Резистивный метод и устройство контроля электрических параметров жидких смазочных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Давыдова, Надежда Владимировна

• Давыдова, Надежда Владимировна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Давыдова, Надежда Владимировна

Введение

Глава 1 Параметры, характеризующие качество смазочных материалов, 14 и методы их контроля

1.1 Смазочные материалы и их показатели качества

1.2 Методы контроля гостовских показателей качества смазочных 17 материалов, обязательных для всех видов жидких смазочных масел

1.2.1 Определение вязкости

1.2.2,Определение плотности

1.2.3 Определение кислотного числа

1.2.4 Определение массовой доли механических примесей

1.2.5 Определение содержания воды

1.2.6 Определение температуры вспышки и температуры застыва

1.3 Тенденции развития контроля смазочных масел

1.4 Взаимосвязь электрических параметров смазочных материалов с 43 их показателями качества

Выводы по 1 главе

Глава 2 Методы измерения электрических параметров смазочных масел

2.1 Электрические эквивалентные схемы измерительной емкостной 55 ячейки, заполненной смазочным материалом,и выражения для расчёта значений электрических параметров смазочного масла.

2.2 Методы измерения электрических параметров емкостной ячей- 65 ки, заполненной смазочным маслом

2.2.1 Мостовые методы

2.2.2 Резонансные методы

2.2.3 Метод вольтметра-амперметра

2.2.4 Двухчастотный метод

2.2.5 Резистивный метод

2.3 Факторы, ограничивающие применение традиционных методов 87 контроля электрических параметров смазочных материалов. Выводы по 2 главе

Глава 3 Теоретический анализ особенностей резистивного метода кон- 91 троля электрических параметров жидких диэлектриков, помещенных в измерительную емкостную ячейку

3.1 Способы совершенствования резистивного метода контроля 91 электрических параметров жидких смазочных материалов.

3.2 Исследование способов повышения точности резистивного ме- 104 тода

3.3 Исследование влияния погрешностей определения значений об- 118 разцовых активных сопротивлений, включаемых в измерительную цепь, и отношений напряжений на точность определения параметров измерительной ячейки

3.4 Исследование чувствительности резистивного метода.

3.5 Анализ погрешностей определения диэлектрической проницае- 140 мости и тангенса угла диэлектрических потерь жидких смазочных материалов резистивным методом

3.6 Рекомендации по применению резистивного метода измерения 144 для определения электрических параметров жидких диэлектриков Выводы по 3 главе

Глава 4 Экспериментальные исследования резистивного метода кон- 149 троля электрических параметров смазочных материалов

4.1 Описание измерительной установки

4.2 Методика определения электрических параметров жидких сма- 152 зочных материалов

4.3 Калибровка измерительной ячейки

4.4 Определение характера исследуемых сопротивлений

4.5 Апробация резистивного метода контроля

4.6 Исследование электрических параметров смазочных масел и их частотной дисперсии резистивным методом

4.7 Исследование зависимостей электрических параметров смазоч- 177 ных масел от наработки

4.8 Перспективы развития резистивного метода контроля электри- 178 ческих параметров жидких диэлектриков

Выводы по 4 главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Резистивный метод и устройство контроля электрических параметров жидких смазочных материалов»

Актуальность: 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 горючесмазочных 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, A.B. Тарасов, Н.Г. Подгайный (ФГБОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ), В.Л, Лашхи, Г.И. Шор, В.А. Золотов (ФГУП «25 ГосНИИ МО РФ»), Б.В. Сквор-цова (СГАУ), Ю.Г. Подкин (ФГБОУ ВПО ИжГТУ), С.Н. Сычёв, Е.В. Пахол-кин (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» г.Орёл) 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.

Объектом исследований резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов, а предметом исследований -принципы реализации и метрологические характеристики резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов.

Цель работы: 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.

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.

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.

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 резистив-ного 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 тре-ния»( в рамках формирования государственных заданий в высшем учебном заведении на 2012-2014 г).

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 5 Международных конференциях и семинарах:

1) Международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки - 120 лет», Орел, 2006 г.;

2) Международная 5-я научно-практическая конференция «Нераз-рушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 2006 г.;

3) Международная школа-семинар молодых ученых «Проблемы экономики и менеджмента качества», Тамбов, 2006 г.;

4) Шестая международная научно-техническая конференция «Чка-ловские чтения», Егорьевск, 2007 г.;

5) Международная научно-техническая интернет-конференция «Информационные системы и технологии 2011», Орёл, 2011.

