автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Расширение динамического диапазона датчиков встроенного контроля параметров дисперсной фазы рабочей жидкости

На правах рукописи

003488292

МАЛЬЧИКОВ Константин Юрьевич

РАСШИРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ДАТЧИКОВ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ЛЕН 2009

САМАРА - 2009

07179063

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профе сионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университ имени академика С.П. Королева» (СГАУ) на кафедре радиотехнических устройств и в О раслевой научно-исследовательской лаборатории ОНИЛ-16.

Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ

доктор технических наук, профессор Логвинов Леонид Митрофанович

Официальные оппоненты: Заслуженный работник высшей школы РФ

доктор технических наук, профессор Калакутский Лев Иванович

Кандидат технических наук, доцент Татаренко Евгений Иванович

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие

Государственный научно-производственный ракетн космический центр "ЦСКБ-Прогресс"

Защита состоится "25" декабря 2009г. в 12 часов на заседании диссертационного а вета Д 212.215.05, созданном при государственном образовательном учреждении высшег профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический унивс ситет имени академика С.П. Королева», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шосс 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аг рокосмического университета

Автореферат разослан " 24 " ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: д.т.н., профессор А.А.Калентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Гидравлические системы (ГС) являются одними из наиболее распространенных и широко используемых механизмов в современной авиационной и космической технике. Значительное усложнение структур современных гидросистем привело к существенному повышению требований к надежности, как отдельных узлов, так и ГС в целом. Особенно жесткими эти требования становятся для ГС, эксплуатация которых происходит в условиях повышенной температуры и давления, значительным уровнем вибрации и пульсации.

Надежность и долговечность ГС находится в прямой зависимости от чистоты внутренних полостей этих систем и рабочих жидкостей (РЖ) используемых в них. Частицы износа, генерируемые в РЖ в процессе эксплуатации - один из главных источников отказов гидравлических систем. Поэтому, контроль степени загрязнения гидравлической жидкости является одной из основных задач, которую предстоит решить при диагностике состояния гидравлической системы.

Изменение основных параметров (количество, размеры, материалы) механических частиц износа, генерируемых в РЖ процессе эксплуатации гидросистемы, является источником информации об истории течения процесса изнашивания трибомеханических узлов. Анализируя эти параметры можно получить данные о техническом состоянии ГС. Анализ работ В.А. Бербера, A.M. Матвеенко, Р.Г. Тимиркеева, Е.С. Фитча позволил выделить критерии контроля уровня чистоты РЖ по параметрам частиц износа.

Работы С.П. Беляева, Л.И. Калакутского, И.А. Кудрявцева, Л.М. Логвинова, А.Г. Ованесяна, В.Е. Шатерникова, К.С. Шефрина, а также зарубкжных авторов К. Грина, X. Соммера, М. Керкера и др. внесли значительный вклад в развитие исследований в области контроля уровня загрязнения РЖ.

В настоящее время разработкой средств контроля параметров частиц износа занимаются многие как российские, в том числе ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), НПП «Техно-прибор» (г. Москва), НИАТ (г. Москва), так и зарубежные предприятия: HYDAC (Германия), Hiac Royko (США), COULTRONICS FRANCE SA (Франция) и др. Однако, анализ разработанных и внедренных к настоящему времени датчиков встроенного контроля (ДВК) параметров частиц износа показал, что они с высокой степенью достоверности регистрируют частицы размером от 5 мкм и более. Однако, с учетом тенденции увеличения давления в магистралях ГС изделий машиностроения и в частности перспективных изделий авиационной и космической техники, необходимо анализировать дисперсный состав частиц износа размером 1-5 мкм.

Проведенный анализ современных средств встроенного контроля параметров дисперсной фазы (ДФ) РЖ показал, что сконструировать ДВК подобной чувствительности, позволяющий контролировать частицы износа столь малого размера в тяжелых условиях эксплуатации (при высоких уровнях давления и температуры, вибрации и пульсации) затруднительно в силу возникновения ряда технических проблем и требует значительных материальных затрат. Поэтому, наиболее перспективным представляется метод расширения диапазона размеров регистрируемых частиц износа, основанный на статистической обработке экспериментальных данных о распределении частиц износа, который позволяет, не внося существенных изменений в конструкцию ДВК, определять дисперсный состав частиц износа размером 1-2 мкм по экспериментальным данным о распределении частиц размером более 5 мкм.

Таким образом, расширение динамического диапазона регистрируемых размеров частиц износа при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (температура, давление, вибрация, пульсация) является актуальной научно-технической задачей имеющей большое практическое значение.

Целью данной работы является разработка и теоретическое обоснование методики и алгоритмов расширения динамического диапазона существующих датчиков встроенного

3

контроля параметров дисперсной фазы РЖ, позволяющего определять дисперсный сост частиц износа размером 1-2 мкм по экспериментальным данным о распределении часп размером более 5 мкм.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, что определи] структуру и основное содержание диссертации.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ методов встроенного контроля уровня загрязнения рабочей жидкост сравнительная оценка in-line и on-line методов контроля параметров частиц изн са в РЖ;

2. Модификация обобщенной гидродинамической модели гидравлического трак ДВК параметров частиц износа работающих в широком диапазоне температуры расхода РЖ;

3. Разработка алгоритма инженерной методики расчета основных конструктивнь параметров гидродинамического тракта ДВК;

4. Исследование методов и алгоритмов обработки экспериментальных данных о ра пределении дисперсного состава частиц износа в РЖ с помощью параметрическо аппроксимации и аппроксимации на основе ортогональных функций;

5. Разработка алгоритма расширения динамического диапазона регистрируемы частиц износа до 1-2 мкм на основе экспериментальных данных о распределени частиц размером более 5 мкм;

6. Экспериментальное исследование эффективности разработанных методов восст< новления распределения дисперсного состава частиц износа в РЖ;

7. Разработка программного обеспечения (ПО) для систем контроля уровня загря нения РЖ, позволяющего определять дисперсный состав частиц износа размеро, 1-5 мкм по экспериментальным данным о распределении частиц размером более мкм.

Методы исследования.

В диссертационной работе используются методы структурно-функционального am лиза, теоретические основы гидродинамики, методы аппроксимативного анализа и чи ленного решения систем дифференциальных уравнений, экспериментальные исследовани и имитационное моделирование с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модифицированная обобщенная гидродинамическая модель ДВК i line и on-line типов, отображающая связь геометрических параметров гидравлич ского тракта датчика при условии изокинетического отбора пробы РЖ;

2. Разработана методика расширения динамического диапазона размеров контроли руемых частиц износа до 1-2 мкм на основе «восстановления» функции плотност вероятности распределения параметров дисперсной фазы рабочей жидкости п экспериментальным данным о распределении частиц размером свыше 5мкм;

3. Предложена методика повышения точности контроля концентрации дисперсно фазы за счет рационального выбора количества дифференциальных коридоров исследована зависимость от объема первоначальной выборки.

Практическую ценность работы представляют:

1. Модифицированная конструкция гидродинамического узла ДВК in-line и on-lin типов, позволяющая расширить рабочий диапазон расхода и давления РЖ при со хранении изокинетичности отбора пробы;

2. Предложенная схема конструкции ДВК on-line типа, обеспечивающая возмож ность эксплуатации в широком диапазоне температур РЖ;

3. Разработанный алгоритм проведения инженерных расчетов основных параметро гидравлического тракта ДВК;

4. Программное обеспечение для систем контроля уровня загрязнения РЖ позволяющее производить анализ концентрации частиц износа размером 1-2 мкм по экспериментальным данным о дисперсном составе частиц размером более 5 мкм.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 7 международных, всероссийских и региональных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006), Научно-техническая конференция с международным участием «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2006)» (Самара, 2006), Всероссийской научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2007), 4-й научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007), IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009), Всероссийской научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2009), Международной научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009).

На защиту выносятся:

1. Модифицированная обобщенная гидродинамическая модель гидравлического тракта ДВК in-line и on-line типов, отображающая связь геометрических параметров гидравлического тракта при условии изокинетического отбора пробы РЖ;

2. Методика расширения динамического диапазона размеров контролируемых частиц износа до 1-2 мкм на основе «восстановления» функции плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы рабочей жидкости по экспериментальным данным о распределении частиц размером свыше 5мкм;

3. Методика повышения точности контроля концентрации дисперсной фазы за счет рационального выбора количества дифференциальных коридоров гистограммы распределения дисперсного состава.

