Диагностирование дизеля на основе спектрального анализа масла

Дипломная работа

Транспорт является первым из важнейших отраслей материального производства. Он имеет большое значение в развитии экономики, повышение эффективности всего производства страны.

Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортной системе страны, выполняя 84,8 % грузооборота и 37,5 % пассажирооборота общего пользования. Проблема осложняется интенсивным старением локомотивного парка, что непосредственно сказывается на эффективности выполнения перевозочной работы. Модернизация существующего парка локомотивов и создание новых, более экономичных электровозов и тепловозов должны сопровождаться мерами по обеспечению качественного их содержания за счет совершенствования системы технического обслуживания, а также текущего и капитального ремонтов.

К числу мер, повышающих эффективность эксплуатации тягового подвижного состава, следует отнести масштабное внедрение встроенных, переносных и стационарных средств технического диагностирования состояния узлов и агрегатов, систем с формированием банка данных о состоянии локомотивов и их отдельных узлов для перехода на систему ремонта и технического обслуживания по фактическому состоянию.

Назревшая необходимость перехода на ремонт локомотивов по фактическому состоянию предполагает решение ряда задач, связанных с реализацией этого подхода:

  • текущей объективной реального технического состояния узлов и агрегатов;
  • создание системы непрерывного отслеживания технического состояния оборудования в эксплуатации при производстве технического обслуживания ремонта;
  • ведение специального мониторинга — постоянный мониторинг для узлов и агрегатов, связанных с безопасностью движения поездов.

Реализация ремонта по фактическому состоянию требует наличия объективной и достоверной информации о текущем состоянии узлов и систем локомотива. Получение такого рода информации возможно при использовании комплекса диагностических средств, набор и функциональные возможности которых должны обеспечит необходимую полноту и достоверность диагностирования. Изложенные выше тенденции развития железнодорожного транспорта в целом и локомотивного хозяйство в частности предопределяют непрерывное поступление новой техники с неизвестными заранее характеристиками надежности отдельных узлов и систем, необходимыми для решения задач, связанных с организацией оптимального процесса диагностирования, ремонта и эксплуатации локомотивов. Необходимость на современном этапе рационального использования ресурсов, как в области эксплуатации, так и при решении задач организации диагностического процесса, определяет актуальность проблемы, связанной с дальнейшим развитием и совершенствованием системы технического диагностирования.

24 стр., 11775 слов

Эксплуатация и ремонт электроподвижного состава

... технического состояния. Целью данной курсовой работы является закрепление и углубление знаний по основным разделам дисциплины "Эксплуатация и ремонт ЭПС". Курсовая работа состоит из двух частей: 1) организация эксплуатации элек-тровозов; 2) организация ремонта электровозов. В первой части курсовой работы ...

В последние годы особое внимание уделяются созданию методов диагностики состояние локомотивов без их разборки. Преимуществом этого направления является возможность повышения их надежности без значительных затрат на конструктивные изменения в локомотиве.

Большую группу составляют методы, основанные на определении технического состояния деталей двигателя по изменению параметров смазочного масла.

Смазочное масло в двигателе внутреннего сгорания работает в тяжелых условиях, будучи распределенным по большой поверхностности, где оно подвергается действию высоких температур и химически активные продуктов процесса сгорания. Как результат этого, смазочное масло должно систематически контролироваться, чтобы гарантировать работу двигателя с оптимальной эффективностью.

Тяжелые условия работы в двигателе приводят к химической деградации смазки с течением времени. Кроме того, смазочное масло подвергается загрязнению со стороны внутренних и внешних источников. Поэтому, измеряемые параметры определяются как химической деградацией масла, так и его загрязнением, причем обе причины могут приводить к нежелательным изменениям в функционировании и отказу механических узлов.

Для наблюдения процесса изнашивания деталей двигателя разработан целый ряд приборов, принцип роботы которых основан на измерении электропроводности масла в зависимости от содержания в нем продуктов износа. С увеличением загрязненности масла различными примесями меняется цвет масла. Это свойство положено в основу метода «масляного пятна» и измерения оптической плотности масла.

Большое внимание уделяется исследованию и разработке методов, позволяющих количественно оценить степень износа деталей дизеля. Наибольше распространение получил косвенный метод оценки износа путем определения концентрации продуктов износа в масле.

1. Характеристика локомотиворемонтного завода

1.1 Назначение цехов и производственная программа

Локомотиворемонтные заводы предназначены для производства капитальных ремонтов локомотивов в объеме КР-1 и КР-2, а также их агрегатов (дизелей, тяговых электродвигателей и т.п.) для нужд локомотивных депо железных дорог и для предприятий промышленного транспорта.

Капитальный ремонт КР-1 служит для восстановления эксплуатационных характеристик, исправности и межремонтного ресурса (срока службы) путем замены, ремонта изношенных и поврежденных агрегатов, узлов и деталей их модернизации.

Капитальный ремонт КР-2 служит для восстановления эксплуатационных характеристик, исправности и полного межремонтного ресурса (срока службы), а также для модернизации всех агрегатов, узлов и деталей, включая базовые, полной замены на новые проводов, кабелей и оборудования с выработанным моторесурсом (по установленному перечиню).

