Технологические и информационные характеристики неоднородных сред и масел

В общем случае состояние и свойства неоднородных сред определяются совокупностью технологических, энергетических и информационных характеристик, и любая неоднородность является основанием для проведения технологического контроля. При этом разновидности неоднородных сред выступают и в качестве объектов с многообразными источниками информации.

Для неоднородных сред с химически невзаимодействующими компонентами технологические характеристики определяются концентрацией, размерами и материалом неоднородностей. Наличие пространственно-временных изменений среды позволяет оперативно оценивать ее технологическую изменчивость. В изменениях технических сред и масел проявляются как пространственно-временные особенности среды, так и изменчивость технологического оборудования, режимов его работы, влияние окружающей среды и др.

Неоднородные среды как объекты технологического контроля различаются функциональным назначением и характеризуются большим многообразием видов и параметров (рис. 1.4).

В большинстве случаев технологические параметры определены конструкторско-нормативными данными, результатами испытаний и ресурсом эксплуатации. Особую сложность при исследовании технических сред и масел представляет качественный учет характера внутренних взаимосвязей отдельных неоднородностей и однородной среды. Любая техническая среда имеет стохастическую структуру, чем затрудняется получение конкретных выходных зависимостей технических сред и масел,

на которые в значительной мере оказывают влияние и различные внешние возмущения. Как отсутствие, так и недостаток первичных данных о технических средах и маслах ограничивают достоверность их характеристик и оценки их фактического

Характер информационно-физических параметров неоднородных сред состояния ввиду многофакторных зависимостей

Рис. 1.4. Характер информационно-физических параметров неоднородных сред состояния ввиду многофакторных зависимостей. При этом системные факторы учитываются наравне с факторами конструктивными и технологическими. Ввиду пространственно-временной неопределенности и неявных информационно-физических зависимостей системные факторы в сложившихся субъективнопсихологических условиях (привычные взаимоотношения между типовыми структурами, оборудованием и другими составляющими), в усложняющихся и строго нормированных операциях в большинстве случаев проявляются в экстремальных ситуациях.

С учетом таких особенностей значимость автоматизации технологического контроля на всех этапах физико-технических и информационно-физических взаимодействий возрастает, так как для получения качественной продукции необходима оперативная первичная информация в реальных пространственно-временных координатах. Особенности функционально-структурной организации информационно-технологических преобразований на первичном уровне проявляются в том, что формирование и использование информации связано не только с некоторой обособленностью отдельных операций. Для современного производства необходимо иметь информацию о множестве однородных параметров и свойств, в том числе и с ограниченным доступом к контролируемым участкам и измеряемым элементам сложных по конструкции и специфичных по технологии изделий.

В общем случае в технологическом контроле разграничены и объединены две стороны преобразований. С одной стороны, представлены физико-технические изменения и отклонения материальных свойств - физическая сторона, а с другой - адекватные им информационно-физические абстрактные отображения первичных физико-технических изменений. Динамичность технологического контроля, в свою очередь, отражается в характере текущих параметрических отклонений от некоторых технически и технологически нормированных зон и областей, обеспечивающих нормальный ход производственного процесса. Именно с появлением таких отклонений и возникает первичная информация.

От материально-энергетических взаимодействий среды и контрольно-измерительных средств зависит весь информационно преобразовательный процесс. На технико-экономическое превращение технологических отклонений в информативное сообщение существенное влияние оказывают граничные условия инерционных колебаний, определяемые нормативами и конструкцией, а также информационной восприимчивостью измерительной системы, т. е. если для контролируемой среды критичной является физико-техническая проявляемость того или иного технологического отклонения (потенциального дефекта), то для измерительной системы определяющей является информационно-физическая выявляемость источника информативного сообщения, его пространственно-временные параметры.