Публикации:

По теме диссертационной работы автором опубликовано 10 работ, в т.ч. 7 статей, из них 2 - в периодических научных и научно-технических изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 127 страниц машинописного текста, включая 9 таблиц, 40 рисунков. Список использованных источников составляет 102 наименования.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, изложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ научно-технической проблемы контроля уровня загрязнения РЖ по параметрам частиц износа, генерируемых в процессе эксплуатации ГС, в ходе которого были определены основные источники загрязнения РЖ, влияние частиц износа на надежность гидрооборудования, а так же обоснован выбор диагностических критериев оценки технического состояния гидроагрегатов по параметрам частиц износа. Проведен сравнительный анализ существующие в настоящее время методов и средств контроля параметров частиц загрязнения рабочей жидкости.

Из обобщенной схемы ГС (рис. 1) видно, что ввиду замкнутости ГС возникновение механических частиц износа на любом из се участков вызывает постепенный износ поверхностей трения трибомеханических узлов. В результате этого в систему генерируется большое количество частиц износа, которые забивают фильтры и приводят к отказам прецизионных элементов.

На основе применения ДВК

HJ0 МВР

си

\7

Ф!

Т—

Усилие

и

ЗР

Б-5ак с РЖ; Ф1, Ф2-фильтры; СЦ—силовой цилиндр; М - мотор Д1-Щ-датчики

СКУЗРХ ( ПО И'

J-K * БОИ

Z

БУ ФЭ

ГС

Рисунок 2 - Система контроля и управления уровнем загрязнения РЖ

Рисунок 1 - Обобщенная схема i l. технологического оборудования

параметров частиц износа была пре ложена система встроенного контр ля и управления уровнем загрязнени (СКУЗ) РЖ приведенная на рисунк 2. Она включает в себя коммутато (К) выходов ДВК; блок обработк информации (БОИ), анализирующи данные об уровне загрязнения Р^ получаемые с ДВК и формирующи управляющие сигналы, передаваемы в блок управления фильтрующим элементами (БУ ФЭ) и специализи рованного программного обеспечени (ПО).

L ФЭ

На сегодняшний день используются два основных метода встроенного контроля па раметров частиц износа классифицирующиеся по способу отбора пробы РЖ, схематичн изображенные на рисунке 3.

In-line

Рисунок 3 - Функциональная схема методов встроенного контроля параметров дисперсной фазы

Анализ современных ДВК показал, что в настоящее время достаточно широко ис пользуются виброакустические, акустоэмиссионные, ультразвуковые и другие методь контроля параметров частиц износа. Однако наиболее эффективным и перспективным являются фотоэлектрические ДВК in-line и on-line типов.

Большое распространение получил фотоэлектрический датчик «Поток» (рис. 4), разработанный в лаборатории ОНИЛ-16 СГАУ под руководством Логвинова Л.М. и входящий в состав системы контроля чистоты гидравлической жидкости «ФОТОН-965» (номер в госреестре 3292406). Уникальность этого датчика заключается в том, что она позволяет определять

уровень загрязнения непосредственно в in-line типа «Поток» потоке рабочей жидкости при расходах жидкости до 100 л/мин и давлении в Г"С до 28 МПа.

Вторая глава посвящена разработке и анализу модифицированной обобщенной гидродинамической модели ДВК параметров частиц износа in-line и on-line типов, а также определению алгоритма инженерных расчетов основных геометрических параметров гидравлического тракта проектируемого датчика.

В данной главе проанализирована функциональная схема технологического процесса контроля уровня чистоты РЖ, разработанная с учетом специфики встроенного контроля параметров частиц износа. Она представляет собой последовательность перемещения частиц в РЖ от момента ее генерации в трибомеханическом узле и отделении от поверхности трения до прохождения через измерительный объем первичного преобразователя. Приведены рекомендации по минимизации осаждения частиц на стенках трубопроводов между трибомеханическим узлом и датчиком.

Особое внимание в данной главе уделено вопросу отбора представительной пробы РЖ и определению условия нарушения изокинетичности пробоотбора, а так же сформулированы требования к обеспечению соответствия параметров дисперсной фазы в основной магистрали трубопровода и в пробозаборном капилляре гидродинамического узла (ГДУ) датчика.

Из графика зависимости регистрируемой концентрации частиц износа от коэффициента изокинетичности (К) (рис. 5) видно, что влияние изокинетичности отбора пробы на концентрацию частиц износа малого размера (5-10 мкм) минимально, однако с увеличением размеров частиц влияние коэффициента К существенно возрастает. Это обусловлено коэффициентом увлечения частиц износа. К которое наиболее существенно с

Рисунок 5 - Зависимость регистрируемой увеличением размера частиц. При концентрации механических частиц износа (.NJ от этом наибольшая достоверность коэффициента изокинетичности (К) результатов контроля достигается

при К=1.

Была модифицирована конструкция фотоэлектрического ДВК in-line типа для обеспечения изокинетичности контролируемого потока в широком диапазоне расхода и давления РЖ. Особенностью данного типа датчиков состоит в том, что ГДУ и чувствительный элемент ДВК находится непосредственно в потоке РЖ, что обеспечивает возможность контроля параметров частиц износа и их концентрацию в РЖ при рабочих значениях давления

;

Рисунок 4 - Фотоэлектрический ДВК

и расхода жидкости. Гидродинамический узел данного типа ДВК состоит из двух чаете" пробозаборного капилляра и адаптивного регулятора расхода РЖ, которые обеспечиваю изокинетический отбор контролируемого потока. Схема конструкции ДВК in-line тип

(светодиод); i - фотоприемник; 5 - диафрагма; 6 — регулирующий клапан. 7 - корпце датчика;

Рисунок 6 - Схема конструкции фотоэлектрического датчика встроенного контроля параметров частиц износа в рабочей жидкости in-line типа

Однако, несмотря на все известные достоинства фотоэлектрических ДВК in-line типа они имеют ограниченный диапазон температур РЖ, при которых возможна их эксплуата ция. Так при значительном повышении температуры (до 70°С) в полупроводниках чувст вительного элемента фотоэлектрического преобразователя происходят необратимые про цессы вплоть до их полного теплового разрушения. Для разрешения данной проблемы не обходимо понизить температуру рабочей жидкости. На практике, осуществить это непо средственно в основном потоке при большом уровне расхода практически невозможно Поэтому, необходимо предусмотреть в конструкции датчика дополнительный контур дл отвода пробы РЖ, в котором установлен теплообменник, т.е. перейти от ДВК in-line типа ДВК on-line типа. Конструкция ДВК on-line типа для применения в условиях повышенно? температуры РЖ подробно рассмотрена в диссертации.

С учетом особенностей конструкции ДВК параметров частиц износа in-line и on-lin типов, а также основных уравнений гидродинамики была предложена модифицированна гидродинамическая модель (рис. 7), позволяющая связать основные геометрические пара метры гидравлического тракта датчика при условии изокинетического отбора пробы РЖ.

б-т р)

п

;;;

9 ( — _ '1.

; —■

-

Пар/

Рисунок 7 - Обобщенная модифицированная гидродинамическая модель

ДВК

Анализ предложенной гидродинамической модели был проведен на основании уравнения Бернулли:

Рех+Р

вх

=Рвых+Р-

V,

вых

где Р

Р„„- входное

Ьл

2 вых г 2

давление, давление на выходе из дат-

чых

V2

чика, Р~2— скоростной напор потока жидкости, Г^-скорость потока РЖ на входном срезе,

Vа

(1)

кгс

мин

Рисунок 8 - Изменение перепада давления на капилляре в зависимости от расхода РЖ

'Гвых~ вых°Дная скорость потока р - плотность жидкости.

Результаты теоретического анализа были подтверждены экспериментально. На рисунке 8 приведен график зависимости перепада давления на капилляре от расхода РЖ через ДВК при постоянной температуре.