Кроме того, локомотиворемонтные заводы производят большое количество запасных частей как для собственного потребления, так и для поставки по кооперации другим заводам, а также эксплуатационным единицам железных дорог.

На локомотиворемонтных заводах параллельного с ремонтными работами на локомотивах выполняется значительная работа по совершенствованию конструкции эксплуатируемых локомотивов, выполняемая по плану модернизации. При этом конструктивно устаревшие узлы и агрегаты заменяются более совершенными, проводятся работы по повышению надежности и долговечности деталей и агрегатов в том числе для обеспечения безопасности движения.

50 стр., 24830 слов

Бухгалтерский учет и аудит : Основы организации учета затрат ...

... учета затрат на производство продукции 1.1 Понятие, задачи и классификация затрат в целях их учета Процесс производства представляет собой совокупность хозяйственных операций, связанных с созданием готовой продукции, выполнением работ, оказанием услуг. В процессе создания продукции (работ, ...

1.2 Назначение цехов

Локомотиворемонтные заводы располагают необходимыми цехами, специализированными по выпуску определенных видов продукции или выполнению технологических операций.

Основными цехами завода называются цеха, которые непосредственно участвуют в изготовлении, ремонте и выпуске товарной продукции.

В свою очередь основные цеха разделяются по характеру производства на ремонтно-сборочные, обрабатывающие и заготовительные.

На тепловозоремонтном заводе в соответствии с производственным профилем, имеются следующие основные цеха:

  • ремонтно-сборочные: тепловозосборочный, дизельный, электромашинный, тележечный, колесный, электроаппаратный;
  • обрабатывающие: механический и гальванотермический;
  • заготовительные: литейные (чугунолитейный с отделением цветного литья и на отдельных заводах-сталелитейный), кузнечно-рессорный.

Назначение ремонтно-сборочных цехов определяются их специализацией в соответствии с принятой структурой локомотиворемонтного завода.

1.3 Производственная программа

Производственная программа устанавливается с учетом производственной мощности и технической вооруженности завода, которые ежегодно определяются техническим паспортом предприятия и формируется на основании общего объема заказов депо и промышленных предприятий на ремонт локомотивов и их агрегатов, а также заказов на запасные части. Надежная эксплуатация наличного норма локомотивов и выполнение перевозок грузов могут осуществляться только в том случае, если все локомотивы своевременно проходят заводской ремонт и в эксплуатации обеспечены достаточным количеством запасных частей. Это обстоятельство играет важную роль при установлении производственной программы заводов, так как их назначения и роль полностью удовлетворять нужды эксплуатации локомотивов в ремонте и обеспечении запасными частями.

Производственная программа завода по выпуску продукции устанавливается в номенклатуре и в денежном выражении. Номенклатурным планом предусматриваются все виды продукции и их количество как по ремонту локомотивов и их агрегатов по модернизации, так и по выпуску запасных частей.

Денежное выражение объемов выпуска продукции является производным от количества продукции, предусмотренной номенклатурным планом, и стоимости каждого вида продукции.

Производственная программа цеха — это перечень деталей, узлов, агрегатов и локомотива в целом, которые должны быть изготовлены цехам за месяц, квартал, год. Она служит исходной базой для расчета всех основных качественных и количественных показателей годового плана экономического и социального развития цеха.

Производственная программа проектируемого одного из основных цехов предусматривает выпуск из капитального ремонта первого и второго объемов 310 секций тепловозов ТЭП70БС в год.

Кроме того, проектируемому цеху планируется 10% выпуск из ремонта узлов и агрегатов локомотивов для прикрепленных к заводу локомотивных депо. Такая программа обеспечивает возможность применения наиболее прогрессивной организации и технологии локомотиворемонтного производства; при этом становится экономически рентабельным применение поточно-механизированных и поточно-конвейерных линий для разборки, ремонта и сборки отдельных узлов, агрегатов и локомотива в целом.

При проектировании локомотиворемонтного завода многочисленная номенклатура изделий до 200 и более, изготовляемых и ремонтируемых локомотиворемонтным предприятием, приводится к одному так называемому условному изделию (или условному комплекту), которое служит единой планово-учетной единицей для всех цехов. Таким условным изделием является условная секция локомотива (электровоза, тепловоза).

Таким образом, производственная программа для проектирования основных цехов, их отделений и участков (с учетом линейного задания в процентах от общего числа условных секций) для тепловозов определяется по форме табл.1.1

Таблица 1.1 Производственная программа дизельного цеха тепловозоремонтного завода

Наименование цеха ремонтируемых агрегатов и сборочных единиц

Кол-во секций тепловозов заводского ремонта, шт

Кол-во агрегатов и сборочных единиц, шт

Кол-во условных секций тепловозов, шт

Ремонтируемых на линию

Приходящихся на 1 секцию тепловоза

А

Б

В

А+Б/В

Дизельный цех

Дизелей Д49 комплектных

310

31

1

342

Масляных насосов

342

35

1

377

Водяных насосов

342

70

2

377

Турбокомпрессор 6ТК

342

35

2

377

Топливных насосов

342

560

16

377

Компрессоров ПК-5,25

310

31

1

342

1.4 Состав цехов, отделений и производственных участков дизельного цеха

Разборочно-моечное отделение.