Именно пространственно-временная изменчивость контролируемой среды позволяет рационально строить структурно-алгоритмические преобразования на первичном уровне. При этом путем информационно-энергетического отражения и отображения устанавливается определенное соответствие между источником информативного сообщения (источником информации), преобразовательными устройствами и потребителем (приемником) информации. При таком взаимосогласованном взаимодействии реализуется информационный процесс, важнейшей составной частью которого выступает материальная среда. Посредством последней выстраивается весь канал связи. Именно первичная информация, сопровождающая контролируемую среду, абстрагируется в канале связи и при информационных преобразованиях. Здесь проявляются (заложены) характерные особенности физико-технических воздействий и взаимодействий технологических операций и физических процессов.

При исследовании неоднородных сред из множества характеристик выбираются некоторые более отличительные, информативные, из которых формируется пространство признаков. Основной целью при выборе признаков является выделение такой совокупности из множества этих признаков, чтобы обеспечивалась максимальная информативность и при этом не должно существенно ухудшаться качество работы технических средств.

На эксплуатационное состояние технических сред и масел оказывает влияние технологичность операций и окружающая среда. Для сложной системы многоуровневого распределения взаимосвязей и взаимозависимостей технологических операций характерно и пространственно-временное рассредоточение первичной информации.

На работоспособности машин, агрегатов и систем регулирования в машиностроении существенно сказывается состояние технических сред и масел при заправке, в процессе эксплуатации, при техническом осмотре и ремонте. Основные отказы (до 95 %) строительно-дорожных машин обусловлены наличием инородных включений и воды [27].

При эксплуатации строительно-дорожных машин большое значение приобретает безотказная работа машин на участке. Особое влияние на ресурс машины и ее систем оказывает состояние топливно-смазочных материалов и технических жидкостей. Например, срок службы строительно-дорожных машин с объемным гидроприводом лимитируется износом прецизионных рабочих поверхностей гидроагрегатов.

Основной причиной изнашивания является повышенная загрязненность технических жидкостей, используемых в гидросистемах, которая происходит в результате:

заправки машин загрязненными жидкостями;

попадания примесей через сапун и исполнительные механизмы;

изнашивания и окисления деталей гидропривода;

загрязнений, вносимых при некачественном проведении технического осмотра и ремонта гидроаппаратуры.

Отрицательное влияние на работу гидропривода строительно-дорожных машин оказывает и вода, содержание которой в технических жидкостях может быть до 10 %. Подавляющее большинство отказов строительно-дорожных машин с объемным гидроприводом происходит именно из-за загрязнения технических жидкостей [27, 31].

В моторных маслах происходит накопление механических примесей при сгорании топлива в воздухе, загрязненном пылью, а также из-за процессов окисления и термического распада углеводородов, которые являются основной причиной образования шлаков и нагаров в зоне цилиндропоршневой группы. Значительная часть продуктов окисления находится в виде мелкой устойчивой механической взвеси, участвующей в образовании нагара.

При неблагоприятном сочетании факторов, влияющих на качество масла, оно раньше достигает предельного состояния работоспособности. В то же время в некоторых случаях к моменту регламентной замены масло имеет большой запас качества и не требуется его замена.

При этом существенное влияние на работу строительно-дорожных машин оказывают как удельный объем загрязнений, так и их размеры. В ходе исследований установлено, что снижение размеров частиц с 25 до 5 мкм продлевает ресурс гидроаппаратуры на порядок, а увеличение их размеров до 40 мкм и более приводит к выходу из строя плунжерных насосов в строительно-дорожных машинах.

Исследования, выполненные в различных организациях, показывают, что загрязненность технических сред и масел в гидросистемах в 4-8 раз превышает допустимые значения. В реальных условиях эксплуатации строительно-дорожных машин неоднородные примеси в них имеют размеры до 400 мкм и на интенсивности их загрязнения особенно сильно сказывается режим работы. Например, при движении транспортных средств по грунтовой дороге возрастает нагрузка на двигатель по сравнению с перемещением их на это расстояние по дороге с твердым покрытием. В то же время периодичность замены масла не меняется. Интенсивность старения технических сред и масел в двигателях с наработкой перед капитальным ремонтом в несколько раз превышает ее по сравнению с новыми двигателями [11, 27].