На основании предложенной модифицированной гидродинамической модели ДВК с учетом введенного коэффициента изокинетичности было получены уравнения, описывающие скорости потоков РЖ в измерительном канале и через адаптивный регулятор в зависимости от скорости потока в основном трубопроводе:

у<-т

(2)

где А" - коэффициент изокинетичности, К-скорость потока РЖ в трубопроводе, -скорость потока в капилляре, V -скорость потока РЖ через адаптивный регулятор, йИ -диаметр основного трубопровода, с!0 -диаметр пробозаборного капилляра, ({И -диаметр пробозаборного капилляра с учетом толщины стенок, М - отноше-

ние площадей поперечного сечения внешнего канала (50) и адаптивного регулятора (Б/).

Данная модель соответствует ДВК как in-line, так и on-line типов и используется для опре деления основных геометрических и гидравлических характеристик разрабатываемог датчика.

Разработан алгоритм расчета основных геометрических параметров гидравлическог тракта ДВК.

Третья глава посвящена разработке методики и алгоритмов расширения динамиче ского диапазона регистрируемых частиц износа существующих ДВК. В основе разрабо танной методики лежит применение статистической обработки данных, получаемых с вы ходов ДВК.

Для описания распределения частиц загрязнения в рабочей жидкости можно восполь зоваться различными теоретическими и экспериментальными зависимостями. Благодар свойству устойчивости формы кривых, наиболее подходящим способом аналитическог описания дисперсного состава частиц загрязнения является описания в виде плотности ве роятности (ПВ). Знание закона распределения позволяет решать широкую группу как тео ретических, так и прикладных задач, например, обоснованно экстраполировать дисперс ный состав по всему необходимому диапазону размеров частиц или по данным весовог распределения вычислять распределение частиц по их числу, объему и т.п. Таким образои аппроксимируя ПВ дисперсного состава частиц износа размером более 5 мкм можно опр делить значения параметров, позволяющие получуть оценку распределения дисперсног

состава частиц размером 1-5 мк

N.

ч/см3

(рис. 9).

Были проведены исследовани параметрической аппроксимации аппроксимации с помощью ортог нальных функций Лагерра, Лежан ра и Дирихле., Анализ результате показал, что аппроксимация с п мощью ортогональных функций дс ет лучшую сходимость результата Однако, «восстановление» функци плотности вероятности возможн только с помощью параметрическо аппроксимации.

Известно, что распределения дисперсного состава частиц износа в жидкости подч няется логарифмически-нормальному закону распределения. Таким образом, для аналит ческого описания дисперсного состава наиболее обоснованным является выражение:

( \

О

10

15 d, мкм

Рисунок 9 - Модель распределения дисперсного состава частиц износа

/ (хд.сг) =--г— ехр

а хсгы2к

(lnx-af

2ст2

(

где а - математическое ожидание, а - среднеквадратическое отклонение величины 1п(х) Для определения оптимальных значений параметров аппроксимирующей функци воспользуемся методом наименьших квадратов, т.е. должно выполняться условие миш мума квадратической погрешности:

где Л-(ху)=~— значение плотности вероятности соответствующее у'-му дифференц

альному коридору, у) - количество частиц в у -м дифференциальном коридоре, у,. - общее количество частиц износа.

Для решения задачи аппроксимации опытных данных функцией (3) в диапазоне размеров частиц износа более 5 мкм и восстановление плотности вероятности в области 1-5 мкм необходимо решить систему уравнений:

, дЛ "Г?,-. , Ж(х а,сг)

да 1-1 ' да

, дЛ »Г?/_ , Лд//х а,а) (5)

Корни решения данной системы уравнений, в соответствии с методом Ньютона, примут вид:

1

А

8/:

где А'--

да,, да,,

. д/,{а,а) сГ,(а,а) д/,{а,а) д/2{а,а)

(6) (7)

да да да да

Как известно, метод Ньютона критичен к выбору начальных условий. Для обеспечения сходимости метода при аппроксимации плотности распределения в качестве начальных условий решения уравнений (7), (8) целесообразно использовать значения МО и СКО, рассчитанных на основе экспериментальных данных, полученных с выхода ДВК:

а<> = [ I (Л(х,)■ 1п(х, ;)) <х„ = Ъ(Л(х1) • (/иГдг,)-а)) (8)

(9)

При этом выполнение итерационного алгоритма следует продолжать до тех пор, пока не выполнится условие:

Пример восстановления функции плотности вероятности приведен на рисунке 10. Относительная погрешность прогнозирования составила 8=14%. При этом, практике допустимым значением погрешности определения дисперсного состава частиц износа является величина 3 = 20...30% .

| -Экспериментальные данние

" " Результат прогнозирования

Рисунок 10 - Результат восстановления функции плотности распределения дисперсного состава частиц износа.

В четвертой главе рассмотрен вопрос повышения точности контроля концентрации дисперсной фазы рабочей жидкости.

При обработке экспериментальных данных о распределении дисперсного состава частиц износа в РЖ с помощью параметрической аппроксимации плотности вероятности про-

О 2000 ¿ООО 6000 ЗООО WOO 12000 U000 N

Рисунок 11 - Зависимость минимального количества дифференциальных коридоров от объема выборки

изводится замена истинного распределения аналитическим выражением (3) с рассчр таимыми оптимальными значениями параметров аппроксимирующей функции. При это, неизбежно возникает отклонение истинного значения от его оценки.

Для оценки степени соответствия полученной оценки и истинного распределени можно воспользоваться критерием согласия Пирсона (х1).

На основе применения критерия согласия Пирсона в данной главе был выполнен ра чет количества дифференциальных коридоров необходимых для проведения анализа. Пр

этом были получены следу! щие результаты.

На рисунке 11 предста лен график зависимости мш чества дифференциальных к ридоров (интервалов разбиени гистограммы) для оценк плотности вероятности, согл сующейся по критерию Пи сона от объема выборки. К видно из приведенного гр фика, с увеличением объе выборки необходимо увелич! вать количество интервал дискретизации гистограмм

Это происходит потому, что при увеличении объема выборки яснее проявляются особеь ности плотности вероятности, и требуется подвергать анализу большее число диффере циальных коридоров, чтобы эти особенности зафиксировать в оценке. Анализ показал, ч при дальнейшем увеличении объема выборки (/V > 15000) увеличение необходимого и личества дифференциальных коридоров {Мтт > 31) практически не происходит.

На рисунке 12 представлен график зависимости значений критической статистики от объема выборки (N) для каждого значения количества интервалов разбиения гистограммы (М). Как видно из приведенного графика, для каждого из приведенных объемов выборки максимальные значения критической статистики находятся близко верхнему граничному значению для уровня значимости а = 0.01, х~ =48.278.

В пятой главе была разработана архитектура системы (рис. 13) контроля чистот

РЖ, описана ее практическая реал! зация, а также приведены резул1 таты экспериментальных исслед ваний.

Размеры частиц износа более мкм преобразуются с помощь ДВК в электрический сигнал, кот рый поступает на обработку в ми

Рисунок 12 - Зависимость критической статистики критерия Пирсона от объема выборки

Ж)

дек?

Микропроцессор

ЭВМ

авкп

Блок

индикации

Рисунок 13 - Архитектура системы контроля

роконтроллер, и затем выдается на электронный блок индикации и поступает в виде входных данных для выполнения алгоритма определения концентрации частиц размером 1-5 мкм в ЭВМ.

Схема алгоритма программы для ЭВМ, обеспечивающей выполнение алгоритма рас-

Рисунок 14 - Схема алгоритма программы для ЭВМ

На рисунке 15 приведена экранная форма программного обеспечения для ЭВМ, предназначенного для выполнения алгоритмов, повышающих динамический диапазон ДВК.

Рисунок 15 - Экранная форма программы для ЭВМ

В заключении сформулированы основные выводы и результаты. Приведены техн ческие характеристики ДВК параметров ДФ РЖ до и после внедрения полученных резул) татов.

Таблица 1 - Технические характеристики ДВК ДФ РЖ

№ п.п. Характеристика До модификации После модификации

1 Диапазон контролируемых частиц износа, мкм 5-200 1-200

2 Предел температуры контролируемой РЖ, °С 60 150

3 Диапазон расхода РЖ через ДВК, л/мин. 5-15 5-75

4 Пределы основной относительной погрешности при измерении счетной концентрации частиц размером 100-200 мкм. % ±20 ±20

5 Дополнительная погрешность при измерении счетной концентрации частиц за счет совпадения двух и более частиц в измерительном объеме ДВК при предельной концентрации 1500 частиц/см3, % 15 15

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы существующие средства встроенного контроля уровня загрязнен РЖ по параметрам частиц износа. Анализ показал, что использование ДВК in-li дает большую точность определения параметров частиц по сравнению с ДВК о/ line типа. Наблюдается хорошая сходимость результатов при контроле част размером 10-25 мкм и существенные расхождения результатов контроля част 25-50 мкм и более.

