便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

易 鳴,盛晨興,曾 卓,潘小飛

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

易 鳴1,盛晨興1,曾 卓2,潘小飛1

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

柴油機(jī)是船舶的心臟，其運(yùn)行是否正常直接關(guān)系到船舶的航行和船員的安全。潤(rùn)滑油的理化性能指標(biāo)和磨損磨粒的濃度可以有效的反映柴油機(jī)的工作狀況。對(duì)潤(rùn)滑油的黏度、水分等理化性能和磨損磨粒的信息進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，可以對(duì)柴油機(jī)中重要摩擦副的磨損狀況作出評(píng)價(jià)，能夠一定程度上避免事故的發(fā)生。通常，對(duì)潤(rùn)滑油的監(jiān)測(cè)是采取定期抽取油樣的方法，但是采用這種方法不僅不能準(zhǔn)確掌握設(shè)備運(yùn)行的磨損狀況，還會(huì)徒增人力物力的投入?；谏鲜銮闆r，文章介紹了一種便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

柴油機(jī)；潤(rùn)滑油；便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)油液監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求和離線檢測(cè)方法的不足，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)自身所具有的特點(diǎn)吸引了許多國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行研究。起初油液監(jiān)測(cè)只是對(duì)油液污染度進(jìn)行分析[1]，主要是分析潤(rùn)滑油的理化性能指標(biāo)如水分、黏度、閃點(diǎn)、酸值、機(jī)械雜質(zhì)等[2]。之后，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始對(duì)油液中磨粒進(jìn)行分析[3-4]，進(jìn)入21世紀(jì)，在線油液監(jiān)測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，特別是在線油液監(jiān)測(cè)技術(shù)已在船舶上的廣泛應(yīng)用，武漢理工大學(xué)的曹永開(kāi)發(fā)出一套基于多方法綜合的船舶動(dòng)力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)智能故障診斷系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實(shí)船運(yùn)行中[5]。在機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)中，動(dòng)力系統(tǒng)的在線油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是其不可或缺的組成部分，也是船用柴油機(jī)最為重要的監(jiān)測(cè)手段之一。但是由于船用柴油機(jī)發(fā)生故障的型式很多，而且一種故障的發(fā)生常常伴隨著多種原因，因此在油液監(jiān)測(cè)過(guò)程中依靠單一參數(shù)常常不能精確地檢測(cè)到故障發(fā)生的部位以及原因，同時(shí)離線油液監(jiān)測(cè)送檢周期長(zhǎng)，花費(fèi)成本較高，不能實(shí)時(shí)在線獲取潤(rùn)滑油理化狀態(tài)和攜帶磨粒信息。

為了實(shí)現(xiàn)油液監(jiān)測(cè)的便捷化、功能多樣化以及智能化，設(shè)計(jì)一套比較實(shí)用的便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)油液采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況檢測(cè)到故障發(fā)生的原因并排除故障。

1 傳感器介紹

1.1 圖像可視的鐵譜傳感器

系統(tǒng)通過(guò)電磁鐵將潤(rùn)滑油流道中的磨粒沉積在光學(xué)玻璃上，利用顯微攝像頭獲得沉積磨粒的靜態(tài)圖像，然后利用圖像處理技術(shù)獲取磨粒的濃度、顆粒度以及磨粒類(lèi)型等特征。計(jì)算機(jī)控制主油路旁路電磁閥開(kāi)啟；油液在回油壓力作用下進(jìn)入鐵譜傳感器的流道；計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232/485接口與單片機(jī)連接，控制電磁鐵供電電壓吸附鐵磁性磨粒。當(dāng)采集完成，計(jì)算機(jī)控制透射光源開(kāi)啟，圖像光信息經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭放大后投射到CMOS圖像傳感器， 并通過(guò)USB串行通信將圖像信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，并以24位的BMP格式存儲(chǔ)。

事物都有自己的表現(xiàn)形式和發(fā)生發(fā)展的軌跡，它的出現(xiàn)和發(fā)展都有一定的跡象可循，人們可以因此對(duì)事物進(jìn)行精準(zhǔn)的了解和判斷。對(duì)事物進(jìn)行了解和判斷的能力就是覺(jué)察力。所謂覺(jué)察力，就是洞悉徹悟事物的發(fā)展規(guī)律、方向的高度預(yù)見(jiàn)性的一種本領(lǐng)和能力，是能夠以小見(jiàn)大、以心見(jiàn)性、見(jiàn)微知著、敏捷獨(dú)到的一種超前的感悟能力。[1]具有較強(qiáng)覺(jué)察力的人，能運(yùn)用心理、思維的力量去了解事物，解開(kāi)事物之間的因果關(guān)系。父母對(duì)家庭教育問(wèn)題的覺(jué)察力，即父母發(fā)現(xiàn)家庭教育問(wèn)題的能力，包括對(duì)家庭教育的狀況、存在的問(wèn)題和產(chǎn)生原因等都能有所發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，并洞察影響家庭教育的諸因素之間的相關(guān)關(guān)系，明察家庭教育的成效。