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

Список опубликованных работ:

Публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Давыдова, Н.В. Определение параметров емкостной ячейки методам вольтметра-амперметра [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф, Т.И. Нога-чёва // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2010. -№2(280). - С. 78-81 (Личное участие 33%)

2 Давыдова, Н.В Электрорезистивный метод измерения параметров комплексного сопротивления [Текст] / Давыдова Н.В., Ногачёва Т.Н.// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.- 2010, №4(282) .-С.92-95. (Личное участие 50%)

3 Давыдова, Н.В. Выбор оптимальных значений образцовых сопротивлений при измерении электрических характеристик диэлектрической жидкости методом включения измерительной ячейки в резистивную цепь [Текст] / Н.В. Давыдова, Т.И. Ногачёва // Контроль. Диагностика. - 2010. - № 6(144). - С. 16-19. (Личное участие 50%)

4 Давыдова, Н.В. Анализ параметров измерительной ячейки, заполненной смазочным материалом [Текст] / Н.В. Давыдова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. -№ 6-2(284). - С. 84-88.

Прочие публикации

5 Давыдова, Н.В. Использование многоканального аналого-цифрового преобразователя с одновременным сэмплированием для реализации рези-стивного метода измерения электрических параметров жидких [Текст] / Н.В. Давыдова, Т.И. Ногачёва // Сборник материалов международной научно-техническая интернет-конференция «Информационные системы и технологии 2011» - Орёл: «Госуниверситет -УНПК», 2011. - С. 153-156. (Личное участие 50%)

6 Давыдова, Н.В. Выбор оптимального значения добавочногосопротив-ленияпри измерении параметров двухполюсника методом двух вольтметров [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачёва // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». -2009. -№ 1/273(559). - С. 99-101. (Личное участие 33%)

7 Давыдова, Н.В. Определение электрических параметров измерительной емкостной ячейки [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф // Известия Орел-ГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» - 2009. - № 3-275(561). - С. 99-101. (Личное участие 50%)

8 Давыдова, Н.В. Разделение потерь в жидком диэлектрике на потери от переполяризации и электронной проводимости [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - 2008. - № 3/271(546). - С. 90-95. (Личное участие 33%)

9 Чекашова, Н.В. Возможность применения емкостного метода для определения температуры в зоне трения [Текст] / Н.В. Чекашова // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - Орёл: ОрёлГТУ, 2007. -№ 2/266(532). - С. 135-138.

10 Чекашова, Н.В. Контроль температуры смазочной плёнки в зоне трения, работающего трибосопряжения [Текст] /Н.В. Чекашова // Чкаловские чтения: сборник материалов Шестой международной научно-технической конференции. (7-9 июня 2007г., г. Егорьевск)- Егорьевск.: ЕАТК ГА им. В.П. Чкалова, 2007. - С.70-71.

11 Чекашова Н.В. Оценка температуры в зоне жидкостного трения по интенсивности тепловых шумов смазочной плёнки/Н.В. Чекашова, С.Ф. Корндорф [Текст] // Гидродинамическая теория смазки - 120 лет: Труды Международного научного симпозиума. В 2-х томах. Т.2. - М.: Машиностроение 1, 2006. - С.295-302. (Личное участие 50%)

12 Чекашова, Н.В. Контроль температуры смазочного материала в зоне трения [Текст] / Чекашова Н.В. // Проблемы экономики и менеджмента качества: материалы Международной школы-семинара молодых ученых. (25-30 сентября 2006г., Тамбов) - Тамбов.: ТГТУ, 2006. - С.295-296.

13 Чекашова, Н.В. Термошумовой электрический метод контроля температуры в зоне жидкостного трения [Текст] / Н.В. Чекашова // Известия Орел

ГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орёл: ОрёлГТУ, 2006. - № 2. - С. 82-86

14 Чекашова, Н.В. Разделение каналов по частоте при измерении температуры смазочной плёнки в зоне трения термошумовым методом [Текст] / Н.В. Чекашова, С.Ф. Корндорф // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орёл: ОрёлГТУ, 2006. -№ 1. - С. 32-35 (Личное участие 50%)

15 Чекашова, Н.В. Возможность применения шумовой термометрии для определения температуры смазывающей плёнки[Текст] / Н.В. Чекашова, С.Ф. Корндорф // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. -Орёл: ОрёлГТУ, 2005. -№ 1. - С. 46-48 (Личное участие 50%)

16 Патент № 2431855 Российская Федерация, МПК в 01 Я 27/26. Способ и устройство для измерения электрических характеристик жидких электролитов и диэлектриков [Текст] / С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева, Н.В. Давыдова. - Опубл. 20.10.11, БИМП №29. (Личное участие 33%)

17 Патент № 2433416 Российская Федерация, МПК в 01 Я 27/26. Способ измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков [Текст] / С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева, Н.В. Давыдова- Опубл. 10.11.11, БИМП №31 (Личное участие 33%)

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