2. Разработана обобщенная модифицированная гидродинамическая модель ДВК ii line и on-line типов параметров частиц износа и алгоритм расчета параметров да чика, устанавливающая связь геометрических параметров гидравлического трак датчика при условии изокинетического отбора пробы РЖ.

3. Предложена модифицированная схема конструкции фотоэлектрического ДВК ii line типа, включающего в себя адаптивный регулятор расхода РЖ для обеспеч ния изокинетичности отбора пробы в большом диапазоне расхода РЖ. Результат

экспериментальных исследований показали, что введение адаптивного регулятора позволило расширить диапазон расхода РЖ через ДВК в 15 раз.

4. Предложена модель конструкции ДВК on-line типа для использования в условиях высокой температуры РЖ до 150 °С.

5. Исследованы методы аппроксимации плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы РЖ с помощью логарифмически-нормального распределения и ортогональных функций Лагерра, Лежандра и Дирихле. Анализ результатов исследования показал высокую точность обоих методов, относительная погрешность которых соответственно составляет S4,=8-12%, 8,,.ф=5-9% соответственно.

6. Предложен алгоритм расширения диапазона размеров контролируемых частиц износа с помощью «восстановления» плотности вероятности распределения ДФ РЖ в области 1-2 мкм по экспериментальным данным о распределении дисперсного состава частиц износа размером более 5 мкм.

7. Проведено экспериментальное исследование эффективности разработанных методов алгоритмов аппроксимации и «восстановлениям функции плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы РЖ на основе критерия согласия Пирсона (х~). Была определена зависимость необходимого количества интервалов разбиения гистограммы от объема выборки.

8. Предложена архитектура системы контроля чистоты РЖ и разработано программное обеспечение для нее, реализующее алгоритмы расширения диапазона размеров контролируемых частиц износа.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Мальчиков, К.Ю. Алгоритм обработки сигналов, формируемых датчиками встроенного контроля параметров частиц загрязнения рабочей жидкости гидросистем. [Текст] / Л.М. Логвинов М.А. Ковалев, К.Ю. Мальчиков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «Перспективы и направления развития транспортной системы». - Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2007. с. 214-217.

2. Мальчиков, К.Ю. Применение аппроксимативного анализа результатов экспериментов в задаче диагностирования технического состояния гидросистем [Текст] / К. 10. Мальчиков, Л. М. Логвинов, М. А. Ковалев // Вестник СГАУ вып. 3 (19) ч. I. с. 2009. с.82-89

Статьи в других изданиях

3. Мальчиков, К.Ю. Автоматизированная система аппроксимативного анализа технического состояния узлов трения гидросистем. [Текст] / К.Ю. Мальчиков, Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев. // Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2006): Труды НТК с международным участием. Том 1. - Самара, 2006. с. 175 - 179.

4. Мальчиков, К.Ю. Аппроксимативный анализ технического состояния трибомеха-пических узлов гидросистем на основе ортогональных функций Лагерра. [Текст] / К.Ю. Мальчиков, М.А. Ковалев. // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: Материалы докладов Всероссийской НТК. - Самара: СГАУ, 2007. с. 26-30.

5. Мальчиков, К.Ю. Аппроксимативный анализ параметров частиц загрязнения рабочей жидкости гидросистем. [Текст] / К.Ю. Мальчиков, Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев. // Исследования и перспективные разработки в авиационной про-

мышленности: Материалы докладов 4-й научно-практической конференции м лодых ученых и специалистов. - М.: ОАО «ОКБ СУХОГО», 2007г. с.893 - 897.

6. Мальчиков, К.Ю. Встроенный контроль уровня загрязнения рабочей жидкости гидросистемах изделий авиационной и космической техники на основе использ вания фотоэлектрических датчиков. [Текст] / Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев, К.1 Мальчиков. // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаци' Материалы докладов Всероссийской НТК. - Самара: СГАУ, 2009. с. 40-44.

7. Мальчиков, К.Ю. Применение методов аппроксимативного анализа в задачах п вышепия разрешающей способности фотоэлектрических датчиков встроенно контроля уровня загрязнения рабочей жидкости в гидравлических системах [Текст] / К.Ю. Мальчиков. // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекои-муникаций: Материалы докладов Всероссийской НТК. - Самара: СГАУ, 2009. 40-44.

Тезисы докладов

8. Мальчиков, К.Ю. Автоматизированная система для исследования состояния узл трения гидросистем. [Текст] / К.Ю. Мальчиков, Л.М. Логвинов М.А. Ковалев. Проблемы и перспективы развития двигателестроения Материалы докладов Ме" дународной НТК. Часть 1. - Самара: СГАУ, 2006. с. 10-12.

9. Мальчиков, К.Ю. Алгоритм повышения чувствительности фотоэлектрическ датчиков встроенного контроля параметров частиц загрязнения рабочей жидкое гидросистем. [Текст] / К.Ю. Мальчиков, Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев. // Мат риалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинч_ ринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В т.; Т. 1. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2009. с. 97-98.

10. Мальчиков, К.Ю. Модификация гидравлической модели фотоэлектрического да чика встроенного контроля уровня загрязнения рабочих жидкостей. [Текст] К.Ю. Мальчиков, Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев. // Материалы докладов IV Мея дународной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / П общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 1. - Казань: Каза гос. энерг. ун-т, 2009. с. 98-100.

Подписано в печать 20.11.2009 Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета СГАУ 443086, Самара, Московское шоссе, 34

Перечень сокращений и условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Анализ научно-технической проблемы контроля технического состояния гидросистем.

1.1 Выбор диагностических признаков и критериев при контроле технического состояния гидросистем па параметрам частиц износа в рабочей жидкости.

1.2 Анализ источников загрязнения рабочей жидкости гидросистем механическими частицами износа.

1.3 Влияние механических частиц загрязнения рабочей жидкости на надежность гидравлических систем.

1.4 Особенности контроля технического состояния гидросистем по параметрам частиц износа в рабочей жидкости.

1.4.1 Определение требований к уровню чистоты рабочей жидкости в гидросистеме изделий авиационной техники.

1.4.2 Основные требования к средствам контроля технического состояния гидравлических систем.

1.4.3 Техническое обеспечение методов контроля параметров частиц износа в рабочей жидкости.

1.5 Анализ методов и средств контроля технического состояния узлов гидросистем по параметрам частиц загрязнений.

1.5.1 Методы контроля уровня загрязнения рабочей жидкости гидросистем.

1.5.2 Анализ средств контроля параметров механических частиц загрязнения рабочей жидкости гидросистем.

Выводы.

Глава 2. Модели фотоэлектрических датчиков встроенного контроля параметров дисперсной фазы.

2.1 Обобщенная структурная и функциональная схемы встроенного контроля параметров дисперсной фазы рабочей жидкости.

2.2 Кинетика отбора пробы из потока рабочей жидкости.

2.3 Физические схемы и особенности конструкции фотоэлектрических датчиков встроенного контроля параметров частиц износа

2.3.1 Физическая схема датчика встроенного контроля параметров частиц износа в рабочей жидкости IN-LINE типа.

2.3.2 Физическая схема датчика встроенного контроля параметров частиц износа в рабочей жидкости ON-LINE типа.

2.4 Гидродинамическая модель фотоэлектрического датчика встроенного контроля параметров дисперсной фазы рабочей жидкости.

Выводы.

Глава 3. Расширение динамического диапазона размеров частиц дисперсной фазы рабочей жидкости.

3.1 Математическая модель дисперсного состава частиц загрязнения рабочей жидкости гидросистем.

3.2 Анализ распределения дисперсного состава частиц износа в рабочей жидкости.

3.2.1 Аппроксимация плотности распределения дисперсного состава частиц износа с помощью функции заданного вида.

3.2.2 Аппроксимация плотности распределения дисперсного состава частиц износа с помощью ортогональных функций Лагерра, Лежандра и Дирихле.

3.3 Восстановление функции плотности вероятности распределения дисперсного состава частиц износа на основе экспериментальных данных.

Выводы.

