Спосіб “плазмон” контролю зносу механізмів і машин

Реферат: Спосіб контролю зносу механізмів і машин, при якому знос матеріалу визначається за порівняльними фізичними характеристиками технологічних рідин з продуктами зносу. Знос визначають за рівнем відхилення значення кута мінімуму поверхневого плазмонного резонансу для технологічної рідини, що досліджується, у порівнянні з еталоном. UA 107371 U (12) UA 107371 U UA 107371 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі машинобудування, і може бути використана для контролю ступеня зношення вузлів тертя в процесі експлуатації машин і механізмів без їх зупинки та розбирання, які використовуються в машинобудівній промисловості та у побутових цілях, а також для розробки зносостійких матеріалів та їх трибологічних випробовувань. Відомий спосіб контролю технічного стану машин та механізмів [1], згідно з яким досліджувану технологічну рідину пропускають через магнітне поле та ємнісні давачі. Наявність магнітних частинок в технологічній рідині та їх співвідношення по масі визначають шляхом вимірювання відношення діелектричних показників технологічної рідини з частинками магнітних домішок з більшою масою і технологічної рідини з частинками магнітних домішок меншої маси шляхом вимірювання електричної ємності ємнісних давачів, встановлених в рідинній магістралі. При цьому контролюють відношення ємностей давачів, розташованих в потоці технологічної рідини на різній відстані від джерела магнітного поля, розташованого з однієї сторони рідинної магістралі. Оцінку технічного стану машини виконують шляхом визначення величин і швидкості відхилення відношення електричних ємностей від еталонних, отриманих для неробочої технологічної рідини. Вищенаведений аналог дозволяє селективно контролювати ступінь зносу машин та механізмів, але лише при наявності феромагнітних часток продуктів зносу, які реагують на наявність магнітного поля, що є недоліком, так як у випадку наявності неферомагнітних частинок продуктів зносу відношення ємностей давачів дорівнюватиме нулю, що унеможливить оцінювання технічного стану. Крім того, внаслідок старіння технологічних рідин можлива хибна оцінка стану зношення в результаті збільшення діелектричної характеристики технологічної рідини та відсутність еталона для порівняння. Крім цього, цей спосіб передбачає використання для аналізу стану зносу великого об'єму проб технологічної рідини, що у випадку використання дорогих ресурсів є економічно невигідним. Найбільш близьким способом, прийнятим за прототип, є спосіб контролю зносу механізмів і машин, з використанням технологічних рідин [2], згідно з яким проводиться вимірювання величини діелектричної характеристики технологічної рідини в магістралі, контроль відхилення величини діелектричної характеристики від еталонного значення, отриманого для непрацюючої рідини, причому вимірюють відношення величин діелектричних характеристик технологічної рідини, котра використовується механізмом чи машиною і такої ж рідини, котра не використовується механізмом чи машиною, шляхом вимірювання відношення ємності конденсатора з технологічною рідиною встановленого в рідинній магістралі механізму чи машини, до ємності конденсатора з такою ж технологічною рідиною, але яка не змішується з технологічною рідиною в рідинній магістралі, а оцінку технічного стану механізму чи машини виконують шляхом визначення величини та швидкості відхилення відношення діелектричних характеристик від еталонних, отриманих при умові найбільш ефективної роботи рідинної системи. Недоліком прототипу є те, що ємнісний метод визначення діелектричних характеристик технологічних рідин має низьку точність та складність реалізації, внаслідок значного впливу габаритних розмірів та геометрії конструкційних елементів конденсаторів на похибку результату вимірювання. Крім того, його складно реалізувати в малогабаритному виконанні і, внаслідок перехідних процесів та постійної часу вимірювальної системи, він є тривалим. Також цей спосіб передбачає використання для аналізу стану зносу великого об'єму проб технологічної рідини, що у випадку використання дорогих ресурсів є економічно невигідним. Таким чином, спосіб за прототипом є тривалим, трудомістким і недостатньо точним. Задачею корисної моделі є розробка способу контролю зносу трибосистем механізмів і машин з підвищеною точністю. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується спосіб контролю зносу механізмів і машин, при якому знос матеріалу визначається за порівняльними фізичними характеристиками технологічних рідин з продуктами зносу, згідно з корисною моделлю, знос визначають за рівнем відхилення значення кута мінімуму поверхневого плазмонного резонансу для технологічної рідини, що досліджується, у порівнянні з еталоном. Новизна запропонованого способу визначається сукупністю відомих та нових операцій, та використанням оптичного методу, який основано на явищі поверхневого плазмонного резонансу (ППР). Ефект ППР виникає при взаємодії електроматнітного випромінювання видимого діапазону з межею поділу двох середовищ. При цьому умовою існування поверхневого плазмону є наявність у робочому діапазоні негативної діелектричної проникності в одного з середовищ, що граничить. Оскільки для металів діелектрична проникність, обумовлена плазмою вільних 1 