Контроль температуры является важным аспектом оценки технического состояния механического оборудования. До 95% всех форм энергии, создаваемой и передаваемой машинами прямо или частично, превращается в тепловую энергию. Параметром теплового диагностирования является температура, отражающая протекание рабочего процесса и развитие целого ряда неисправностей оборудования.

Температура – физическая величина, определяемая как параметр состояния термодинамического равновесия микроскопических систем. Термодинамическая температура всегда положительна и измеряется при помощи термодинамической шкалы, единицей которой служит 1 Кельвин (0К). С общепринятой шкалой Цельсия она связана соотношением T = t + 273,15 0K, где t – температура по шкале Цельсия. Цена деления шкалы Кельвина и Цельсия – одна (1 0К = 1 0С); абсолютный ноль соответствует t = ‑273,15 0C. Температура – величина экстенсивная, измеряемая косвенным образом в результате преобразования в какую-либо интенсивную (непосредственно измеряемую) величину (например, электрический ток). Методы измерения температуры – контактные и бесконтактные.

Органолептическое восприятие температуры позволяет оценить степень нагрева корпусных деталей по уровням: «холодно», «тепло», «горячо». «Холодно» – температура менее +20 0С, «тепло» – температура +30…40 0С, «горячо» – температура свыше +50 0С. Пределом для непосредственного восприятия является температура +60 0С – выдерживаемая тыльной стороной ладони без болевых ощущений в течение 5 секунд. Возможно расширение диапазонов воспринимаемых температур. Так, например, использование дополнительных средств – брызг воды позволяет контролировать значения +70 0С – видимое испарение пятен воды и +100 0С – кипение воды внутри капли на поверхности корпусной детали.

Расширить диапазон субъективно воспринимаемых температур позволяют цвета побежалости (рисунок 118) и цвета каления (рисунок 119).

Цвета побежалости –  это радужные разводы соломенного, золотистого, пурпурного, фиолетового и других цветов и оттенков на чистой поверхности нагретого металла, возникающие в результате появления тонкого слоя оксидов. Тонкая оксидная плёнка толщиной в несколько молекул возникает на поверхности чистого металла под воздействием локального источника тепла. Цвет зависит от толщины оксидной пленки, поскольку окислы различной толщины по-разному отражают свет.

Посадочная поверхность внутреннего кольца подшипника при схватывании и провороте

посадочная поверхность внутреннего кольца подшипника при схватывании и провороте

Рисунок 118 – Цвета побежалости

Цвета побежалости сварных швов

цвета побежалости сварных швов

Цвета побежалости стружки

цвета побежалости стружки

Рисунок 118 – Цвета побежалости

Цвета побежалости предоставляют информацию о степени нагрева детали во время поломки, при термообработке или о перегреве детали во время сборки. Цвета побежалости и соответствующие температуры для углеродистой стали:

  • светло-желтый (соломенный) – 220 0С;
  • темно-желтый – 240 0С;
  • коричнево-желтый – 255 0С;
  • коричнево-красный – 265 0С;
  • пурпурно-красный – 275 0С;
  • фиолетовый – 285 0С;
  • васильково-синий – 295 0С;
  • темно-синий – 315 0С;
  • серый – 330 0С.

Указанные цвета несколько меняются для различных марок сталей, однако характер изменения цветности остается неизменным. Цвета побежалости углеродистой стали, не совпадают с температурными диапазонами цветов побежалости коррозионностойких и жаропрочных сталей.

Цвета побежалости не являются точным индикатором температуры. На них влияет скорость подъема температуры, состав газовой среды, время выдержки стали при данной температуре, характер освещения и другие факторы. На легированных сталях цвета побежалости обычно появляются при более высоких температурах, так как легирование часто повышает стойкость стали к окислению на воздухе.