Глава 4. Методика повышения точности оценки дисперсного состава частиц износа

4.1 Определение оценок плотности вероятности, удовлетворяющих критерию согласия Пирсона.

4.2 Оценка точности восстановления плотности вероятности распределения дисперсного состава частиц износа.

4.2.1 Зависимость оценки плотности вероятности распределения дисперсного состава от количества дифференциальных коридоров.

4.2.2 Зависимость оценки плотности вероятности распределения дисперсной фазы от объема выборки.

4.3 Прогнозирование распределения дисперсного состава частиц износа в рабочей жидкости гидросистем.

Выводы.

Глава 5. Разработка системы автоматизированного контроля параметров дисперсной фазы рабочей жидкости.

5.1 Программный комплекс прогнозирования распределения дисперсной фазы рабочей жидкости.

5.1.1 Подсистема задания начальных данных.

5.1.2 Подсистема аппроксимации и восстановления плотности вероятности.

5.2 Экспериментальное исследование разработанных алгоритмов.

Выводы.

Развитие авиационной и космической техники в последние десятилетия связано со значительным усложнением всего комплекса применяемого оборудования. Постоянно возрастающие требования к безопасности эксплуатации изделий авиационной техники (АТ) предопределило возникновение задачи увеличения ресурса и повышения надежности как основных узлов и систем, так и всего изделия в целом. Условия эксплуатации современных изделий АТ связаны с высоким уровнем динамических нагрузок и внешних воздействий, что предопределяет использование конструкций с ограниченным ресурсом, техническое состояние (ТС) которых должно диагностироваться постоянно или периодически.

Гидравлические системы (ГС) являются одними из наиболее распространенных и широко используемых механизмов в современном машиностроении, и в частности АТ. За последнее время область их применения значительно расширилась. Практически ни один летательный аппарат не обходится без гидравлической системы, обеспечивающей работу органов управления, механизации крыла, уборку и выпуск взлетно-посадочных устройств и других органов воздушного судна, перемещение которых требует больших усилий.

Значительное усложнение структур современных гидросистем привело к существенному повышению требований к надежности, как отдельных узлов, так и ГС в целом [1, 2]. Особенно жесткими эти требования становятся для систем, эксплуатация которых происходит в условиях повышенной температуры и давления, значительным уровнем вибрации и пульсации [1,3].

Одной из важнейших составляющих любой ГС является рабочая жидкость (РЖ). Кроме своей основной задачи, передача механической энергии от источника к потребителю (исполнительному механизму), она выполняет функции смазки и охлаждения трущихся поверхностей, а так же отвода продуктов (частиц) износа с поверхностей узлов трения.

В условиях реальной эксплуатации существенное влияние на техническое состояние гидросистем и гидроагрегатов оказывает ряд факторов, которые могут ограничить их срок службы и повлиять на их нормальное функционирование. Известно, что надежность и долговечность ГС находится в прямой зависимости от чистоты внутренних полостей этих систем и рабочих жидкостей используемых в них. Частицы загрязнения -один из главных источников отказов гидравлических систем. Наличие загрязнений вызывает износ трущихся пар, ухудшает режим смазки, закупоривает каналы малого сечения, приводит к заклиниванию золотниковых пар, повышает силы трения в узлах, а отсюда нарушение работоспособности и ухудшение параметров гидроагрегатов [1, 3, 4, 5, 6].

Анализ отказов и нарушений работы гидропривода [1, 4, 7] показывает, что основной причиной значительной доли выходов из строя является износ основных узлов гидроагрегатов, вызываемого недопустимо высоким уровнем загрязнения РЖ. Для надежной работы гидросистем, приводов и агрегатов необходимо обеспечение чистоты на всех этапах: изготовления, сборки, заправки жидкостью, испытаниях и эксплуатации. Поэтому, контроль степени загрязнения гидравлической жидкости является одной из основных задач, которую предстоит решить при диагностике состояния гидравлической системы.

Изменение основных параметров (количество, размеры, материалы) частиц износа, генерируемых в рабочую жидкость в процессе эксплуатации гидросистемы, является источником информации об истории течения процесса износа. Следовательно, анализируя изменение этих параметров во времени можно получить данные о техническом состоянии гидромеханических агрегатов [7, 8, 9].

Анализ публикаций сделанных, как в России, так и за рубежом [1, 4, 7, 10, 11, 12, 13] показал, что проблема, связанная с обеспечением надежности и долговечности гидравлических систем изделий, является актуальной. Не меньшего внимания заслуживает также проблема оперативного контроля уровня чистоты жидкости, особенно в тяжелых условиях эксплуатации [5, 7, 11, 12]. Оперативный контроль технического состояния гидросистем позволяет существенно повысить ресурс, как отдельных узлов, так и агрегатов в целом за счет своевременной замены фильтров и самой рабочей жидкости, а также значительно снизить стоимость эксплуатации за счет перехода от обслуживания по времени наработки на отказ к обслуживанию по их фактическому состоянию [7, 8, 11]. Особо стоит отметить эффект от применения автоматических методов контроля, который позволяет улучшить условия работы операторов-лаборантов, и снизить требования к их квалификации. Из всего вышесказанного следует, что применение средств автоматического оперативного контроля технического состояния ГС приносит значительный экономический эффект [4, 7, 8] в процессе их эксплуатации.

В настоящее время разработкой средств контроля технического состояния гидроагрегатов по параметрам частиц износа в рабочей жидкости занимаются многие как российские, в том числе ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), НЛП «Техноприбор» (г. Москва), НИАТ (г. Москва), так и зарубежные предприятия: HYDAC (Германия), Hiac Royko (США), COULTRONICS FRANCE SA (Франция) и др. Однако, оценка современных достижений в данной области показала, что, не смотря на определенные успехи, общий уровень исследований в этой области и внедрений их результатов оставляет эту проблему в целом открытой. Это объясняется сложностью контроля состояния гидросистем по параметрам рабочей жидкости, что требует разработки разнообразных методов и средств контроля уровня загрязнения рабочих жидкостей.

Существовавший до недавнего времени, единственный способ контроля уровня загрязнения жидкости, основанный на анализе отобранных проб, не позволяет получать объективную информацию об уровне ее загрязнения в реальном масштабе времени. Кроме этого, для данного метода характерны погрешности, связанные с самим способом отбора проб, обеспечением чистоты пробоотборной посуды и наличием «фильтрующего эффекта» обусловленным малым зазором в пробоотборном кране.

Значительно большую точность контроля дает метод, основанный на применении датчиков встроенного контроля (ДВК) [14] технического состояния гидравлических систем по изменению уровня загрязнения жидкости по параметрам частиц износа [7, 8, 11, 12, 15, 16]. Метод, основанный на применении ДВК параметров дисперсной фазы (ДФ) [14] позволяет отказаться от традиционного отбора пробы жидкости, что дает возможность повысить объективность и информативность, а самое главное, оперативность контроля в реальном масштабе времени.

Среди разработанных и внедренных к настоящему времени средств контроля, особенно следует выделить фотоэлектрический ДВК «Поток», предложенный в 80-х годах сотрудниками отраслевой научно-исследовательской лаборатории ОНИЛ-16 Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ) под руководством профессора Логвинова Л.М. [8, 12, 16, 17]. Уникальность этого датчика заключается в том, что он позволяет определять уровень загрязнения непосредственно в потоке рабочей жидкости (при расходах жидкости до 100 л/мин и давлении в ГС до 28 МПа).

Несмотря на определенные достоинства, разработанные к настоящему времени средства встроенного контроля уровня загрязнения рабочей жидкости ГС имеют свои ограничения. Эти ограничения обусловлены, прежде всего, сложностью их конструкции и, как следствие, сложностью использования в тяжелых условиях эксплуатации (при высокой температуре и давлении, вибрации и пульсации). Кроме того, разработанные к настоящему времени ДВК имеют невысокую чувствительность. Например, с помощью системы встроенного автоматического контроля уровня чистоты рабочих жидкостей «ФОТОН-965» (номер в госреестре 32924-06), разработанной в ОНИЛ-16 СГАУ, и основанных на применении фотоэлектрических ДВК, можно с достаточной степенью точности и надежности регистрировать частицы износа размером более 5 мкм. Разработать ДВК, регистрирующие частицы менее 5 мкм при наличии дестабилизирующих факторов связанных с агрессивными условиями эксплуатации до настоящего времени не удавалось.