1.2 其他傳感器介紹

選用L-HM46抗磨液壓油，分別由傳統(tǒng)黏度儀和本文所設(shè)計(jì)的便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量其黏度。便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的2組數(shù)據(jù)取均值與黏度儀所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄對(duì)比。記錄的數(shù)據(jù)如表1所示。

2 便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置的集成設(shè)計(jì)

臨床護(hù)理路徑(Clinical nursing pathway，CNP)是指醫(yī)院里一組成員共同針對(duì)某一病種的監(jiān)測(cè)、治療、康復(fù)和護(hù)理所制定的一個(gè)有嚴(yán)格工作程序、準(zhǔn)確時(shí)間要求的照顧計(jì)劃，以減少康復(fù)的延遲及資源的浪費(fèi)，使服務(wù)對(duì)象獲得最佳的醫(yī)療護(hù)理服務(wù)質(zhì)量［1］。它強(qiáng)調(diào)以服務(wù)對(duì)象為中心，以人為本的理念，使患者積極參與配合到整個(gè)醫(yī)療計(jì)劃中來(lái)，調(diào)動(dòng)患者的主動(dòng)性。我院泌尿外科采用臨床護(hù)理路徑方法在前列腺增生癥患者圍手術(shù)期中的應(yīng)用，取得了較好的效果?，F(xiàn)報(bào)道如下。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用離線取樣及主油路循環(huán)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及短時(shí)間連續(xù)性在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括取樣部分、信號(hào)采集控制部分和數(shù)據(jù)分析部分。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)集成的組成

2.2 集成裝置的整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)集成包括監(jiān)測(cè)動(dòng)力、油樣恒溫處理、傳感器集成協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)采集RAM(一種微處理器)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)的傳輸存儲(chǔ)及解析顯示。實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備磨損狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),得到其在運(yùn)行過(guò)程中的潤(rùn)滑摩擦的相關(guān)數(shù)據(jù)；整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程采用閉路循環(huán)，監(jiān)測(cè)過(guò)的油樣重新返回系統(tǒng)，對(duì)油品不進(jìn)行任何破壞性檢測(cè)；采用嵌入式RAM芯片組作為數(shù)據(jù)采集控制模塊的核心，完成采集、控制和傳輸?shù)裙δ?。?shù)據(jù)以圖片的形式對(duì)異常磨損進(jìn)行采集和分析，為摩擦故障分析提供更為直觀的判斷依據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸和管理部分主要是將下位機(jī)、單板機(jī)采集到的傳感器信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC，并將其存入上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)供分析使用，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器對(duì)油液的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)管理軟件部分，需要對(duì)當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷其是否超過(guò)了設(shè)備要求的使用指標(biāo)。主要通過(guò)2方面來(lái)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否超過(guò)設(shè)備所要求的指標(biāo)。一方面設(shè)定平均值閾值，另一方面設(shè)定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)峰值閾值。平均值閾值是判斷在多次測(cè)量過(guò)程中，數(shù)據(jù)變化的總體趨勢(shì)是否超過(guò)了被監(jiān)測(cè)的汽輪機(jī)油的運(yùn)行指標(biāo)要求；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)峰值閾值反映的是當(dāng)前測(cè)量出的數(shù)據(jù)的變化幅度是否超過(guò)被監(jiān)測(cè)的汽輪機(jī)油的運(yùn)行指標(biāo)要求，因?yàn)閷?shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)是一個(gè)波動(dòng)的過(guò)程，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)峰值閾值能夠保證波動(dòng)的峰值不超過(guò)運(yùn)行指標(biāo)的要求。另外，數(shù)據(jù)傳輸和管理部分還要對(duì)各個(gè)傳感器采集到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從歷史數(shù)據(jù)中分析出汽輪機(jī)油變化的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)汽輪機(jī)油的使用狀態(tài)和換油時(shí)間。