Интенсивность старения моторного масла при наработке 50 % ресурса в 2 раза превышает интенсивность его старения в новом двигателе. Результаты исследований свидетельствуют и о том, что методика замены масел через установленный срок наработки не гарантирует нормальную работу транспортных средств.

Статистические исследования технических сред и масел показывают, что характер распределения размеров частиц с некоторым приближением описывается законом нормального распределения с ярко выраженными среднестатистическими значениями размеров.

Осадительная ванна как неоднородная техническая среда. Дисперсную фазу осадительной ванны в химико-технологических процессах образуют твердые частицы органических и неорганических веществ. Лабораторные исследования таких частиц на микроскопе показывают, что их форма и размеры значительно отличаются в своем разнообразии. Статистические результаты устанавливают интервал изменения и частоты, а также динамику их распределения по размерам при оседании [33].

Информационные характеристики осадительной ванны проявляются при взаимодействии стимулирующего излучения со средой. Исследования взаимодействия излучения с осадительной ванной проводились на специально приготовленных пробах с различной концентрацией дисперсной фазы (неоднородностей) и однородного (чистого) раствора. Результаты исследования показали, что коэффициент пропускания однородного раствора (стандартной осадительной ванны) в диапазоне частот от 0,4 до 1,4 мкм практически не изменяется и составляет 99,9 %. При изменении концентрации неоднородностей в осадительной ванне в пробах от 10 до 250 мг/л более высокая чувствительность к спектру излучения проявляется на 0,3 мкм, но резко возрастает нелинейность. Однако однозначная функциональная зависимость параметров излучения от концентрации неоднородностей осадительной ванны делает этот диапазон более информативным. Изменение концентрации компонентов однородной среды при этом практически не влияет на выходные параметры. Из этого следует, что массовый показатель ослабления из-за неоднородностей осадительной ванны имеет вид:

А; = агг, (1.1)

где ог - коэффициент рассеяния; - коэффициент поглощения неоднородными частицами.

Значения коэффициентов рассеяния и поглощения для воды и растворенных веществ в данном спектральном диапазоне близки к нулю и не изменяются, т. е. эффект взаимодействия оптического излучения данного спектрального диапазона с осадительной ванной определяется только неоднородностями дисперсной фазы. При этом на коэффициент ослабления существенно влияет длина волны излучения:

А.2

k = f(K)= J k(Wk. (1.2)

М

Результаты исследований показывают, что максимум информации о характере взаимодействия неоднородной осадительной ванны с оптическим излучением сосредоточен в спектральном диапазоне 0,5-1,3 мкм. В свою очередь, экспериментальные исследования влияния концентрации неоднородностей в осадительной ванне, определяемые коэффициентом пропускания т, представляется некоторой экспоненциальной зависимостью для фиксированной толщины просвечиваемого слоя.

Для исследования влияния поглощающих свойств неоднородностей и их концентрации в осадительной ванне были приготовлены калиброванные растворы с концентрацией неоднородностей Св 150, 200, 300, 400 мг/л. На фотометре ЛМФ-72М с интерференционным фильтром X = 0,67 ± 0,005 мкм фиксировались коэффициенты пропускания т калиброванных растворов при различной толщине просвечиваемого слоя I. По зависимости kCi - In(1/при i = 1, 2, 3, 4, определены значения этой функции.

В предположении, что коэффициент зависит только от поглощающих свойств неоднородностей, величина произведения кС должна быть постоянной. Для исключения влияния нагрева фотометра и колебаний температуры окружающей среды фиксировалась температура и постоянно перемешивались пробы.