Учитывая, что в последние годы наметилась тенденция к увеличению рабочего давления в магистралях гидросистем изделий АТ, что позволяет при сохранении массово-габаритных характеристик элементов ГС достичь высокой мощности и производительности. Так в ГС изделий авиационной техники наиболее широко используется рабочее давление значением 25.30 МПа, при котором зазоры в узлах трения гидроагрегатов имеют величину существенно более 5 мкм. Учитывая, что согласно прогнозам оптимальным является значение давления жидкости близкое к 50 МПа [18]. При этом зазоры в узлах трения составляют величину порядка 1.3 мкм. Таким образом, для эффективной диагностики технического состояния узлов ГС необходимо повысить расширить динамический диапазон регистрируемых размеров частиц износа. Сконструировать ДВК подобной чувствительности, позволяющий контролировать частицы износа столь малого размера в тяжелых условиях эксплуатации (при высоких уровнях давления и температуры, вибрации и пульсации) затруднительно в силу возникновения ряда технических проблем и требует значительных материальных затрат.

Одним из наиболее перспективных способов решения задачи расширения диапазона определяемых размеров частиц износа является применение различных методов математической обработки экспериментальных данных о распределении дисперсной фазы. В частности, статистическая обработка и применение методов аппроксимативного анализа [19, 20, 21], позволит определять статистические параметры (математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса), несущие информацию о распределении частиц износа в рабочей жидкости гидросистемы. Данный метод позволяет, не внося существенных изменений в конструкцию ДВК, расширить диапазон размеров контролируемых частиц и определять дисперсный состав частиц износа размером 1-2 мкм по экспериментальным данным о распределении частиц размером более 5 мкм.

Таким образом, расширение динамического диапазона регистрируемых размеров частиц износа при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (температура, давление, вибрация, пульсация) является актуальной научно-технической задачей имеющей большое практическое значение. [2, 8, 15].

Целью данной работы является разработка и теоретическое обоснование методики и алгоритмов расширения динамического диапазона существующих датчиков встроенного контроля параметров дисперсной фазы РЖ, позволяющего определять дисперсный состав частиц износа размером 12 мкм по экспериментальным данным о распределении частиц размером более 5 мкм.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, что определило структуру и основное содержание диссертации.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ методов встроенного контроля уровня загрязнения рабочей жидкости, сравнительная оценка in-line и on-line методов контроля параметров частиц износа в РЖ;

2. Модификация обобщенной гидродинамической модели гидравлического тракта ДВК параметров частиц износа работающих в широком диапазоне температуры и расхода РЖ;

3. Разработка алгоритма инженерной методики расчета основных конструктивных параметров гидродинамического тракта ДВК;

4. Исследование методов и алгоритмов обработки экспериментальных, данных о распределении дисперсного состава частиц износа в РЖ с помощью параметрической аппроксимации и аппроксимации на основе ортогональных функций;

5. Разработка алгоритма расширения динамического диапазона регистрируемых частиц износа до 1-2 мкм на основе экспериментальных данных о распределении частиц размером более 5 мкм;

6. Экспериментальное исследование эффективности разработанных методов восстановления распределения дисперсного состава частиц износа в РЖ;

7. Разработка программного обеспечения (ПО) для систем контроля уровня загрязнения РЖ, позволяющего определять дисперсный состав частиц износа размером 1-5 мкм по экспериментальным данным о распределении частиц размером более 5 мкм.

Методы исследования.

В диссертационной работе используются методы структурно-функционального анализа, теоретические основы гидродинамики, методы аппроксимативного анализа случайных процессов и численного решения систем дифференциальных уравнений, экспериментальные исследования и имитационное моделирование с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модифицированная обобщенная гидродинамическая модель ДВК in-line и on-line типов, отображающая связь геометрических параметров гидравлического тракта датчика при условии изокинетического отбора пробы РЖ;

2. Разработана методика расширения динамического диапазона размеров контролируемых частиц износа до 1-2 мкм на основе «восстановления» функции плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы рабочей жидкости по экспериментальным данным о распределении частиц размером свыше 5мкм;

3. Предложена методика повышения точности контроля концентрации дисперсной фазы за счет рационального выбора количества дифференциальных коридоров и исследована зависимость от объема первоначальной выборки.

Практическую ценность работы представляют:

1. Модифицированная конструкция гидродинамического узла ДВК inline и on-line типов, позволяющая расширить рабочий диапазон расхода и давления РЖ при сохранении изокинетичности отбора пробы;

2. Предложенная схема конструкции ДВК on-line типа, обеспечивающая возможность эксплуатации в широком диапазоне температур РЖ;

3. Разработанный алгоритм проведения инженерных расчетов основных параметров гидравлического тракта ДВК;

4. Программное обеспечение для систем контроля уровня загрязнения РЖ позволяющее производить анализ концентрации частиц износа размером 1-2 мкм по экспериментальным данным о дисперсном составе частиц размером более 5 мкм.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 7 международных, всероссийских и региональных конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006),

2. Научно-техническая конференция с международным участием «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2006)» (Самара, 2006),

3. Всероссийской научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2007),

4. 4-й научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007),

5. IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009),

6. Всероссийской научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2009),

7. Международной научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009).

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в учебном процессе кафедры «Радиотехнических устройств» СГАУ, Военной кафедры СГАУ.

На защиту выносятся:

Модифицированная обобщенная гидродинамическая модель гидравлического тракта ДВК in-line и on-line типов, отображающая связь геометрических параметров гидравлического тракта при условии изокинетического отбора пробы РЖ;

2. Методика расширения динамического диапазона размеров контролируемых частиц износа до 1-2 мкм на основе «восстановления» функции плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы рабочей жидкости по экспериментальным данным о распределении частиц размером свыше 5 мкм;

3. Методика повышения точности контроля концентрации дисперсной фазы за счет рационального выбора количества дифференциальных коридоров гистограммы распределения дисперсного состава.

Публикации:

По теме диссертационной работы автором опубликовано 10 работ, в т.ч. 7 статей, из них 2 - в периодических научных и научно-технических изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 127 страниц машинописного текста, включая 9 таблиц, 40 рисунков. Список использованных источников составляет 102 наименований.

Выводы

Заключение. Основные выводы и результаты работы

1. Исследованы существующие средства встроенного контроля уровня загрязнения РЖ по параметрам частиц износа. Анализ показал, что использование ДВК in-line дает большую точность определения параметров частиц по сравнению с ДВК on-line типа. Наблюдается хорошая сходимость результатов при контроле частиц размером 1025 мкм и существенные расхождения результатов контроля частиц 25-50 мкм и более.

2. Разработана обобщенная модифицированная гидродинамическая модель ДВК in-line и on-line типов параметров частиц износа и алгоритм расчета параметров датчика, устанавливающая связь геометрических параметров гидравлического тракта датчика при условии изокинетического отбора пробы РЖ.

3. Предложена модифицированная схема конструкции фотоэлектрического ДВК in-line типа, включающего в себя адаптивный регулятор расхода РЖ для обеспечения изокинетичности отбора пробы в большом диапазоне расхода РЖ. Результаты экспериментальных исследований показали, что введение адаптивного регулятора позволило расширить диапазон расхода РЖ через ДВК в 15 раз.

4. Предложена модель конструкции ДВК on-line типа для использования в условиях высокой температуры РЖ до 150 °С.

5. Исследованы методы аппроксимации плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы РЖ с помощью логарифмически-нормального распределения и ортогональных функций Лагерра, Лежандра и Дирихле. Анализ результатов исследования показал высокую точность обоих методов, относительная погрешность которых соответственно составляет длр =8-12%, д0.ф =5-9% соответственно.

6. Предложен алгоритм расширения диапазона размеров контролируемых частиц износа с помощью «восстановления» плотности вероятности распределения ДФ РЖ в области 1-2 мкм по экспериментальным данным о распределении дисперсного состава частиц износа размером более 5 мкм.

7. Проведено экспериментальное исследование эффективности разработанных методов алгоритмов аппроксимации и «восстановления» функции плотности вероятности распределения параметров дисперсной фазы РЖ на основе критерия согласия Пирсона (х). Была определена зависимость необходимого количества интервалов разбиения гистограммы от объема выборки.