Производится разборка дизель-генератора: демонтируется тяговый генератор, насосы (водяные и масляные), разбирают отсек управления. Снимают топливные насосы, индикаторные краны, форсунки, разбирают топливную систему. Снимают крышки дизеля, турбокомпрессор, верхний коленвал, кулачковые валы, толкатели топливных насосов, выемка поршней с шатунами, снятие вертикальной передачи, масляного коллектора, выемка цилиндровых втулок, выхлопных патрубков. Обмывка узлов и деталей дизеля комплектно в моечных машинах и подача их на позиции конвейера.

Отделение дефектоскопии блоков и поддизельных рам.

Дефектировка блока дизеля и поддизельной рамы и других корпусных деталей оптическим методом с последующей передачей на ремонт.

Отделение ремонта блоков, поддизельных рам и других корпусных деталей.

Ремонт путем механической обработки блока цилиндров (производят расточку постелей блоков).

Наплавочные работы на блоке дизеля. Сварочные работы при ремонте поддизельной рамы, ремонт плит насосов.

Отделение ремонта коленчатых и кулачковых валов.

Разборка валов, их дефектоскопия, оптическая проверка валов, замеры размеров коренных и шатунных шеек, производят полировку шеек коленвалов, ремонтируют кулачковые валы, переборка антивибраторов, шестерен, сборка валов.

Отделение ремонта коллекторов.

Ремонт выхлопных коллекторов, опрессовка гильз, опрессовка коллекторов, ремонт огневых коробок и труб.

Отделение ремонта и сборки шатунно-поршневой группы.

При ремонте и сборке шатунно-поршневой группы применяется поточно-конвейерная линия, где производят притирку, окраску, сушку, производят нагрев вставок поршней, проверяют длину шатуна с поршнем, производят проточку масляных каналов шатуна с поршнем, производят их сборку и индукционный нагрев головок шатунов.

Участок ремонта турбокомпрессоров.

Разборка, дефектоскопия, ремонт и сборка турбокомпрессоров.

Участок ремонта компрессоров.

Разборка, дефектоскопия, ремонт, сборка и окраска компрессоров.

Участок ремонта водяных и масляных насосов.

На специальном механизированном стенде разбирают водяные насосы. Производят ремонт деталей и сборку насоса на том же стенде. На стенде- кантователе производят разборку.

Инструментально — раздаточная кладовая: хранение и выдача и инструмента.

Комплектовочная кладовая.

Хранение и выдача запасных частей, отремонтированных узлов и деталей.

Участок механика цеха: ремонт оборудования цеха.

1.5 Режим работы завода и фонды времени работы цеха, оборудования и рабочих

При проектировании локомотиворемонтного завода различают три вида годовых фондов времени: календарный, номинальный, действительный.

Полный календарный годовой фонд времени в часах единицы оборудования определяется по формуле:

(1.1)

где Д к — число календарных дней в году, 365;

  • n — число часов в сутках, 24;

Q кобор =365•24=8760 час

Номинальный годовой фонд времени работы есть время в часах в течение которого могла бы выполнятся работа рабочими и оборудованием при заданном режиме работы если бы не было никаких неизбежных потерь.

Номинальный годовой фонд времени определяется по формуле:

(1.2)

где Д р — число рабочих дней в году;

t см — продолжительность смены, 8ч.;

Q н =255·8= 2040 часов

Количество рабочих дней в году определяется путем исключения из числа календарных дней в году выходных и праздничных дней по формуле:

(1.3)

где Д пр — число праздничных дней в году. Принимаем 6 дней.

Д вых — число выходных дней в году. Принимаем 104 дня.

Д р =365- 105 — 5 = 255 дня

Тогда

Q= 255·8= 2040 часов

Действительный фонд рабочего времени одного рабочего определяется в зависимости от продолжительности отпуска, затрат времени на болезни, и др.

QQ=(2040-24·8)·0,94=1737 часа (1.4)

где d от = 24 дня — продолжительность отпуска в рабочих днях;

  • ?- коэффициент, учитывающий потери времени на болезни и др.

Поэтому номинальный годовой фонд рабочего времени проектируемого цеха при 40- часовой рабочей неделе составит для расчета при работе:

  • в одну смену — 2020ч ;
  • в две смены — 4040ч ;

— Номинальные годовые фонды времени работы оборудования и рабочих не могут полностью использованы, так как имеются неизбежные затраты времени по ряду статей. При определении действительного фонда времени работы рабочих учитываются не выходы по следующим причинам: очередной и профессиональный отпуска, для учебы и по болезни, отпуска женщинам по беременности и родам, время на кормление грудных детей, выполнение государственных обязанностей и т.д.