Анализ полученных результатов подтверждает предположение, что с увеличением концентрации С неоднородностей и толщины / просвечиваемого слоя резко падает чувствительность неоднородной среды и возрастает нелинейность. Здесь проявляется влияние рассеянного в направлении вперед излучения, которое по эффекту идентично уменьшению неоднородностей в контролируемой пробе. На этот эффект физического взаимодействия влияют форма и размеры неоднородностей, а также длина волны излучения и концентрация неоднородностей. При фиксированных концентрациях неоднородностей в исследуемых пробах осадительной ванны коэффициент ослабления к зависит от к, размера неоднородностей а, концентрации С и толщины просвечиваемого слоя / при некоторых конструктивных и схемных исполнениях.

В схемах контроля по прошедшему излучению для получения достоверных и однозначных результатов оценки неоднородной среды использовались индивидуальные градуировочные зависимости выходной функции и концентрации неоднородностей для образцовых проб осадительной ванны. Для них обеспечивалось постоянство кС и конструктивных параметров при идентичности параметров, неоднородностей контролируемой среды и образцовой пробы. Влияние несоответствия этих характеристик проявляется в методической погрешности измерений, где учитываются и колебания толщины I просвечиваемого слоя.

Исследования влияния рассеянного излучения проведены для двух образцовых проб осадительной ванны с концентрациями частиц в 10 и 250 мг/л, что идентично однородной (отфильтрованной) и неоднородной (отработанной) осадительной ванне. Эксперименты проводились на оптической скамье ОСК-2ЦЛ с лазерным источником ЛГ-52-2 частотой X = 0,63 мкм. Исследуемые пробы освещались модулированным излучением с частотой модуляции 0,883 кГц при промышленной частоте питания 50 Гц. В качестве фотоприемника использовался кремниевый фотодиод ФД-7К. Измерения интенсивности излучения в прямом направлении под малыми углами проводились при узконаправленном диафрагмированном пучке (0 ± 3°) диаметром 0,2 мм.

Полученные данные свидетельствуют о том, что определяющее влияние на характер взаимодействия излучения с неоднородной средой оказывают неоднородности, по размерам превы шающие длину волны излучения. При этом сильное влияние оказывают дифракционные эффекты на больших неоднородностях в направлении вперед. Эта составляющая в сотни раз больше рассеяния в боковом направлении и практически сконцентрирована в конусе с углом при вершине в 2-3°. С учетом этой особенности при входной апертуре приемника больше значений 2-3° приемник может воспринимать все рассеянное неоднородностями излучение.

Формирование информативных источников. Любые технические среды и масла обладают некоторой инерционностью, связанной с их способностью потреблять и аккумулировать воспринимаемую ими энергию. Эта способность проявляется в спектрально-энергетических характеристиках технических сред и материалов. При этом для возбуждения и формирования первичной информации необходимо энергетическое воздействие, превышающее инерционность неоднородной среды. Однако информация как некоторое упорядоченное состояние вещества или энергии никогда не возникает сама собой. Для создания такого состояния необходимо затратить определенную работу, запас которой в неоднородной среде в виде энергии стремится рассеяться, и ввиду своей инерционности среда опять приходит в исходное состояние. Так как носителем измерительной информации является энергия, для того чтобы источник информации начал ее генерировать, необходимо направленное энергетическое воздействие. При этом на возбуждение информации затрачивается некоторая часть этой энергии, т. е. без потребления энергии неоднородной средой невозможно и само формирование первичной информации. Соотношение между величиной энергии источника информации и переносимой им информацией зависит от того, что измеряется: интенсивность, время или частота этого процесса. Для технических сред и масел все эти параметры являются определяющими. Чем больше энергия сигнала по сравнению с уровнем помех, тем большее количество информации может передать сигнал.

