20 0,054 0,330 0,190 0,290 0,0052 0,325 0,1848

25 0,084 0,340 0,200 0,295 0,0082 0,332 0,1918

30 0,121 0,350 0,215 0,305 0,0118 0,338 0,2032

35 0,165 0,365 0,240 0,320 0,0161 0,349 0,2239

40 0,216 0,0205

45 0,274 0,0260

50 0,338 0,0326

60 0,490 0,0470

70 0,66 0,0640

Рисунок Е4 - Характеристика клапана Эк = 16мм в корпусе и штуцере с увеличенными размерами Испытания проводились совместно со специалистами ОНИЛ-16 Самарского университета.

Приложение Ж

Результаты экспериментальных исследований ВТП в статическом

режиме

Таблица Ж1 - Сравнение данных КЭМ-моделирования с экспериментальными результатами

№ Материал Размер, мкм Величина относительной вносимой индуктивности Величина расхождения

Модель Эксперимент

1 ШХ-15 30 1,5910-5 1,42^ 10-5 5,5%

2 ШХ-15 50 7,16^10-5 7,1810-5 0,3%

3 ШХ-15 75 2,24^10-4 2,6^10-4 14,0%

4 ШХ-15 90 4,25^10-4 4,68^10-4 10,1%

5 ШХ-15 105 6,7Г10-4 7,72^10-4 15,0%

6 ШХ-15 120 1,0010-3 9,34^10-4 6,6%

7 медь 77 -2,60^10-5 -2,68^10-5 3,0%

8 медь 103 -1,20^10-4 -1,1410-4 5,2%

9 медь 112 -1,75^10-4 -1,6110-4 7,8%

10 медь 125 -2,82^10-4 -2,57^10-4 8,9%

Приложение З

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАДИО

Утверждаю

Директор филиала ФГУП НИИР-СОНИИР

САМАРСКИЙ ФИЛИАЛ «САМАРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА РАДИО: (Филиал ФГУП НИИР-СОНИИР)

Лучин Д.В.

Советской Армии ул., 217. Самара. Россия, 443011 Телефон: [phone]. факс: [phone]

« »

Е-таИ: тГо а.^отir.ru 1)Цр:/Лу\у\у. soniir.ru ОКПО 04604002. ОГРН 1027700120766 ИНН/КПП 7709025230/631643001

№

На №

от

АКТ

о внедрении результатов диссертации С.А. Гудкова «Многоканальный вихретоковый преобразователь встроенного контроля параметров дисперсной фазы технологических жидкостей» представляемой на соискание ученой степени кандидата технических наук

Настоящий акт составлен в том, что результаты исследований, обобщенные в диссертационной работе Гудкова Станислава Анатольевича «Многоканальный вихретоковый преобразователь встроенного контроля параметров дисперсной фазы технологических жидкостей» внедрены при выполнении НИР № ДТР-239-15/786-15-01-10-04-4 от 3 августа 2015 г. шифр «ЗОНА-ОЗ» и включены в научно-технический отчет за 2015 г.

В частности, внедрены:

- методика, основанная на обработке двух, разнесенных по частоте сигналов;

- алгоритм когерентного накопления и обработки сигналов, позволяющий снизить порог чувствительности;

Указанные материалы содержатся в разделе 3 диссертационной работы С.А. Гудкова.

Директор научно-образовательного

центра технической электродинамики и антенных систем

Филиала ФГУП НИИР - СОНИИР,

к.т.н., доцент

М.Ю. Маслов

Главный научный сотрудник научно-образовательного центра технической электродинамики и Филиала ФГУП НИИР - СОНИИР, д.т.н., профессор