Сталь при нагреве выше 530 0С излучает световые лучи различного цвета в зависимости от температуры нагрева – цвета каления. Цвета каления и соответствующие температуры (0С) для стальных изделий:

  • темно-коричневый, слабое свечение в темноте – 530…580;
  • коричнево-красный – 580…650;
  • темно-красный – 650…730;
  • темно-вишневый-красный – 730…770;
  • вишнево-красный – 770…800;
  • светло-вишнево-красный – 800…830;
  • светло-красный – 830…900;
  • оранжевый – 900…1050;
  • темно-желтый – 1050…1150;
  • светло-желтый – 1150…1250;
  • ярко-желтый – 1250…1300.

Указанные цвета могут несколько изменятся по отношению к конкретным маркам сталей, однако характер изменения цветности остается неизменным.

Цвета каления показывают темпера-туру, которую достигла заготовка

Цвета каления показывают темпера-туру, которую достигла заготовка

Изменение цвета каления при охлажде-нии заготовки на холодильнике машины непрерывного литья заготовок

Изменение цвета каления при охлаждении заготовки на холодильнике машины непрерывного литья заготовок

Рисунок 119 – Цвета каления

Оборудованием, позволяющим повысить точность определения температуры контролируемого объекта при субъективном восприятии являются термоиндикаторы (жидкокристаллические и плавящиеся) и термосвидетели.

Жидкокристаллические термоиндикаторы – органические соединения, обладающие свойствами жидкости (текучесть) и твердого кристаллического тела (анизотропия, двойное лучепреломление). При изменении температуры жидкий кристалл меняет цвет. Выпускаются в виде пленок или жидких растворов.

Плавящиеся термоиндикаторы выпускают в виде термокарандашей, термолаков, термопорошков. Изготавливаются на основе воска, стеарина, парафина или соединений серы, цинка, свинца (для высоких температур). На поверхности изделия термокарандашом наносят риску, которая плавится и меняет цвет при достижении заданной температуры. Действие термолаков аналогично.

Термосвидетели ‑ комплект пластинок из металлов, плавящихся при различных температурах.

Контактные методы измерения температуры реализуются при помощи термометров, термопар и терморезисторов. Данные методы используются в системах стационарного контроля технологических процессов.

Бесконтактные приборы термометрии широко представлены пирометрами и тепловизорами. Портативные пирометры (рисунки 120) позволяют оперативно провести измерение температуры в локальных точках механического и электрического оборудования на неподвижных, удаленных и вращающихся деталях. Тепловизоры (рисунок 121) позволяют получить тепловую картину объекта.

инфракрасный термометр «НИМБУС»

(а)

пирометр фирмы RAYTEK

(б)

пирометр «Кельвин»

(в)

инфракрасный термометр «СМОТРИЧ-4ПМ1-09»

(г)

Рисунок 120 – Портативные пирометры:
а) инфракрасный термометр «НИМБУС»; б) пирометр фирмы RAYTEK; в) пирометр «Кельвин»; г) инфракрасный термометр «СМОТРИЧ-4ПМ1-09»

 

SAT S-160

(а)

SAT S-280

(б)

SAT HY-6800

(в)

TG165

(г)

Рисунок 121 – Модели тепловизоров:
а) SAT S-160; б) SAT S-280; в) SAT HY-6800; г) TG165

Действие пирометров излучения основано на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры имеют объектив для фокусировки излучения, фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле температуры объектов в труднодоступных полостях применяют пирометры в сочетании с волокно-оптическими световодами.

Технические характеристики пирометров определяют: диапазон измеряемых температур (возможны интервалы от 0…+10 0С, до 1200…2000 0С); погрешность измерения (от 2% до 10%); время реакции; рабочий спектральный диапазон (возможны диапазоны 2…5 мкм и 8…14 мкм); излучательную способность – фиксированную или устанавливаемую; диапазон рабочих температур, обычно ‑20…+150 0С; массу – от 230 г до 1 кг.