Технические среды и масла как носители оперативной информации отличаются наличием разнородных источников информации, природа которой определяется отражением объективных закономерностей материальных процессов. Путем отражения, как воздействия одной материальной системы на другую, устанавливается некоторое соответствие между источником и приемником информации. При таком согласованном взаимодействии возникает информационный процесс, реализуемый посредством канала связи. Первичная информация воспринимается в виде значений разнородных величин, которые представляют собой совокупность параметров технической среды.

В многопараметровых системах технологического контроля технических сред и масел является экономичным представление пространства состояний в виде набора аналоговых реализаций форм их выходных сигналов с использованием корреляционного принципа идентификации неоднородностей.

Процесс выделения признаков включает предварительную обработку данных о технических средах и маслах, регистрацию, изменение, поиск алгоритма выбора переменных. Для исследуемых технических сред и масел с информационной стороны наряду с интенсивностью информативного излучения представляют интерес и спектральные характеристики технических сред и масел. При всем своем многообразии (различного вида масла, осадительная ванна, глицерин и т. д.) исследуемые технические среды представляют собой неоднородные среды с химически независимыми компонентами. Методика снятия спектральных характеристик учитывает технологические особенности масел, осадительной ванны и других разновидностей.

Спектральные характеристики технических сред. Спектральные характеристики отображают характер спектральноэнергетического взаимодействия неоднородных технических сред с оптическим излучением, изменяющимся по спектру в большом диапазоне [16, 22].

Для выбора метода и параметров оптического контроля получены спектральные характеристики различных технических масел (гидравлического и моторного) и проанализированы полученные результаты. На рис. 1.5 представлены спектральные характеристики технических масел и растворителей в диапазоне

500-1000 нм. Оптическая плотность D измерялась в пробах масел в разведенном 1 : 20 состоянии при оптическом пути 5 мм.

Общим для всех графиков является наличие неравномерности в диапазоне 900-940 нм. Из растворителей наиболее равномерной спектральной характеристикой отличается нефрас, который может быть рекомендован при контроле разбавленных образцов масла. Следует заметить, что равномерность спектральной характеристики при введении растворителя уменьшается. И эта закономерность прослеживается при увеличении доли растворителя.

Длина волны, нм

б

Рис. 1.5. Спектральная характеристика: а - моторного масла; б - растворителей

В зависимости от степени загрязнения моторного масла изменяется чувствительность спектральной характеристики и происходит нивелирование ее неравномерности в диапазоне 900-940 нм. В загрязненном гидравлическом масле в этом спектральном диапазоне такая неравномерность остается. Кроме того, гидравлическое масло отличается разнообразием цветов (например, АМГ-10Е, используемое в гидросистемах военных самолетов, имеет ярко выраженный красный оттенок) вследствие применения присадок, что существенно влияет на его спектральную характеристику.

Спектральная характеристика компрессорного и моторного масел идентична, а для осевого - ее вид ближе к загрязненному гидравлическому маслу. В ходе экспериментов установлено, что различия спектральных характеристик моторного масла с добавлением 5 % солярки и чистого масла незначительны.

Анализ экспериментально полученных спектральных характеристик различного вида масел и осадительной ванны показывает, что максимальная информация о характере взаимодействия оптического излучения с неоднородностями технических сред и масел сосредоточена в диапазоне 800-1000 нм. Однако в спектральном диапазоне 900-940 нм проявляется неравномерность (нелинейность) и выявляются провалы в графиках. Более информативным для обследуемых технических сред и масел является диапазон ближнего инфракрасного излучения с длиной волны X = 880 нм, на которой нивелируется влияние цвета масел и обеспечивается необходимая чувствительность на технически реализуемой толщине просвечиваемого слоя контролируемых сред.

Особенности взаимодействия неоднородностей с излучением. Информативность спектрально-энергетического взаимодействия излучений с неоднородной средой зависит от многих факторов и технических параметров. Выбором того или иного технологического признака и информативного параметра устанавливается некоторая информационно-аналитическая зависимость группы свойств и информативных излучений.