С учетом вышеуказанных причин действительный фонд рабочего времени работы рабочих определяется по формуле:

(1.5)

где Q нраб — номинальный годовой фонд времени работы рабочего, ч;

d от — продолжительность трудового отпуска в рабочих днях;

  • раб- коэффициент учитывающий потери времени от номинального фонда (невыходы рабочего на работу по уважительным причинам) принимаем равным 0,97…0,96.

Действительный годовой фонд времени оборудования определяется из номинального времени оборудования исключением затрат времени на пребывании оборудования в плановых ремонтах, установленных нормами:

(1.6)

где Q nобор — номинальный годовой фонд времени работы оборудования;

m — число смен в сутках

n обор — коэффициент учитывающий потери времени от номинального фонда принимаемый при работе в 2 смены nобор =0,98.

Фонды времени оборудования разрабатываются для 8 ми часового рабочего дня при 40 часах в неделю и 9ти праздничных днях.

Действительные (расчетные) годовые фонды времени работы технологического оборудования и рабочих мест в часах приведены в табл. 1.2. Номинальные годовые фонды времени работы оборудования и фонды времени занятости стойл, рабочих мест (позиций) приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.2 Действительные (расчетные) годовые фонды времени работы технологического оборудования и рабочих мест.

Оборудование

Потери времени на ремонт оборудования от Q н ,%

Действительный (расчетный) годовой фонд времени работы оборудования и за-нятости рабочих мест, ч.

Металлорежущее и деревообрабатывающее

3 (4) *

4015 (5960)

Кузнечно-штамповочное

4 (6)

3975 (5840)

Литейно-технологическое

4 (5)

3975 (5900)

Вагранки

4140 (6210)

Сварочное (аппаратура, автоматы и полуавтоматы, установки токов высокой частоты)

5 (7)

3935 (5775)

Печи сушильные (камерные немеханизированные)

4 (6)

3975 (5840)

Неавтоматизированное оборудование цехов защитных покрытий

3 (4)

4015 (5960)

Камеры для окраски и сушильные

4 (6)

3975 (5840)

Рабочие места (позиции):

без оборудования (верстаки, столы и др.)

4140 (6210)

с оборудованием

4055 (6020)

На конвейерной сборке

4050 (6020)

*Здесь и далее в скобках указаны значения для трехсменной работы.

Таблица 1.3 Номинальные годовые фонды времени работы оборудования и фонды времени занятости стойл, рабочих мест (позиций)

Характер производства

Число смен, m

Номинальные годовые фонды времени Q н , ч.

С прерывным технологическим процессом

1

2020

и с нормальными условиями труда

2

4040

(при 40 — часовой рабочей неделе)

3

6060

С прерывным технологическим процессом

1

1780

и вредными условиями труда

2

3560

(при 35 — часовой рабочей неделе)

3

5340

С непрерывным технологическим процессом

3

8760

(при 8 — часовом рабочем дне)

3

8540 (при 9-ти празд. днях)

3

6440 (кроме выходных и праздничных дней)

1.6 Определение ритма производства

По величине планового задания определяется основной ритм производства по формуле:

(1.7)

где R — основной ритм производства, ;

Q нц — номинальный годовой фонд рабочего времени цеха, ч;

N ц — годовая программа ремонта локомотивов, секциях.

При получении дробной величины R с целью облегчения условий планирования, организации и контроля хода производственного процесса её рекомендуется округлить до целых значений часа с соответствующей корректировкой годовой программы ремонта локомотивов.

Ритм выпуска ремонтируемого изделия в проектируемом цехе, участке R 1 определяется по такой же формуле (1.7), только Nц является годовой программой цеха, участка по ремонту данных изделий в условных секциях локомотивов.

При этом номинальный годовой фонд рабочего времени проектируемого цеха, участка при пятидневной рабочей неделе с 8 — часовой рабочей сменой и сокращением его на 1 ч. в предпраздничные дни составляет для расчета: при работе в 1-смену-2020 ч. и при работе в 2-смены-4040 ч.

Величина R 1 при ремонте изделий в проектируемом цехе только на заводской ремонт локомотивов будет равной или краткой основному ритму производства R.

Полученные расчетные значения R 1 с целью облегчения условий оперативного планирования производства следует округлить до целых часов в меньшую сторону.

При округлении значения R` в меньшую сторону проектируемый цех, участок будет иметь некоторый резерв производственной мощности, который можно рассчитать по формуле:

(1.8)

где ДN ц — годовой резерв мощности проектируемого цеха, участка по ремонту данных изделий, шт;

  • принятое округленное значение ритма производства в цехе, участке, ч;

R 1р — расчетное значение ритма производства в цехе, участке, ч.

1.7 Расчет производственной рабочей силы

Расчет потребной численности производственной рабочей силы, необходимой для ремонта локомотивов и его узлов, выполняется в соответствии с годовой программой ремонта и трудоёмкостью работ, т.е. затратой рабочей силы в человеко-часах на единицу ремонта.

Необходимое количество производственной рабочей силы цеха определяется по укрупненным показателям трудоемкости, приведенным в табл. 1.4 для тепловозов ТЭП70БС.