8. Предложена архитектура системы контроля чистоты РЖ и разработано программное обеспечение для нее, реализующее алгоритмы расширения диапазона размеров контролируемых частиц износа.

Ниже в таблице приведены технические характеристики ДВК параметров ДФ РЖ до и после внедрения полученных результатов.

Характеристика До После п.п. модификации модификации

1 Диапазон контролируемых частиц износа, мкм 5-200 1-200

2 Предел температуры контролируемой РЖ, °С 60 150

3 Диапазон расхода РЖ через ДВК, л/мин. 5-15 5-75

4 Пределы основной относительной погрешности при измерении счетной концентрации частиц размером 100-200 мкм, % ±20 ±20

5 Дополнительная погрешность при измерении счетной концентрации частиц за счет совпадения двух и более частиц в измерительном объеме ДВК при предельной концентрации 1500 частиц/см3, % 15 15

1. Бербер, В.А. Обеспечение и контроль промышленной чистоты изделий авиационной техники: Автореф. дис. на соиск. учен, степени д-ра техн. наук. -Киев, 1983.

2. Никитин, Г.А. Влияние загрязненности жидкости на надежность работы гидросистем летательных аппаратов Текст./Г.А. Никитин, C.B. Чирков // М.: Транспорт, 1969. 184с.

3. Белянин, П.Н. Промышленная чистота машин Текст. / П.Н. Белянин, В.М. Данилов //М.: Машиностроение, 1982, 221с.

4. Биргер, И.А. Техническая диагностика Текст. / И.А. Биргер// М.: Машиностроение, 1978. -240с, ил. (надежность и качество).

5. Мозгалевский, A.B. Техническая диагностика Текст.: /A.B. Мозгалевский, Д.В. Гаскаров // М.: Машиностроение, 1977. 167с.

6. Fitch, Е.С. Fluid Contanination Control Текст. // Е.С. Fitch Technology transfer Series #4, Oklahome, FFS, INC. 1988. 433p.

7. Логвинов, JI.M. Техническая диагностика жидкостных систем технологического оборудования по параметрам рабочей жидкости Текст. / Л.М. Логвинов // M " ЦНТИ "Поиск", 1992.-91с

8. Bensch L.E., Fitch Е.С. A New Theory for the Contaminant Sensitivity of Fluid Power Pumps, Paper 72-CC-6, Basic Fluid Power Research Program, Oklahoma State University. 1972.

9. Барышев, В.И. Надежность гидропривода тракторов и сельхозмашин Текст./ В.И. Барышников // IV ВНТК по вопросам промышленной чистоты рабочих жидкостей гидросистем и фильтрации. Челябинск. 1990. с.З.

10. Логвинов, Л.М. Многоцелевые датчики встроенного контроля уровня загрязнения жидкостных систем изделий авиационной техники Текст. /

11. Логвинов Jl.M. // Тезисы докл. на ВНТК по проблемам динамики пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов. Куйбышев, 1990. с. 130.

12. Логвинов, Л.М., Приборы автоматического контроля загрязнения жидкостей гидросистем летательных аппаратов Текст. // Л.П. Битков, В.А. Кузнецов // Авиационная промышленность. 1984. №7. с.34-36, (ДСП).

13. Хоске, М. Заботимся о «здоровье» оборудования / М.Хоске //Control Engineering. Россия. - Июль, 2006. - С. 12-18

14. ГОСТ Р 51109-97 Промышленная чистота. Термины и определения. Текст.-Введ. 1997-12-17.

15. Тимиркеев, Р.Г. Промышленная чистота и тонкая фильтрация жидкостей летательных аппаратов Текст. / Р.Г. Тимиркеев, В.М. Сапожников // М.: Машиностроение, 1986.-152с.

16. А.с.1104395 (СССР). G01N 15/02. Фотоэлектрическое устройство для измерения размера и счетной концентрации частиц в потоке жидкости Текст./ Л.М. Логвинов, А.Ф. Воронов, Ю.А. Маланичев, В.А. Кузнецов.// 0публ.23.07.84. Бюл.№27.

17. Черненко, Ж.С. Гидравлические системы транспортных самолетов. / Ж.С. Черненко, Г.С. Лагосюк, Г.Н. Никулинский // М.: Транспорт, 1975. 184с.

18. Прохоров, С.А. Прикладной анализ случайных процессов. Текст. / Под ред. С.А. Прохорова // СНЦ РАН, 2007. 582с., ил.

19. Прохоров, С.А. Аппроксимативный анализ случайных процессов Текст. / С.А. Прохоров. // Самар. гос. аэрокосм, ун-т, 2001. 329 е.: ил.

20. Бендат, Дж. Измерение и анализ случайных процессов. Текст. / Дж. Бендат, А. Пырсол //М.:Мир, 1974.-463., ил.

21. Матвеенко, A.M. Проектирование гидравлических систем летательных аппаратов Текст. / A.M. Матвеенко, И.И. Зверев // М.: Машиностроение, 1982. 216с.

22. Нахапетян, Е.Г. Диагностирование машин Текст. / Е.Г. Нахапетян // М.: Машиностроение, 1983. 55с.

23. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике Текст.// Под ред. К.Б. Банера. // М.: Наука, 1980. 216с., ил.

24. Кузнецова, Г.В. Диагностирование состояния гидромашин в течение приработки по загрязненности Текст. / Г.В. Кузнецова // Изв. Вузов: Машиностроение, 1983, №8. с. 81-84.

25. Нахапетян, Е.Г. Диагностирование машин Текст.: / Е.Г. Нахапетян // М.: Машиностроение, 1983. 55с.

26. Логвинов, Л.М. Анализ и синтез преобразователей концентрации дисперсной фазы для систем управления и контроля технического состояния изделий авиационной техники Текст.: Дис. докт. техн. наук./ Л.М. Логвинов // Самара, 1995. 272с.

27. Крагельский, И.В. Трение и износ Текст. / И.В. Крагельский // М.: Машиностроение, 1986. —480с.

28. Эксплуатационная надежность и режимы технического обслуживания самолетов Текст.: / Н.Н.Смирнов [и др.]. М.: Транспорт, 1974. - 304с.

29. Лозовский, В.Н. Диагностика авиационных топливных и гидравлических агрегатов. Текст. / В.Н. Лозовский // М.: Транспорт, 1979. -296с.

30. ГОСТ 17216 2001. Промышленная чистота. Классы чистоты жидкостей. - В вед. 2002-01-01. - М.: Издательство стандартов, 2002. - 12с.

31. Орлов, Ю.М. Авиационные объемные гидромашины с золотниковым распределением Текст.: / Ю.М. Орлов // Пермь: ПГТУ, 1993. 251с.

32. Надежность гидравлических систем воздушных судов Текст.: / Т.М. Башта [и др.] // М.: Транспорт, 1986. 279с.

33. Никитин, Г.А. Влияние загрязненности жидкости на надежность работы гидросистем летательных аппаратов Текст.: / Г.А. Никитин, C.B. Чирков //М.: Транспорт, 1969. 184с.

34. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод Текст.: Под общ. ред. С.П. Стесина / Т.В. Артемьева [и др.].// М.: Изд. центр «Академия», 2005. -336с. ISBN 5-7695-2003-5.

35. Гидравлические агрегаты и приводы систем управления полетом летательных аппаратов. Информационно справочное пособие Текст.: / П.Г. Редько [и др.].//М.: Олита, 2004.-472 с. ISBN 5-98040-044-3.

36. Машиностроительный гидропривод Текст.: / JI.A. Кондаков [и др.] //М.: Машиностроение, 1978. 494с.

37. Матвеев, A.C. Влияние загрязненности масел на работу гидроагрегатов Текст.: / A.C. Матвеев // М.: Россельхозиздат, 1976. 152с.

38. Алексеева, A.B. Техническая диагностика гидравлических приводов Текст. / Т.В. Алексеева, В.Д. Бабанская, Т.М. Башта и др. Под общ. ред. Т.М. Башты.// М.: Машиностроение, 1989. 264с.: ил.

39. Далецкий, C.B. Формирование эксплуатационно-технических характеристик воздушных судов гражданской авиации Текст.: / C.B. Далецкий // М.: Воздушный транспорт, 2005 416с.

40. Оптимизация расстановки фильтров в гидросистемах летательных аппаратов / A.C. Кочергин и и др. // Авиационная промышленность. 1990. -№5. - С.25-27, (ДСП).

