載荷與潤(rùn)滑油性能相關(guān)性的研究

杜 映，王龍?chǎng)?，?濤

(西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

載荷與潤(rùn)滑油性能相關(guān)性的研究

杜 映，王龍?chǎng)?，?濤

(西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

為了研究載荷與潤(rùn)滑油性能的相關(guān)性，以自制的四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并搭建了潤(rùn)滑油性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選取潤(rùn)滑油粘度、介電常數(shù)及磨粒濃度為在線可測(cè)量，研究了載荷對(duì)服役階段潤(rùn)滑油性能的影響及其相關(guān)性，并對(duì)基于不同載荷的潤(rùn)滑油狀態(tài)進(jìn)行了分類。試驗(yàn)結(jié)果表明：載荷與潤(rùn)滑油性能衰變程度存在著相關(guān)性，且隨著載荷的增加，潤(rùn)滑油的性能下降，氧化衰變程度加劇，磨損程度加劇。本研究為今后研究潤(rùn)滑油的健康狀態(tài)表征方法提供了依據(jù)。

在線監(jiān)測(cè)；潤(rùn)滑油分析；磨粒監(jiān)測(cè)；聚類分析

1 前言

潤(rùn)滑油是機(jī)械設(shè)備的“血液”，它包含了全部的摩擦學(xué)信息，對(duì)潤(rùn)滑油的狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為分析設(shè)備磨損狀態(tài)的重要手段[1]。離線油液監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展了70多年[2]，已經(jīng)非常成熟，但耗費(fèi)巨大的人力、物力。在線油液監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然起步較晚，但由于其具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無需取樣、避免二次污染、減少人力等優(yōu)點(diǎn)，已初步應(yīng)用在重要工業(yè)領(lǐng)域的重大型設(shè)備中，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)電齒輪變速箱、船用柴油機(jī)及礦山設(shè)備等[3]。目前，對(duì)于潤(rùn)滑油性能的衰變規(guī)律的研究尚屬空白。因此，對(duì)潤(rùn)滑油性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要。然而，潤(rùn)滑油在設(shè)備運(yùn)行過程中，將受到變載荷的作用，從而影響潤(rùn)滑油的使用性能。因此，研究載荷與潤(rùn)滑油性能表現(xiàn)之間的關(guān)系非常重要。

目前，國(guó)內(nèi)外在線油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要集中于在線油液傳感器的開發(fā)，以試驗(yàn)探究為主，工程應(yīng)用案例較少[4]。其中，較為成熟的傳感器技術(shù)大體上可分為2類：一類是針對(duì)油液品質(zhì)的傳感器技術(shù)，另一類是針對(duì)油液中磨粒的傳感器技術(shù)[3]。

本文采用自制的四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，選擇合適的在線監(jiān)測(cè)傳感器，設(shè)計(jì)并搭建了潤(rùn)滑油性能參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以潤(rùn)滑油的在線粘度、介電常數(shù)作為潤(rùn)滑油理化性能的可測(cè)參數(shù)，以磨粒濃度作為磨損狀態(tài)的可測(cè)參數(shù)，研究了載荷對(duì)潤(rùn)滑油性能參數(shù)衰變規(guī)律的影響，為后續(xù)研究潤(rùn)滑油健康狀態(tài)模型提供了依據(jù)。

2 潤(rùn)滑油性能在線可測(cè)性分析

2.1 可測(cè)性分析

有文獻(xiàn)[5]表明，潤(rùn)滑油的衰變過程分為以下3個(gè)步驟：添加劑損耗、酸值增加、粘度上升，潤(rùn)滑油性能參數(shù)在線可測(cè)性分析如圖1所示。故本文所選擇的潤(rùn)滑油可測(cè)參量為：潤(rùn)滑油粘度、介電常數(shù)及磨粒濃度（IPCA）。