我國(guó)行政事業(yè)單位國(guó)有資產(chǎn)規(guī)模巨大，且以每年10%左右的速度增長(zhǎng)，如何更加科學(xué)合理地管理這些“家底”非常重要。發(fā)達(dá)國(guó)家將公共資產(chǎn)稱(chēng)為公共部門(mén)資產(chǎn)，由國(guó)家授予公共權(quán)力，并以社會(huì)的公共利益為組織目標(biāo)，以法制化管理來(lái)規(guī)范程序，以嚴(yán)格制度執(zhí)行來(lái)確保公共資產(chǎn)的安全。21世紀(jì)以來(lái)為提高公共資產(chǎn)管理質(zhì)量，國(guó)外開(kāi)始了一系列公共資產(chǎn)共享的研究，這對(duì)我國(guó)行政事業(yè)單位國(guó)有資產(chǎn)共享機(jī)制有著一定的借鑒意義。

在數(shù)據(jù)管理軟件部分，需要對(duì)當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷是否超過(guò)了設(shè)備的使用指標(biāo)，主要通過(guò)兩方面來(lái)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否超過(guò)了設(shè)備所要求的指標(biāo)。一方面設(shè)定平均閾值，另一方面設(shè)定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)峰值閾值。平均閾值是判斷在多次測(cè)量過(guò)程中，數(shù)據(jù)變化的總體趨勢(shì)是否超過(guò)了被監(jiān)測(cè)設(shè)備潤(rùn)滑油的運(yùn)行指標(biāo)要求；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)峰值閾值反映的是當(dāng)前測(cè)量出的數(shù)據(jù)變化幅度是否超過(guò)被監(jiān)測(cè)設(shè)備潤(rùn)滑油的運(yùn)行指標(biāo)要求，因?yàn)閷?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)是一個(gè)波動(dòng)的過(guò)程，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)峰值閾值可以保證波動(dòng)的峰值不超過(guò)運(yùn)行指標(biāo)的要求。另外，數(shù)據(jù)傳輸和管理部分還要對(duì)各個(gè)傳感器采集到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從歷史數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)設(shè)備油液變化的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)設(shè)備油液的使用狀態(tài)和換油時(shí)間。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)流程圖

取樣部分由潤(rùn)滑油主輸油管，輸油齒輪泵，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)油支管，緩沖油池，水分和溫度聯(lián)合傳感器，在線鐵磁傳感器，在線鐵譜傳感器和黏度、密度、介電常數(shù)、溫度四合一傳感器構(gòu)成。其中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的油液通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)油支管和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回油支管從潤(rùn)滑油主輸油管流入到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中并流回。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油被分為兩路，其中一路進(jìn)入到緩沖油池，另外一路直接與在線鐵磁和鐵譜傳感器相連。在緩沖油池中安裝有2個(gè)油液特性的傳感器，一個(gè)是水分和溫度聯(lián)合傳感器，另一個(gè)是黏度、密度、介電常數(shù)、溫度四合一傳感器。水分和溫度聯(lián)合傳感器用于測(cè)量潤(rùn)滑油液中含水量的大小，四合一傳感器用于測(cè)量潤(rùn)滑油的流體特性參數(shù)，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的黏度、密度和介電常數(shù)等。

信號(hào)采集控制部分由ADC數(shù)據(jù)采集卡、齒輪泵、聲光報(bào)警裝置、硬盤(pán)和下位機(jī)、單板機(jī)構(gòu)成。前述的各種傳感器中水分傳感器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，通過(guò)ADC數(shù)據(jù)采集卡采集到下位機(jī)、單板機(jī)，四合一傳感器通過(guò)CAN2.0接口采集到下位機(jī)、單板機(jī)，鐵磁傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串行接口輸入到下位機(jī)、單板機(jī)，當(dāng)鐵磁傳感器發(fā)現(xiàn)金屬顆粒數(shù)目異常時(shí)，RAM芯片組反饋給在線鐵譜傳感器供電，下位機(jī)、單板機(jī)通過(guò)RS232/485接口與單片機(jī)連接，控制電磁鐵供電電壓吸附鐵磁性磨粒。當(dāng)采集完成，下位機(jī)、單板機(jī)控制透射光源開(kāi)啟，圖像光信息經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭放大后投射到CMOS圖像傳感器，并通過(guò)USB串行通信將圖像信號(hào)送入下位機(jī)、單板機(jī)，并以24位的BMP格式存儲(chǔ)。下位機(jī)、單板機(jī)根據(jù)獲取傳感器信號(hào)的分析結(jié)果做出相應(yīng)的控制，主要是根據(jù)測(cè)量的需求調(diào)整和控制齒輪泵的流量，以及根據(jù)監(jiān)測(cè)的油液指標(biāo)是否超過(guò)設(shè)定的閾值來(lái)決定聲光報(bào)警裝置是否執(zhí)行報(bào)警動(dòng)作。