41. Проников, A.C. Научные проблемы и методы повышения надежности машин Текст. / A.C. Проников. // М.: Наука, 1986. 320с.

42. Фролов, К.В. Проблемы надежности и ресурса изделий в машиностроении Текст. / К.В. Фролов. // М.: Наука, 1986. 230с.

43. Смирнов, H.H. Техническое обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. — воздушный транспорт. Т. 11 (Итоги науки и техники) Текст.: / H.H. Смирнов. // М.: ВИНИТИ АН СССР, 1983. 169с

44. Свиридинок, А.И. Акустические и электрические методы в триботехнике Текст. / А.И. Свирдинок, Н.К. Мышкин, Т.Ф. Калмыкова, О.В. Холодилов. под ред. Белого // Минск: Наука и техника, 1987. 280с.

45. Харазов, A.M. Техническая диагностика гидроприводов машин Текст. / A.M. Харазов // М.: Машиностроение, 1983. 132с.

46. Макаров, P.A. Средства технической диагностики машин Текст. /P.A. Макаров//М.: Машиностроение, 1981. 223с.

47. Матвеенко, A.M. Расчет и испытания гидравлических систем летательных аппаратов Текст.: / A.M. Матвеенко, Я.Н. Пейко, A.A. Комаров// М.: Машиностроение, 1974. — 180с.

48. Основы технической диагностики Текст.: В 2-х книгах. Кн 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза. Под ред. П.П.Пархоменко / В.В. Карибский [и др.]. М.: «Энергия», 1976 - 464с.

49. Громаковский, Д.Г. Разработка основ триботехнического обеспечения высокой долговечности узлов трения авиационной техники Текст.: Дис. докт. техн. наук./ Д.Г. Громаковский // Самара, 1990. 360с.

50. Хрущов, М.М. Абразивное изнашивание Текст. / М.М. Хрущов // М.: Наука, 1970.-210с.

51. Клименко, А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли Текст. / А.П. Клименко // М.: Химия, 1978. 208с

52. Протодьяконов, И.О. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость твердое тело Текст. / И.О. Протодьяконов, И.Е. Люблинская, А.Е. Рыжков //Л.: Химия, 1987. -336с, ил.

53. Степанов, В. А. Диагностика технического состояния узлов трансмиссии газотурбинных двигателей по параметрам продуктов износа в масле Текст.: / В.А. Степанов. // Рыбинск: НПО «Сатурн», 2002. 231с.

54. Батугин, С.А., Гранулометрия геоматериалов Текст. / С.А. Батугин, С.А. Бирюков, Р.М. Кылатчанов // Новосибирск, Наука, Сиб. отд-ние, 1989. -173с, ил.

55. Дейч, М.Е. Газодинамика двухфазных сред. 2-е изд. Текст. / М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов // М.: Энсргоиздат, 1981. 473с.

56. Медников, Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей Текст. / Е.П. Медников // М.: Наука, 1980.-176с

57. Грин, X., Аэрозоли-пыли, дымы, туманы. Текст. Пер. с англ. / В. Лейн, X. Грин. // Л: Химия, 1969. -427с

58. Janka К., Kulmala V. Puise processing and coïncidence error corrélation in optical counters. J. Aeros. Sci., 1984, N3, v. 15.

59. Wales M., Wilson J.N. Theory of coincidence in Coulter particle counters. "The Review of Scientific Instruments", v.32, №10, 1961.

60. ISO 21018-1:2003 Hydraulic fluid power Monitoring the level of particulate contamination of the fluid - Part 1 : General principles

61. Бобылев, Л.В., Гранулометрический контроль различными способами и методика получения сопоставимых данных Текст. * Л.В. Бобылев, В.М. Сигалов, В.Б. Палига. // Авиационная промышленность. 1979. - №2. - с.43 - 44.

62. ОСТ 1.41144-80. Метод определения гранулометрического состава механических примесей в рабочих жидкостях. Метод анализа. Текст. М.: Госиздат, 1980,20с

63. A.c. 1104395 (СССР). G01N 15/02. Фотоэлектрическое устройство для измерения размера и счетной концентрации частиц в потоке жидкости Текст. / Л.М.Логвииов, А.Ф.Воронов, Ю.А.Маланичев, В.А.Кузнецов // 0публ.23.07.84. Бюл.№27.

64. Кочергин, А.С, Оптимизация расстановки фильтров в гидросистемах летательных аппаратов Текст. / A.C. Кочергин, И.С. Шумилов, Л.М. Логвинов, З.И. Рутковская//Авиационная промышленность. 1990. №5. с.25-27, (ДСП).

65. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя. Текст. / Г. Шлихтинг // Пер. с нем. М.: Наука, 1974.-712с.

66. Бусройд, Р. Течение газа со взвешенными частицами Текст. / Р. Бусройд. //М.: МИР, 1975.-378с

67. Ольсон, Г. Динамические аналогии Текст.: / Г. Ольсон // М.: Иностранная литература, 1947. 224 с.

68. Беляев, С.П. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей Текст. / С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Т.Н. Щелчков // М.: Энергоиздат, 1981.-230с.

69. Беляев, С.П. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей Текст. / С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Т.Н. Щелчков //М.: Энергоиздат, 1981.-230с.

70. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей Текст.: / С.П. Беляев [и др.]// М.: Энергоиздат, 1981. 232 с.

71. Левин, Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей Текст. / Л.М. Левин // М.: Академиздат, 1961. 267с

72. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст. / И.Е. Идельчик // М.: Машиностроение, 1992. 672с.

73. Чистые помещения Текст. Под ред. И. Хаякавы. Перевод с японского В.Ю. Акифьева, Л.Н. Дмитрука и М.Е. Панюкова под ред. В.Г. Ржанова и В.И. Ушакова. Москва, Мир, 1990, 454 с.

74. Логвинов, Л.М. Математическое моделирование технического состояния трибомеханических узлов гидросистем / Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2007. - № 2. - С. 25-28.

75. Боровиков, В.П. STATISTICA Статистический анализ и обработка данных в среде Windows Текст. / В.П. Боровников, И.П. Коровников// М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1998.

76. Браверманн, Э.М. Структурные методы обработки эмпирических данных Текст. / Э.М. Браверманн, И.Б. Мученик// М.: Наука, 1983.

77. Айвазян, С.А. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных Текст. / С.А. Айвазян, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин // М.: Финансы и статистика, 1983, 471 с.

78. Логвинов, Л.М. Повышение надежности гидравлических систем летательных аппаратов в процессе эксплуатации / Л.М. Логвинов, М.А. Ковалев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2007. - № 7. - С. 5-10.

79. Колмогоров, А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении Текст. / А.Н. Колмогоров // Доклады АН СССР. 1941. Т. 31. С. 99—101.

80. Разумовский, Н.К. В кн.: «Записки Ленинградского горного института» / Н.К. Разумовский //т. XX, 1948.

81. Андреев, С.Е. и др. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава. / С.Е. Андреев и др.// М., Металлургиздат, 1959.

82. СеЬе1ет Н. СЬегше-^ешеиг-ТесИшк. 1956, 28, № 12

83. Пономарев, Н.Н. Исследование дисперсного состава пылей в связи с оценкой работы воздухоочистителей. / Н.Н. Пономарев// Труды НАМИ, вып. 42, 1961.

84. Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике Текст.: / М.Я. Выгодский. М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство ACT», 2002. - 992 с.

85. Таблицы математической статистики / Большев Л.Н., Смирнов Н.В. // М: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983, 416с.

86. Логвинов, Л.М. Микропроцессорное устройство для систем аппроксимативного анализа параметров рабочей жидкости гидросистем / Л.М. Логвииов, М.А. Ковалев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2007. -№ 4. - С. 43-46.

87. Калечиц, В.И. Компьютерные системы контроля параметров чистых производственных помещений Текст.: / В.И. Калечиц // Чистые помещения и технологические среды. 2003. - № 4. С. 23-31.

88. Мальчиков, К.Ю. Автоматизированная система для исследования состояния узлов трения гидросистем.Текст. / К.Ю. Мальчиков, Л.М. Логвинов

89. М.А. Ковалев. // Проблемы и перспективы развития двигателестроения Материалы докладов Международной НТК. Часть 1. Самара: СГАУ, 2006. с. 10-12.