圖1 潤(rùn)滑油參數(shù)在線可測(cè)性分析

2.2 傳感器選型

在傳感器選型部分，需要選擇可以測(cè)量粘度、介電常數(shù)的傳感器及選擇合適的鐵磨粒傳感器。

2.2.1 油液特性傳感器

在潤(rùn)滑油性能監(jiān)測(cè)方面，選擇美國(guó)MEAS傳感器公司（精量電子）開發(fā)的FPS2800B12C4流體特性傳感器。該傳感器可直接且同時(shí)測(cè)量流體的粘度、密度、介電常數(shù)和溫度。該傳感器外形如圖2所示，長(zhǎng)度尺寸約80mm，最大直徑30mm，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 FPS2810B12C4流體特性傳感器實(shí)物圖

表1 FPS2810B12C4流體特性傳感器技術(shù)參數(shù)

2.2.2 鐵磨粒傳感器

本文中選擇了本課題組自行開發(fā)的OLVF在線磨粒傳感器來監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中的鐵磨粒，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該可視化在線鐵譜傳感器的工作原理是利用可控電磁鐵，將油液中的鐵磨粒沉積在流道內(nèi)，然后利用顯微攝像頭對(duì)沉積下來的磨粒鏈進(jìn)行拍照，再利用分析軟件對(duì)磨粒鏈照片進(jìn)行二值化、灰度分割等操作，提取磨粒的各種特征，從而求得磨粒的尺寸、類型及IPCA等。

圖3 OLVF可視化在線鐵譜傳感器[6]

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本研究以自制的回轉(zhuǎn)式摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)——四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)設(shè)備，如圖4所示。該設(shè)備的摩擦副由4個(gè)直徑均為12.7mm的鋼球組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

圖5 四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

3.2 試驗(yàn)方案[7]

在其他參數(shù)保持不變的前提下，改變載荷的大小，模擬潤(rùn)滑油在服役階段的衰變過程及摩擦副的磨損變化規(guī)律，即潤(rùn)滑油的粘度、介電常數(shù)、磨粒濃度在不同載荷下的變化規(guī)律。本模擬試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)分3組，其運(yùn)行工況如表2 所示，主軸轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間保持不變，僅改變加載載荷。

表 2 試驗(yàn)工況

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 潤(rùn)滑油性能的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

在3組試驗(yàn)中，在線油液傳感器及可視化在線鐵譜傳感器所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即在設(shè)備運(yùn)行過程中潤(rùn)滑油的粘度、介電常數(shù)及磨粒濃度（IPCA）呈穩(wěn)定的變化規(guī)律。以2#試驗(yàn)所測(cè)得的粘度、介電常數(shù)及磨粒IPCA值對(duì)應(yīng)于時(shí)間的變化曲線為例，如圖7所示。

圖7 潤(rùn)滑油動(dòng)態(tài)性能變化規(guī)律（2#試驗(yàn)）

試驗(yàn)過程中粘度值表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，介電常數(shù)值表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而IPCA值則表現(xiàn)出從高到低，從劇烈變化到平穩(wěn)的趨勢(shì)（對(duì)應(yīng)“浴盆曲線”的磨合期到正常磨損期兩個(gè)階段）。

4.2 數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)不同載荷下各參數(shù)的變化規(guī)律做對(duì)比分析，將分別分析可測(cè)量粘度、介電常數(shù)及IPCA值在不同載荷作用下的變化情況。為了便于分析，對(duì)所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT濾波處理。

4.2.1 載荷與潤(rùn)滑油粘度特性的關(guān)系

試驗(yàn)所測(cè)得的不同載荷下潤(rùn)滑油粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 不同載荷下粘度隨時(shí)間變化曲線對(duì)比