Таблица 1.4 Нормы трудоемкости на капитальный ремонт дизель-генератора 1А-9ДГ тепловоза ТЭП70БС.

Наименование цеха ТРЗ

Трудоёмкость, чел-ч.

Дизельный

1302,7

Явочное количество производственных рабочих всех профессий цеха локомотиворемонтного завода определяется по формуле:

чел (1.9)

Списочное (штатное) количество рабочих цеха, в которое входят и рабочие, находящиеся в отпуске, командировке, больные и т.д. определяется по формуле:

чел (1.10)

где N г — годовая программа ремонта локомотивов, сек.;

Н н — нормированные затраты труда (табл. 1.4);

Ф я и Фсп — явочный и списочный годовой фонд рабочего времени производственных рабочих.

чел

чел

Потребность других работников в цехах локомотиворемонтного завода — вспомогательных рабочих (ВР), инженерно-технических работников (ИТР), счетно-конторском персонале (СКП) и младшем обслуживающем персонале (МОП) — определяется с использованием процентных соотношений, приведенных в табл. 1.5 для дизельного цеха тепловозоремонтного завода.

Таблица 1.5 Соотношения между категориями работников в дизельном цеху

Процентное соотношение к рабочим

производственным

кадровым

вспомогательные рабочие

ИТР

СКП

МОП

Норма

Итого

Норма

Итого

Норма

Итого

Норма

Итого

Явочное

15,0

34

8,0

18

0,8

2

1,0

3

Списочное

15,0

38

8,0

20

0,8

2

1,0

3

Площадь цеха (отделения) локомотиворемонтного завода может быть найдена исходя из годовой программы цеха по удельной площади, приходящейся на одну условную секцию тепловоза (табл. 1.6), т.е. путем умножения годовой программы на удельную площадь.

Таблица 1.6 Укрупненные нормы площади дизельного цеха ТРЗ для ремонта дизелей 5Д49 с программой выпуска 500-700 секций в год.

Наименование цехов (отделений) ТРЗ

Удельная площадь на одну условную секцию тепловоза годовой программы, м 2

Дизельный

14,3

Длина проектируемого цеха по данным укрупненных расчетов площадей основных цехов локомотиворемонтного завода определяется по формуле:

М (1.11)

где d ц — удельная площадь на одну условную секцию локомотива годовой программы, м2 ;

N г — годовая программа проектируемого цеха в условных секциях локомотивов ;

В гл Ввсп — соответственно ширина главного и вспомогательного пролетов, м.

Для уточнения длины цеха учитываются два поперечных прохода шириной 6м и продольные проезды для автокар шириной 4м

Если проектируемый цех располагается в блоке ремонтно-сборочных цехов локомотивного комбината, то его длина L ц должна соответствовать

длине главного пролета локомотивосборочного цеха, которая зависит от технологии и организации ремонта локомотивов на заводе.

Размеры пролетов и крановые средства, необходимые для ремонта дизелей 5Д49 тепловозов ТЭП70БС приведены в таблице 1.8

Таблица 1.8 Размеры пролетов и необходимые крановые средства дизельного цеха

Ширина пролета, м

Крановые средства и их грузоподъёмность, тс

Высота пролета от пола, м

До головки подкранового рельса

До низа несущей конструкции

главный пролет

24

Мостовые краны Q к =50/10тс и

12,65

Q r =10тс

9,65

вспомогательный пролет

24

Мостовой кран Q к =10тс

8,15

В дизельном цехе в главном пролете, имеющим высоту от пола до низа несущих конструкций равную 16,2 мостовые краны устанавливаются в два яруса.

В верхним ярусе установлены мостовые краны грузоподъемностью Q к =50/10тс и длиной пролета Zк =22,5 м, а в нижнем — Qк =10тс и Zк =22,5 м.

1.9 Расчет потребности энергетических ресурсов цеха

Потребность в расходе технической воды, производственного пара, сжатого воздуха, сжатого азота, кислорода, ацетилена и природного газа для проектируемого цеха производится укрупненно по удельным нормам расхода на одну секцию локомотива. Умножая полученные нормы расхода различных видов энергоресурсов на программу ремонта, получаем потребность их на годовую программу локомотивов в проектируемом цехе.

Указанные нормы расхода энергоресурсов на ремонт одного дизеля 5Д49 — в табл. 1.8

Таблица 1.8 Расход энергоресурсов в дизельном цеху

Техническая вода, м 3

Производственный пар, м 3

Сжатый воздух, м 3

Кислород, м 3

Ацетилен, м 3

Норма

Всего

Норма

Всего

Норма

Всего

Норма

Всего

Норма

Всего

150,3

51402,6

4,8

1641,6

3626

1240092

2180

745560

1,9

649,8

2. Спектральный анализ дизельного масла

2.1 Возможности комплексного анализа материалов средствами спектрального анализа

При производстве и эксплуатации различных видов транспорта в настоящее время выдвигается требование всестороннего повышения качества. Выполнение этого требования является главным в определении конкурентоспособности продукции на рынке. Большое внимание в решении таких задач уделяется системе управления качеством выпускаемой продукции. Рабочим инструментом в таких системах являются автоматизированные системы измерения и контроля качества.

Основным направлением проведенных исследований является повышение эффективности спектральных методов контроля качества материалов и готовых изделий промышленного производства. Реализация поставленных задач осуществляется за счет совершенствования математической обработки входной информации, разработки методик, алгоритмов и программных средств автоматизированных систем контроля.

Спектральный анализ (эмиссионный) — физический метод качественного и количественного анализа состава вещества на основе изучения спектров. Оптический спектральный анализ отличается относительной простотой выполнения, экспрессностью, отсутствием сложной подготовки проб к анализу и, наконец, незначительным количеством вещества (10 — 30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Спектры эмиссии получают переведением вещества в парообразное состояние и возбуждением атомов элементов нагреванием вещества до 1000— 10000° C. В качестве источников возбуждения спектров при анализе материалов, проводящих ток, применяют искру, дугу переменного тока. Пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя различных газов. Качественный и полуколичественный спектральный анализ сводятся к установлению наличия или отсутствия в спектре характерных линий и оценки по их интенсивностям содержания искомых элементов. Количественное определение содержания элемента основано на эмпирической зависимости (при малых содержаниях) интенсивности спектральных линий от концентрации элемента в пробе.

В тепловозных двигателях во время работы происходят сложные процессы взаимодействия смазочного масла с трущимися деталями, продуктами сгорания и активными химическими соединениями. Детали дизеля изнашиваются неравномерно одни быстро, другие служат более длительное время. За состоянием деталей дизеля установлен строгий контроль, главным образом на профилактических осмотрах и периодических ремонтах, что ухудшает эксплуатационные показатели работы тепловозов и значительно повышает стоимость ремонта. Поэтому изыскиваются методы оценки состояние деталей двигателя внутреннего сгорания без его разборки.

В результате износа трущихся частей дизеля в смазочном масле накапливаются различные примеси (железо, медь, свинец, олово), изменение концентрации, которых характеризует не только общий износ, но и состояние трущихся пар. Чем интенсивнее происходит износ деталей, тем выше концентрация элементов износа в масле. Например, , аварийное состояние двигателей оценивается концентрацией в масле свыше Fe 150 200 г/т и Cu 60 100г/т. До недавнего времени накопление элементов износа в маслах определялось обычным химическим анализом. Этот метод несовершенен, требует больших затрат и не обеспечивает быстрого получения результатов.

Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геохимии и др. Традиционным применением спектрального анализа является определение химического состава материалов. В основе методического обеспечения используются алгоритмы с градировочными графиками, построенными по данным испытаний государственных стандартных образцов (ГСО).

Данный способ рассматривался в качестве прототипа проведенных исследований. Часто при проведении количественного состава элементов возникают дополнительные погрешности прямых измерений, обусловленные структурными различиями стандартных образцов и исследуемых проб.

Целью проведенных исследований явилось устранение указанных дополнительных погрешностей и разработка комплексной методики контроля, как количественного состава, так структурных и физико-механических свойств металлов и сплавов на их основе.

Разработана физическая модель анализа, основанная на использовании многопараметровых зависимостей измеряемых интенсивностей излучения спектральных линий. Это позволило определять количественный состав элементов и рассчитывать погрешности с использованием только одного стандартного образца в широком интервале спектрального анализа. Введены в рассмотрение виртуальные эталоны (ВЭ), которые позволяют уточнять получаемые погрешности.

Разработанные методики и алгоритмы, совместно с современными устройствами регистрации, легли в основу создания модернизированных систем контроля. Расширено традиционное использование и функциональное назначение существующих промышленных устройств спектрального анализа.

Исходные данные были получены при помощи модернизированной фотоэлектрической системы типа МФС-8 спектральной лаборатории ОАО «Омскагрегат» (ОАЗ).

Для измерения параметров спектральных линий использовался блок регистрации излучения, оснащенный линейными приборами с зарядовой связью (ПЗС) типа ILX511 (Sony).

Количественное содержание элементов и получаемые при этом погрешности были рассчитаны с использованием одного стандартного образца. В таблице 3.1 представлены результаты химического анализа бронзы ОСН 10-2-3. В качестве контрольного эталона (КЭ) использован образец № 952.

Таблица 2.1 — Измеренные параметры и результат испытания химического состава стандартных образцов

СО

Fe

Pb

Sn

P ххср

С±?С

Р ххср

С±?С

P ххср

С±?С

52*

2,8-44,8

0,12

50,0-56,3

2,13

0,0-56,3

9,1

53

30,5-41,3

0,270±0,009

36,0-52,5

2,800±0,015

89,5-52,5

9,89±0,29

54

46,5-41,5

0,330±0,012

36,0-50,3

2,860±0,017

90,5-50,3

9,70±0,30

55

73,3-39,8

0,710±0,015

35,5-44,3

3,110±0,016

91,5-44,3

10,1±0,30

Р — отображение интенсивности спектральной линии элемента;

Р хср — отображение интенсивности спектральной линии сравнения (Сu);

  • С±?С — количественное содержание и погрешность определения.

На рис. 2.1 построены градировочные графики зависимости (НВ) Х =f(Ycp ) для исследуемых образцов методом контрольного эталона

Рис 2.1 Зависимость HB (Y cp ) для сплава бронзы ОСН 10-2-3

Дальнейшим совершенствованием исследований является разработка методик и алгоритмов входного контроля материалов и изделий промышленного производства. На начальных этапах осуществляется качественный анализ, затем решается проблема определения марок неизвестных материалов. Для этого из базы данных компьютера извлекаются данные эталонов и приводятся в соответствие с энергетическими характеристиками проб.

На этапе количественного анализа вычисляются процентные содержания элементов и их погрешности по уравнениям модели спектрального анализа. Разработана структурная схема входного контроля.

Технически целесообразными и экономически более эффективными являются методы, обеспечивающие комплексный анализ контролируемых параметров, определяющих совокупные свойства исследуемых объектов. В то же время, имеющиеся методы контроля в большинстве своем решают ограниченный круг вопросов и определяют один контролируемый параметр. Для комплексной оценки физико-механических свойств материалов проводится ряд самостоятельных испытаний на машинах разрушающего типа. Традиционно спектральный анализ используется только для определения количественного содержания элементов.

Для решения задач комплексного анализа элементы в пробе и эталоне представляются в виде некоторой совокупной энергетической системы. При этом каждый энергетический уровень описывается своей системой уравнений. Решение задач для перехода из одного состояния в другое происходит по разработанному алгоритму. Разработаны способы перехода открытых (исходных измеренных) энергетических систем (ЭС) в закрытые (ЗС), а затем в равновесные (РИС) и далее неравновесные (НИС) изолированные состояния. Использование критериев соответствия данных энергетических систем, в совокупности с физической моделью анализа, впервые позволило разделить структурные и количественные составляющие входного сигнала и создать самостоятельные методики контроля.

В соответствии с этими методиками анализ количественного содержания элементов проводится в РИС путем расчетов скорректированных значений интенсивности:

Хххср (2.1)

Р х — спектральной линии элемента;

Р хср — относительно линии сравнения;

Переход же НИС в РИС на конечных этапах преобразований, определяемый разностью интенсивностей линии основы пробы Р хср относительно аналогичной линии в эталоне Рсрэ , будет характеризовать изменения механических параметров Мх пробы относительно эталона.

На основании уравнений модели получен структурный энергетический параметр углового смещения элемента пробы относительно эталона Z’ = 90°?L, который определяется через другой параметр ?L, характеризующий переход системы из открытого состояния в изолированное.

Адекватность предлагаемых методов была подтверждена при испытаниях различных сплавов меди, алюминия и железа. В качестве испытуемых проб использовались комплекты государственных стандартных образцов и СО с дополнительной термообработкой для изменения их структурных и физико-механических свойств. Определение действительного значения твердости испытуемых образцов проводилось по методу Бринелля.

Комплексные испытания проведены в спектральной лаборатории ОАЗ на модернизированной установке ИСП-30 с фотоэлектронной кассетой на базе линейных ПЗС. В таблице 3.2 представлены данные измерений входных интенсивностей бронзы ОСН 10-2-3.

Таблица 2.2 — Исходные измеренные и расчетные параметры бронзы ОСН 10-2-3

Эл.

СО

P э

P эср

?P э

?P э

P х

Y

Fe

953

22.8

44,8

-22,0

67,6

30,5

-0,68

954

46,5

-0,86

955

73,3

-0,94

Pb

953

25.0

56,3

-31,3

81,3

36,0

-0,74

954

36,0

-0,78

955

35,5

-0,85

Sn

953

72.0

56,3

15,7

128,3

89,5

-0,95

954

90,5

-0,99

955

95,5

-1,10

Ni

953

51.3

73,8

-22,5

125,3

65,8

-0,79

954

71,0

-0,93

955

77,8

-1,08

У 0 , У — расчетные амплитудные параметры;

Z’ 0 , Z’ — расчетные фазовые параметры;

Р х0 — измеренные интенсивности элемента пробы при условии Рсрxсрэ

На рис. 2.2 построены градировочные графики зависимости (НВ) Х =f(Ycp ) для исследуемых образцов методом контрольного эталона

Рис 2.2 Зависимость HB (Y cp ) для сплава алюминия АК9

В таблице 2.3 — расчет физико-механических параметров Y i бронзы и алюминия АК9.

Таблица 2.3 — Результаты определения твердости НВ

Бронза ОСН 10-2-3

Алюминий АК9

СО

Y cp

(HB) 0

(HB) х

д,%

СО

Y cp

(HB) 0

(HB) х

д,%

953

-0,79

114

119.2

4,6

141т

1,11

80,4

80,5

0,12

954

-0,89

121

126.3

4,4

142

-0,04

68,5

68,0

0,73

955

-0,99

138

130,1

5,7

142т

1,04

80,9

80,7

0,25

952 эт

-0,26

107

102,2

4,5

141эт

69,1

69,3

0,30

(НВ) 0 — действительное значение твердости, измеренное классическим методом;

(НВ) х — значение твердости, полученное предлагаемым методом.