UA 107371 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електронів, негативна в широкому спектральному діапазоні, металева плівка (переважно Аu чи Ag) на діелектричній підкладці є чутливим елементом ППР сенсора. Явище ППР полягає в різкому зменшенні інтенсивності світла, відбитого від вищевказаної границі поділу, що спостерігається при специфічній довжині хвилі і специфічному куті падіння. Для того, щоб одержані резонансну ППР криву можна або змінювати довжину хвилі падаючого світла при фіксованому куті падіння, або, використовуючи монохроматичне випромінювання, змінювати кут падіння. При цьому відомі три способи для збудження поверхневого плазмону з використанням: металізованих дифракційних ґраток [3], металізованої скляної призми (конфігурація Кречмана) чи призми в близькому контакті з металізованою скляною підкладкою (конфігурація Отто). Форма резонансної кривої і положення мінімуму будуть визначатися оптичними характеристиками всієї структури в цілому, включаючи середовище, що контактує з металевою плівкою з протилежної сторони. В корисній моделі, що заявляється, використовується конфігурація Кречмана. Форма кривої плазмонного резонансу і, зокрема, положення мінімуму, залежать: від показника заломлення призми, оптичних констант і товщини металевої плівки, у якій збуджується поверхневий плазмонний резонанс, та від оптичних параметрів і товщини шару, що контактує з металевим робочим елементом. Фіксуючи зміну резонансних умов виникнення плазмонного ефекту, тобто, досліджуючи зміну положення мінімуму плазмонного резонансу у часі, можна зробити висновки про процеси адсорбції та взаємодії молекул, що відбуваються на розглянутій межі поділу, та характеризувати їх кількісно. Результати вимірів математично обробляються по спеціально розробленому алгоритму. За рахунок механічної розгортки по куту падіння випромінювання на робочий елемент сенсор забезпечує діапазон по куту падіння 17 кутових градусів. Це дозволяє отримувати повну ППР-криву та, за допомогою спеціального програмного забезпечення, вираховувати оптичні константи та товщини шарів, що входять до системи. А також працювати з середовищами, які мають показники заломлення від 1,0 до 1,5. -7 За допомогою ППР можна визначати показники заломлення з чутливістю ±4×10 та точністю -7 ±2×10 , чого неможливо досягнути електричними ємнісними методами. Крім того, метод ППР дозволяє використовувати для аналізу дуже малі проби досліджуваної речовини від 10 до 50 мкл, що є економічно вигідним у разі використання коштовних досліджуваних речовин та матеріалів. Таким чином, ППР - це оптоелектронне явище, що використовується для розробки чутливих тонкоплівкових рефрактометрів. Запропонована технологічна операція способу контролю раніше невідома і тому винахід відповідає критерію новизни. Приклад реалізації. Для реалізації запропонованого способу був використаний розроблений в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАП України двоканальний прилад ПЛАЗМОН-7 [4], який працює на основі явища поверхневого плазмонного резонансу (ППР). Як джерело випромінювання використовується напівпровідниковий інжекційний лазер GaAs з довжиною хвилі 850 нм. Точність вимірювання показника заломлення за величиною кута мінімуму 1ІПР -5 приладом ПЛАЗМОН-7 становить ±2×10 , а чутливість 5×10°. Досліджували моторне мастило Mobil Super 3000 fesw-30 в стані постачання (еталонний зразок) та після нетривалого (30 відсотків від рекомендованого для заміни значення) пробігу автомобіля. В першій вимірювальній чарунці приладу ПЛАЗМОН-7 об'ємом 0,2 мл розташовували еталонне моторне мастило, а через другу чарунку об'ємом 0,2 мл прокачували перистальтичним насосом досліджуване після пробігу моторне мастило. Прилад вимірював криві плазмонного резонансу для двох типів мастил (креслення). Результати вимірювань показали, що точність та чутливість для запропонованого способу зростали у 2 та 10 разів, відповідно, у порівнянні з прототипом. Позитивний ефект корисної моделі полягає у суттєвому зменшенні часу контролю та збільшенні чутливості і точності контролю зносу трибосистем механізмів і машин. Ці фактори знижують вартість процедури контролю. Джерела інформації: 1. Хулла В. Д., Кукоз Ф. И., Хулла М. В., Кукоз В. Ф. Способ контроля технического состояния машин и механизмов, патент РФ №2310187, опубл. 2007. 2. Хулла В. Д., Кукоз Ф. И., Хулла М. В. Способ контроля износа трибосистем механизмов и машин, использующих технологические жидкости, патент РФ №2322660, опубл. 2008. 3. H. Raether "Surface Polaritons", Eds. Agranovicb and Mills, North Holland Pubi. Сотр., Amsterdam, 1982. 4. Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В., Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних 2 UA 107371 U комплексів та пристрій для його здійснення; Патент України номер 46018, опубл. 15.05.2002; бюл. № 5. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб контролю зносу механізмів і машин, при якому знос матеріалу визначається за порівняльними фізичними характеристиками технологічних рідин з продуктами зносу, який відрізняється тим, що знос визначають за рівнем відхилення значення кута мінімуму поверхневого плазмонного резонансу для технологічної рідини, що досліджується, у порівнянні з еталоном. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3