在不同載荷下，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各組的潤(rùn)滑油粘度值均成上升趨勢(shì)，但曲線斜率不同，載荷越大，對(duì)應(yīng)的粘度曲線上升斜率越大，50kg載荷下四球機(jī)運(yùn)行6h后其潤(rùn)滑油粘度僅上升了約3cP，變化幅度約為5.8%，而在150kg下，6小時(shí)候潤(rùn)滑油粘度上升了約29cP，變化幅度高達(dá)55.7%。

由于本試驗(yàn)測(cè)得的粘度變化率（粘度變化曲線斜率）與載荷有關(guān)，我們將各組試驗(yàn)粘度的斜率與載荷進(jìn)行匹配，以探究用粘度斜率來表征設(shè)備負(fù)載程度的可行性。表3為對(duì)這3條曲線進(jìn)行線性擬合后對(duì)其斜率、粘度變化率的統(tǒng)計(jì)。

表 3 不同載荷下粘度曲線線性擬合統(tǒng)計(jì)

4.2.2 載荷與潤(rùn)滑油介電常數(shù)特性的關(guān)系

試驗(yàn)所測(cè)得的不同載荷下潤(rùn)滑油介電常數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)比曲線如圖9所示。

在不同載荷下，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各組潤(rùn)滑油的介電常數(shù)在試驗(yàn)初期呈下降趨勢(shì)。在低載荷下，介電常數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)，而在較大載荷下，介電常數(shù)較為平穩(wěn)。

圖9 不同載荷下介電常數(shù)隨時(shí)間變化曲線對(duì)比

在潤(rùn)滑油衰變初期，生成的有機(jī)酸會(huì)與油中添加劑發(fā)生中和反應(yīng)，酸值不會(huì)立刻上升，而添加劑的損耗將導(dǎo)致潤(rùn)滑油中極性物質(zhì)的減少，故所測(cè)得的潤(rùn)滑油介電常數(shù)呈下降趨勢(shì)，而隨著潤(rùn)滑油的衰變，酸性增加，介電常數(shù)增大。

因此，介電常數(shù)可以間接反映潤(rùn)滑油的衰變程度。本試驗(yàn)由于在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，潤(rùn)滑油并未發(fā)生嚴(yán)重的衰變，故試驗(yàn)中的介電常數(shù)未呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。而圖7中50kg載荷作用下的介電常數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)可能是由于試驗(yàn)中混入粉塵或其他雜質(zhì)改變了潤(rùn)滑油的極性導(dǎo)致的。

4.2.3 載荷與磨損程度的關(guān)系

試驗(yàn)所測(cè)得的不同載荷下，經(jīng)過磨粒圖像處理后得到的磨粒濃度（IPCA）隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)比曲線如圖10所示。

圖10 不同載荷下磨粒IPCA值變化曲線對(duì)比

在不同載荷下，IPCA曲線在試驗(yàn)剛開始階段處于較高的水平，隨后下降，并保持平穩(wěn)變化。

由 “浴盆曲線”知，設(shè)備的磨損通常分為磨合期、正常磨損期、嚴(yán)重磨損期和故障期[8]。本試驗(yàn)中每一次試驗(yàn)均會(huì)更換新的摩擦副（鋼球摩擦副），故每次試驗(yàn)開始的時(shí)候均有一段明顯的磨合期；鋼球與鋼球之間一開始為點(diǎn)接觸（實(shí)為面積很小的面接觸），兩球接觸點(diǎn)的金屬被迅速磨掉，接觸面積隨即增大，使得潤(rùn)滑油能進(jìn)入到接觸面之間并形成油膜，減少磨損，此時(shí)即進(jìn)入到正常磨損期。圖11為本試驗(yàn)中所得到的典型磨合期與正常磨損期的鐵譜圖像。

圖11 試驗(yàn)中的典型鐵譜圖像

由圖10可知，載荷越大，磨合期所持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。因?yàn)檩d荷越大，為了減小接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)，所需要的接觸面積就越大，即磨合期需要磨掉更多的磨粒。而在正常磨損期，載荷越大，潤(rùn)滑效果差，產(chǎn)生的磨粒越多，故在IPCA平穩(wěn)變化階段，載荷越大，IPCA的平均值越大，即產(chǎn)生的磨粒越多。