Важным параметром для пирометра является оптическое разрешение – отношение расстояния до объекта к диаметру пятна контролируемой поверхности. Расстояние до контролируемого объекта может меняться от 0,35 м до 15,0 м. При этом меняется и площадь контролируемой поверхности. Если оптическое разрешение 20:1, тогда диаметр контролируемой поверхности на расстоянии 10 м составит – 0,5 м. Поэтому, наиболее эффективно использовать пирометры необходимо на малых расстояниях до объекта – до 1 м (диаметр контролируемой поверхности при разрешении 8:1 составит 125 мм, а при разрешении 60:1 – 17 мм).

Современные пирометры могут иметь показатель визирования до 150:1…500:1. Это позволяет проводить измерение температуры с расстояния 25…30 м. Автоматическая регулировка яркости индикатора, система самотестирования работоспособности, встроенная память на 1000 замеров, сигнализация аварийной температуры, фиксация замеров и максимальной температуры, цифровой выход – все это позволяет применять пирометр в системах мониторинга с использованием компьютерных технологий.

Основным преимуществом пирометров является получение недоступной ранее информации о температуре деталей и узлов. В области металлургии – это нагрев слитков; в области термообработки – определение температуры деталей на различных стадиях технологического процесса; в области электрического оборудования – контроль температуры контактов и элементов схем управления; в области механического оборудования – контроль температуры подшипниковых узлов, вращающихся валов, соединительных муфт и др.

Наиболее часто, контролируется температура наружной поверхности корпусной детали узла подшипника. Фактическая температура подшипника остается неизвестной. Бесконтактное измерение температуры вала при помощи пирометра позволяет точно оценить температуру подшипника. Данная деталь непосредственно контактирует с внутренним кольцом подшипника. Поэтому при длительном режиме эксплуатации температура подшипника и температура вала стабилизируются.

Неконтролируемый перегрев – весьма опасен для любого устройства или механизма. Использование тепловизора позволяет визуализировать тепловые поля узлов оборудования методами сканирующей пирометрии. Сканирование осуществляется электронными средствами. Бесконтактное термодиагностирование оборудования основано на анализе параметров теплового потока от объекта.

Современные тепловизионные системы с автономным питанием используют неохлаждаемые микроболометрические матрицы (16×16…320×240 элементов) спектрального диапазона 3…5 мкм или 8…14 мкм. Диапазон измеряемых температур ‑40 0С…+2000 0С. Чувствительность 0,03…0,5 0С. Масса – 1,2…2,5 кг. Запись термоизображений, текстовых и голосовых комментариев, многообразные функции анализа и настройки термоизображений в реальном масштабе времени, возможность анализа термограмм с использованием специализированных программ для персональных компьютеров. Угол поля зрения – 10…300 по горизонтали, 10…400 по вертикали. Частота развертки кадров – 8…60 Гц.

Предпочтение в промышленных условиях следует отдавать инфракрасным камерам с большей матрицей, чувствительностью и частотой развертки кадров. Реализация этих требований увеличивает стоимость прибора. Необходимо позаботиться о прочном защитном корпусе, записи полученной информации и программах для обработки.

Термографическое обследование проводится при подготовке к проведению ремонта. Снимаются термограммы поверхностей в местах контактов деталей, по поверхности объекта, фундаменту механизма. При обработке термограмм сравниваются: нагрев элементов, нагрев однотипных узлов и деталей, динамика изменения нагрева во времени и в зависимости от нагрузки, определяются локальные нагревы, места расположения, сопоставляются места нагрева с расположением элементов механической и электрической частей привода, определяется эффективность работы систем охлаждения (рисунок 122).

Рисунок 122 – Сравнение тепловой картины и элементов объекта Рисунок 122 – Сравнение тепловой картины и элементов объекта
Рисунок 122 – Сравнение тепловой картины и элементов объекта

Не существует методов оценки степени неисправности дефектов на перегреваемых поверхностях оборудования. Перегревы могут быть вызваны скрытыми дефектами, тепловым излучением сторонних объектов. Повреждения, электрического оборудования приведены на термограммах на рисунке 123.

Двигатель компрессора первой ступени

двигатель компрессора первой ступени

Нагрев до 49 °С места соединения шин

нагрев до 49 °С места соединения шин

Нагрев средней фазы до 39 °С

нагрев средней фазы до 39 °С

Нагрев одной фазы питания двигателя – недопустимое состояние

нагрев одной фазы питания двигателя – недопустимое состояние

Рисунок 123 – Термограммы электрического оборудования

Термограммы гидроцилиндров привода холодильника МНЛЗ приведены на рисунке 124. Анализ термограмм позволил установить места перегрева – штуцера подвода рабочей жидкости. Эти результаты были использованы при формулировке технических характеристик и требований к системе охлаждения установленной вовремя реконструкции.

Рисунок 124 – Термограммы гидроцилиндров привода холодильника МНЛЗ Рисунок 124 – Термограммы гидроцилиндров привода холодильника МНЛЗ
Рисунок 124 – Термограммы гидроцилиндров привода холодильника МНЛЗ

Температура нагрева корпусов механизмов, как диагностический параметр, имеет две особенности:

  • появление некоторых видов неисправностей вызывает повышение температуры корпуса;
  • инерционность нагрева металлических деталей, корпусов и опор не позволяет использовать данный параметр для определения внезапных отказов и зарождающихся повреждений.

Правила технической эксплуатации регламентируют предельную температуру корпусов подшипников, которая не должна превышать температуру окружающей среды более чем на 40 0С и быть не выше 60…80 0С. Для некоторых механизмов, имеющих циркуляционную систему смазки или охлаждения, оценивают разницу температур масла или воды на выходе и входе такой системы. Это позволяет контролировать тепловые процессы, общее состояние оборудования, а также степень его ухудшения. Разница температур на выходе и входе не должна превышать 5…10 0С.

Контроль температуры позволяет получить следующие диагностические параметры:

1) абсолютное значение в локальных точках;
2) разность температур масла или жидкости на выходе и входе;
3) интенсивность нарастания температуры при запуске;
4) определение цветов побежалости.

Первые три параметра могут быть определены при эксплуатации механизма, а последний – при остановке на осмотр.

Интенсивность нарастания температуры у неисправного механизма или узла будет выше, чем у исправного. Для информации об интенсивности нарастания температуры достаточно провести два последовательных измерения: на начальном участке фазы теплового режима и спустя некоторое время. Допустимая интенсивность нагрева механизма в период выхода на стационарный тепловой режим составляет около 0,5 0С/мин.

Основные причины, вызывающие повышение температуры:

1) дефекты системы смазывания: недостаточное или избыточное количество смазки; загрязнение смазки; неверно выбран смазочный материал;
2) повреждения подшипников качения: износ или повреждение колец или тел качения; разрушение сепаратора; проворачивание подшипника на валу или в корпусе;
3) дефекты изготовления и сборки: отсутствие осевых зазоров; малый радиальный зазор; дефекты корпусных деталей; защемление наружного кольца подшипника;
4) дефекты регулировки: подшипник сильно зажат; перекос подшипника или вала; неправильное центрирование электродвигателя с приводом;
5) повреждения уплотнительных устройств;
6) ослабление резьбовых соединений;
7) повреждения системы охлаждения: недостаточная подача охлаждающей воды; высокая температура воды на входе.

Вопросы для самостоятельного контроля

  1. Почему необходимо измерять температуру механического оборудования?
  2. Какие особенности следует учитывать при измерении температуры?
  3. До какого уровня можно использовать органолептические методы при измерении температуры?
  4. Что такое цвета побежалости?
  5. Когда на поверхности детали появляются цвета каления?
  6. В каких случаях используют термоиндикаторы и термосвидетели?
  7. Для чего используют контактные методы измерения температуры?
  8. Какие преимущества бесконтактных методов измерения температуры?
  9. Сделайте выбор приборного обеспечения для условий прокатного цеха.
  10. Вспомните диагностические параметры при измерении температуры.

Материал предоставил Сидоров Владимир Анатольевич.

0 0 vote
Article Rating