Средние значения в таблице 3.3 получены из соответствующих текущих значений Y i обобщенных амплитудных параметров путем суммирования по всем анализируемым элементам.

В качестве контрольного использовался стандартный образец с обозначением «952 эт».

На рис. 2.3 изображены выходные характеристики материалов для определения физико-механических свойств и структурных особенностей алюминия АК5М.

Рис 2.3 Зависимость HB (Y) для сплава алюминия АК5М

Построение графиков проведено поданным пяти параллельных измерений без корректирования измеренных значений интенсивностей. Относительная погрешность измеренных интенсивностей излучения спектральных линий колебалась в пределах 5-40 %, что объясняется нестабильностью процессов излучения и поглощения низкотемпературной плазмы.

Дальнейший расчет механических параметров предлагается проводить двумя путями:

  • методом использования градировочных графиков, хранящихся в базе данных компьютера;

методом аналитического расчета контролируемого механического параметра М j для j-й пробы относительно параметра эталона М0 по уравнению:

M j =M0 +tgAЧYcp (Z’)j (2.2)

Ниже приводится серия испытаний образцов литейного алюминия АК5М. В них изменение структурных свойств проводилось за счет введения в процессе кристаллизации модификаторов в виде различных доз ультрадисперсных порошков сажи (СО №5, №43) и окиси кремния Si0 2 (СО №38, №50).

Измеренные механические и структурные параметры показаны в табл.2.4.

Таблица 2.4- Действительные механические параметры образцов

Образец

Воздействие

Кол-во, %

НВ

G E

G T

L,мкм

D, мкм

0 эт

Ультрадисперсный порошок С (сажа)

0,000

154,9

268,3

246,4

28,1

31,9

5

0,010

154,1

269,7

250,1

20,3

42,0

43

0,700

164,6

326,2

315,1

11,5

51,8

38

Ультрадисперсный порошок SiO 2

0,025

156,1

277,8

253,2

19,2

42,9

50

0,700

156,8

280,4

255,0

18,8

43,8

D — средний диаметр микрозерна, мкм;

  • L — среднее расстояние между осями зерен, мкм;

G е — предел прочности на разрыв;

G т — предел текучести на разрыв;

  • НВ — твердость по Бринеллю.

На рис. 2.4 изображены выходные характеристики материалов для определения физико-механических свойств и структурных особенностей алюминия АК5М.

Рис 2.4 Зависимость GE (Y) для сплава алюминия АК5М

Изготовление образцов, определение механических и структурных свойств проводилось на ОМО им. Баранова (Омск).

Испытания проведены на предприятии ООО «НТК «Криогенная техника» (Омск) с использованием установки ИСП-30 с фотоэлектронной кассетой МАЭС (Новосибирск).

Результаты испытаний представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 — Зависимость определяющих параметров от режимов испытания

Образец

Т экс =5с

Т экс =10с

Результат

Y

Z’

Y

Z’

Y cp ±?Y

Y cp ±?Y

5

-0,02

1,64

-0,08

1,63

-0,05±0,03

1,635±0,05

43

0,92

2,45

1,18

2,44

1,05±0,13

2,445±0,005

38

0,09

1,79

0,07

1,69

0,08±0,01

1,740±0,050

50

0,06

1,70

0,04

1,72

0,05±0,01

1,710±0,010

На рис. 2.5 изображены выходные характеристики материалов для определения физико-механических свойств и структурных особенностей алюминия АК5М.

Сводные данные для построения графиков представлены в табл.3.6.

Рис 2.5 Зависимость структурных параметров D (Z’) для сплава АК5М

Таблица 3.6 Данные для построение графиков

Параметр

Метод

Эталон

Графический способ

Аналитический способ

0

5

43

38

50

5

43

38

50

НВ

Действ.

155,8

155,0

166,0

156,9

156,1

154,4

165,4

155,7

155,4

Измерен.

154,9

154,1

164,6

156,1

156,8

154,1

164,6

156,1

156,8

,%

0,58

0,58

0,85

0,51

0,45

0,19

0,49

0,26

0,89

Е

Действ.

270,0

266,5

330,0

276,5

275,0

265,5

324,4

272,8

271,1

Измерен.

268,3

269,4

326,2

277,8

280,4

269,4

326,2

277,8

280,4

,%

0,63

1,08

1,17

0,47

1,57

1,45

0,55

1,80

3,32

Т

Действ.

250,0

246,5

319,0

255,5

254,5

243,2

314,3

251,6

249,6

Измерен.

246,4

250,1

315,1

253,2

255,0

250,1

315,1

253,2

255,0

,%

1,46

1,44

1,24

0,83

0,24

2,76

0,25

0,63

2,12

D

Действ.

31,5

41,7

48,5

42,5

42,0

46,9

54,5

48,0

47,7

Измерен.

31,9

42,0

51,8</…