5 載荷與潤(rùn)滑油狀態(tài)的關(guān)系表征方法

基于狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行潤(rùn)滑油狀態(tài)識(shí)別是本研究采用的健康分析思路。在已有試驗(yàn)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，本研究采用聚類分析方法，將粘度、介電常數(shù)及磨粒濃度的綜合特征劃分為不同衰變階段，從而綜合表征載荷與潤(rùn)滑油狀態(tài)之間的關(guān)系。

均值漂移（Mean-Shift）聚類算法，這個(gè)概念最早在1975年由Fukunaga等人提出[9]；在1995年，Yizong Cheng對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和推廣[10]。該聚類算法一般是指一個(gè)迭代的步驟，即先算出當(dāng)前點(diǎn)的偏移均值，移動(dòng)該點(diǎn)到其偏移均值，然后以此為新的起始點(diǎn)，繼續(xù)移動(dòng)，直到滿足一定的條件結(jié)束。運(yùn)用Mean-Shift聚類分析，將上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其結(jié)果如圖12所示。由圖中可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)被分為5類。其中，50kg載荷作用下，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)在分類中全部被歸為第1類，100kg載荷作用下，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布在第1類和第2類，150kg載荷作用下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)大部分分布在第3類-第5類下，少部分?jǐn)?shù)據(jù)分布在第1類和第2類。

由此可見，載荷越高，潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類別數(shù)越大，表明對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類與潤(rùn)滑油的氧化衰變程度有緊密的聯(lián)系?；贛ean-Shift算法的聚類分類方法可以有效地表征載荷與潤(rùn)滑油狀態(tài)之間的關(guān)系。

圖12 不同載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)聚類分析結(jié)果

由此可見，載荷越高，潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類別數(shù)越大，表明對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類與潤(rùn)滑油的氧化衰變程度有緊密的聯(lián)系?；贛ean-Shift算法的聚類分類方法可以有效地表征載荷與潤(rùn)滑油狀態(tài)之間的關(guān)系。

6 結(jié)論

（1）在線監(jiān)測(cè)手段可以實(shí)時(shí)地反應(yīng)潤(rùn)滑油性能參數(shù)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：粘度可以表征潤(rùn)滑油的氧化衰變程度，介電常數(shù)不僅可以體現(xiàn)潤(rùn)滑油的氧化衰變程度，還可以間接地反映添加劑的損耗程度，IPCA則可以反映設(shè)備當(dāng)前的磨損狀況。

（2）隨著載荷的增大，潤(rùn)滑油性能參數(shù)的變化率增加，即載荷的增大加快了潤(rùn)滑油的衰變劣化。

（3）Mean-Shift聚類分析方法能夠表征載荷與潤(rùn)滑油狀態(tài)之間的關(guān)系。

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（編輯：王立新）

Research on correlation between load and properties of lubricating oil

Du Ying, Wang Longxin, Shao Tao

( Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design & Rotor-Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China)

To study the correlation between the load and the properties of lubricating oil, a homemade four-ball test rig is proposed, as well as the on-line monitoring system of lubricating properties. The viscosity, permittivity and wear particle concentration of lubricating oil are selected as on-line measurable indicators. The correlation of load and the indicators of lubricating oil on working conditions are studied, along with that the state of the lubricating oil is classified into different classes. The results indicate that the degree of lubricant degradation has some correlation with the load. The performances of the lubricating oil drop with the load increases, therefore lead to the serious degree of lubricant oxidation and wear. This study provides the bases for future research on characterizing the health state of lubricating oil.

on-line monitoring; lubricating oil analysis; wear debris monitoring; cluster analysis

TH626.4

A

1672-4852（2015）03-0034-05

2015-08-17.

杜 映（1989-），女，博士研究生.