Однако в реальных условиях очень сложно разделить и выделить даже группу информативных параметров, так как они случайным образом взаимосвязаны и взаимозависимы. Например, на вязкость масла в процессе старения сказываются нерастворимые примеси (частицы изношенных трущихся поверхностей, сажа и др.), снижение активности присадок, препятствующих загрязнению, а попадающее в масло топливо (разжижает его) и охлаждающая жидкость (загущает его) искажают информацию об истинной вязкости масла.

Неоднородные примеси технических сред как источников технологической информации определяются числом, размерами, формой, интенсивностью нарастания в рабочем объеме, скоростью и характером циркуляции, температурой и другими факторами. Для оптически плотных поверхностей источником информации является неоднородность информационного поля, формируемого непосредственно в зоне сосредоточения инородных включений с их пространственно-временным случайным распределением. Например, неоднородность формовочной среды в осадительной ванне при формировании вискозных волокон (по мокрому методу) определяется твердыми частицами различных органических и неорганических веществ. В виде частиц дисперсной фазы отработанной осадительной ванны они характеризуются сложной формой, большим многообразием размеров и физической природой. Анализ полученных данных показывает, что размеры таких частиц группируются в интервале от 1 до 10 мкм (около 80 %).

Под действием сил гравитационного поля более крупные частицы выпадают в осадок. Выпадение в осадок твердой фазы с различной скоростью, зависящей от размеров частиц, сказывается на динамике первичной информации, что усложняет процесс технологического контроля динамичной неоднородной среды. Информативным признаком неоднородностей формовочной жидкости в осадительной ванне может выступать их плотность. Плотности жидкой и твердой фаз отличаются между собой в несколько раз, тем самым повышая информативность неоднородной среды.

Однако многофакторное влияние на стабильность жидкой фазы осадительной ванны оказывают и химические реакции, что обусловливает изменение плотности жидкой фазы рж. Такая особенность информативного признака ограничивает чувствительность и точность, достоверность и оперативность контроля по соотношению плотностей жидкой рж и твердой рт фаз.

Более прогрессивными являются технологии оперативного контроля неоднородных сред по совокупности информационнофизических признаков неоднородностей.

В таком смысле источник информации о формирующейся среде (и отклонениях функционирующего объекта) «модулирует» совокупности зарождающихся технологических неоднородностей с отображением их свойств, параметров и пространственно-временных координат. И первичным носителем обновляющихся сведений о среде и объекте являются изменяющиеся свойства среды с пространственно распределенными неоднородностями.

Естественным критерием оценки перехода среды однородной в неоднородную и информативности первичных сообщений служит количество сведений, содержащихся (закодированных) в каждом признаке изменяющихся свойств. Эти признаки могут явно проявляться в отдельных зонах и областях, и восприниматься средствами визуального контроля. Более информативными (неопределенными) являются скрытые признаки появляющихся неоднородностей и для их обнаружения необходимы специальные технологии и средства. В большинстве своем в нормативной документации, обязательной для определенного вида контроля, отсутствуют соответствующие рекомендации, правила и приемы поиска скрытых признаков неоднородной среды.

Многообразие сред, неоднородностей и объектов обусловливает разнообразие методов и технологий информационнофизических преобразований отличительных признаков и источников первичной информации. Своевременно выявленная первичная информация на всех стадиях технологического процесса повышает технико-экономическую эффективность производства. Упреждающий оперативный контроль обеспечивает управляемость, надежность и безотказность функционирующего объекта.

В новых условиях хозяйствования с рыночной экономикой технологический контроль включает всю совокупность организационно-технических, экономических, экологических и эргономических мероприятий, направленных на повышение качества и снижение затратности производимой продукции. И здесь оперативная первичная информация и связанные с нею операции по обнаружению, поиску и распознаванию аномальных признаков зарождающихся неоднородностей имеют стратегическое значение как для модернизирующихся и реконструирующихся производств, так и для уже существующих.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >