油液顆粒污染在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

張賢明 熊少軍 陳 彬 武宏陽

(重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

液壓油在液壓系統(tǒng)中起著能量傳遞、系統(tǒng)潤(rùn)滑、防腐、防銹及冷卻等作用。元件和系統(tǒng)在加工、裝配、實(shí)驗(yàn)、包裝、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中殘留下來且未被清除的污染物(如鑄造型砂，切屑、焊渣及修片等)和在工作過程中從外界侵入的污染物都會(huì)污染液壓油，影響其理化性，從而使設(shè)備不能正常工作[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，75%以上的液壓油污染是其中固體顆粒的污染[2～4]，因此固體顆粒對(duì)設(shè)備液壓系統(tǒng)造成的危害最大，同時(shí)固體顆粒含量是衡量油液能否繼續(xù)使用的依據(jù)。顆粒污染物會(huì)導(dǎo)致液壓元件快速磨損、性能下降，進(jìn)而改變液壓系統(tǒng)的工作性能，引起動(dòng)作失調(diào)，甚至系統(tǒng)完全失靈。

通過對(duì)液壓油性能和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以得到油液顆粒度相關(guān)信息，及時(shí)對(duì)被污染油液進(jìn)行凈化處理，避免污染環(huán)境，同時(shí)還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障，對(duì)液壓系統(tǒng)和油液污染進(jìn)行有效控制，因此在線監(jiān)測(cè)液壓油的顆粒污染度對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和節(jié)能環(huán)保事業(yè)有著十分重要的意義。

傳統(tǒng)離線式檢測(cè)主要集中在光譜分析、鐵譜分析、顆粒計(jì)數(shù)及油品理化分析等方面，檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能及時(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀況，具有很大滯后性[5,6]。根據(jù)有關(guān)調(diào)查表明：離線油樣分析結(jié)果有50%沒有發(fā)現(xiàn)問題，45%顯示失效即將發(fā)生，僅5%檢測(cè)出嚴(yán)重問題[7,8]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)由于具有及時(shí)性及便捷性等特點(diǎn)[5]，成為工況檢測(cè)和故障診斷的主要手段。筆者介紹了顆粒度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并指出其發(fā)展趨勢(shì)。

1 油液顆粒度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀①

目前顆粒度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要利用電學(xué)、光學(xué)及磁場(chǎng)理論等原理，監(jiān)測(cè)相應(yīng)的油液理化指標(biāo)(如介電常數(shù)、顆粒濃度)變化趨勢(shì)或顆粒圖像來判斷顆粒污染狀況。國(guó)內(nèi)、外在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有電測(cè)法、光測(cè)法和磁塞法。

1.1 電測(cè)法

陳世明等設(shè)計(jì)了一種可直接讀取油液污染度的在線監(jiān)測(cè)電容傳感器(圖1)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此傳感器適用于機(jī)械裝備的油液在線監(jiān)測(cè)[9]。傳感器0的進(jìn)、出油口直接接入油路中，可測(cè)得污染油液總介電常數(shù)；傳感器1～m的進(jìn)、出油口與油液之間通過濾清器連接，可測(cè)得除去金屬顆粒后的污染油液介電常數(shù)。兩者的差值就是污染油液中金屬顆粒的介電常數(shù)，從而確定金屬顆粒的含量。但油液經(jīng)過濾清器后會(huì)產(chǎn)生流量壓力改變，極有可能影響傳感器所采集到的油液介電常數(shù)，導(dǎo)致最終結(jié)果不正確。

圖1 在線監(jiān)測(cè)電容傳感器

1.2 光測(cè)法

殷勇輝等基于Beer-Lambert定律設(shè)計(jì)了光纖油液污染監(jiān)測(cè)傳感器[10]。圖2為傳感器探頭結(jié)構(gòu)，主體部分由樣品池和透鏡系統(tǒng)組成，入射和出射部分通過螺紋與主體連接，光學(xué)系統(tǒng)通過調(diào)整螺釘進(jìn)行校準(zhǔn)，確保了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由光源產(chǎn)生的光通量I0通過入射光纖接頭和透鏡進(jìn)入測(cè)量區(qū)域(即布置于光路主體上的油液樣品池)；油液管路中未被顆粒散射和吸收的部分出射光由透鏡會(huì)聚，經(jīng)出射光纖接頭導(dǎo)出到光探測(cè)器單元(即光電接收管的光敏表面上)，利用光電信號(hào)放大器可以測(cè)量出載有信息的光通量。通過測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度的變化即可反演計(jì)算出油液中所有固體顆粒物的分布，從而表征設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)的顆粒污染度。但為了保證測(cè)量精度，該方法只適用于流速低工況中，且只能監(jiān)測(cè)適當(dāng)粘度的油樣。

圖2 光纖油液污染監(jiān)測(cè)傳感器探頭結(jié)構(gòu)

1.3 磁塞法

磁塞檢測(cè)技術(shù)是在油液系統(tǒng)中安裝磁塞或探針，將油液中的顆粒吸附到磁塞上，利用磁塞檢測(cè)儀和磁強(qiáng)針估量所收集到的顆粒數(shù)量和顆粒產(chǎn)生趨勢(shì)[11～13]。磁塞檢測(cè)的特點(diǎn)是安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。使用磁塞法可通過判斷微粒種類、形狀、粒度和顏色判斷系統(tǒng)故障性質(zhì)，適用于200℃以下、工作尺寸為100～400μm的機(jī)械裝備顆粒在線檢測(cè)，但其缺點(diǎn)是只能用于檢測(cè)黑色金屬顆粒，對(duì)非磁性材料無效。

此外，國(guó)外也有針對(duì)油液顆粒的在線監(jiān)測(cè)傳感器，比如由美國(guó)MACOMT echnologies公司開發(fā)的 TechAlertTM10型顆粒傳感器、加拿大GasTops公司開發(fā)的MetalSCAN顆粒傳感器[14]、英國(guó)Kittiwake公司開發(fā)的 FG 型在線顆粒量傳感器[15]和Smith公司的EODM系統(tǒng)的 OLS傳感器[16]，但只能檢測(cè)最小為50μm的鐵屑顆粒，Harvey T J等開發(fā)的在線顆粒計(jì)數(shù)器也只能定量估計(jì)油液中的顆粒度[17,18]。

2 基于壓差原理的的油液污染度在線監(jiān)測(cè)儀

根據(jù)液體過濾原理[19]，陳彬等根據(jù)過濾壓差引起活塞伸出位移與污染度成正比的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種油液污染度在線監(jiān)測(cè)裝置(圖3)[20]。該在線監(jiān)測(cè)裝置主要由復(fù)合活塞缸體、5～15μm污染物檢測(cè)活塞、位移傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集處理及控制系統(tǒng)等組成，其工作原理為油液經(jīng)5、15μm多級(jí)過濾網(wǎng)后產(chǎn)生不同的壓差，并推動(dòng)多級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)，通過設(shè)置在各活塞桿處的位移傳感器監(jiān)測(cè)各位移量，與經(jīng)實(shí)驗(yàn)建立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，得出對(duì)應(yīng)的油液污染度。該裝置的特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)油液運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)形式輸出油液的污染等級(jí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不受油液性能、監(jiān)測(cè)過程中油液運(yùn)行參數(shù)影響，監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，減少了人為因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖3 油液污染度在線監(jiān)測(cè)裝置

3 結(jié)束語

液壓油中顆粒污染物對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行危害最大，通過對(duì)油液在線監(jiān)測(cè)，可及時(shí)獲知油液性能參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防，減少和杜絕設(shè)備事故的發(fā)生。油液顆粒污染度的在線監(jiān)測(cè)是預(yù)防設(shè)備事故發(fā)生的重要途徑，目前其監(jiān)測(cè)方法較多，但普遍存在測(cè)量油液污染度精度不高、測(cè)量數(shù)據(jù)響應(yīng)較慢及穩(wěn)定性較差等不足。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)還需從很多方面進(jìn)行更深層次的設(shè)計(jì)和優(yōu)化(例如傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能化及降低虛警率等)，找到最合理的油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，才能及時(shí)對(duì)污染油液做出正確處理。