以高集成SOC處理器RAM Cortex-M4及DSP雙內(nèi)核STM32F407VCT6為主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)磨粒顯微圖像、電壓、電流信號(hào)的接收和采集，并通過(guò)TCP/IP無(wú)線協(xié)議將異構(gòu)信號(hào)同步傳輸至控制室數(shù)據(jù)中心。液晶顯示屏給出用戶(hù)界面信息，包括金屬顆粒污染量、黏度變化曲線、水分超標(biāo)報(bào)警、磨損量曲線，以及實(shí)時(shí)磨粒圖像。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可同時(shí)輸入DS證據(jù)模型，給出故障或者異常發(fā)生源，而磨粒圖像則存儲(chǔ)或者通過(guò)以太網(wǎng)輸送至專(zhuān)家診斷終端。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置中還包含LubCosH2O+Ⅱ在線水分傳感器、OPCom FerroS鐵磁傳感器和FPS2802ULC4型號(hào)的四合一傳感器，分別可以實(shí)現(xiàn)油液濕度和溫度的變化、磁性磨損顆粒濃度和油液的溫度、黏度、介電常數(shù)以及密度的測(cè)量。

表1 L-HM46抗磨液壓油黏度數(shù)據(jù)

將上述試驗(yàn)所記錄的平均黏度和溫度數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)擬合軟件進(jìn)行曲線擬合得出不同溫度下所測(cè)油品黏度的擬合曲線如圖2所示。

電源結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化?；痣娧b機(jī)占比由2015年約75%下降至2030年的66%，新能源裝機(jī)占比由2015年的3%大幅提高至10.5%。

圖2 不同溫度下所測(cè)油液黏度的擬合曲線圖

結(jié)果顯示：便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)黏度與黏度計(jì)實(shí)測(cè)黏度之間有一定的誤差，考慮到運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀測(cè)量油液黏度過(guò)程中，油樣的溫度會(huì)偏高或者偏低，導(dǎo)致黏度計(jì)實(shí)測(cè)的油液黏度會(huì)相比裝置所測(cè)的油液黏度偏小或偏大。綜合外界環(huán)境等各方面的因素，實(shí)驗(yàn)所記錄的裝置所測(cè)黏度與黏度計(jì)實(shí)測(cè)黏度之間的誤差在允許范圍之內(nèi)。

碼頭拆除前，施工船舶在碼頭附近開(kāi)挖拋錨較為困難，可采用拋設(shè)備用錨的方式：乘高潮時(shí)用錨艇將備用錨拋至碼頭后方，將錨上的鋼絲繩引至碼頭海側(cè)放置，并設(shè)置浮標(biāo)標(biāo)示，抓斗船拋錨時(shí)，將船上錨纜與已拋備用錨錨纜對(duì)接即可。在碼頭沉箱拆除一段后，錨艇可正常出入碼頭后方，此時(shí)可直接采用錨艇將錨拋至碼頭后方，不再需要拋設(shè)備用錨。

4 結(jié)束語(yǔ)

便攜式油液監(jiān)測(cè)裝置是一款檢測(cè)快速的小型化、輕量化油液檢測(cè)設(shè)備。設(shè)備是工程機(jī)箱型式，可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合查詢(xún)、數(shù)據(jù)USB傳輸、系統(tǒng)升級(jí)等；能以數(shù)字、圖表等方式彩顯NASISO污染度等級(jí)數(shù)，適合于現(xiàn)場(chǎng)油液檢測(cè)使用。裝置能夠及時(shí)獲得油液溫度、密度、黏度、水分、鐵磁含量和磨粒圖像信息，幫助工作人員正確分析油液污染情況，及時(shí)判斷機(jī)械零件的工作狀況。

[1] Prabhakaran Anand, Jagga C.R .Condition monitoring of steam turbine-generator through contamination analysis of used lubrication oil[J].Tribology International ,1999,32(3):145-152.

[2] 李柱國(guó). 機(jī)械潤(rùn)滑與診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 嚴(yán)宏志，張亦軍. 一種磨粒在線監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)及其特性分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2002(4)：333-338.

[4] 張小剛. 面向在線油液監(jiān)測(cè)的微量水分和磨粒傳感器研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2013.

[5] 曹永. 船舶柴油機(jī)綜合在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

Through viscosity of lubricating oil, water, some other physical & chemical properties and the wear of abrasive implementation of monitoring information, comment can be made on equipment wear, to a certain extent, to avoid accidents. Under normal circumstances, oil-sampling should be taken periodically for detecting abnormal wear, but the use of this approach can' t grasp the state of the wear in equipment operation accurately with investment of energy consumption, manpower and material resources increased.Based on this, the portable oil monitoring device introduced in its development and application.

diesel engine; lubricating oil; portable oil monitoring device

易鳴(1992-)，男，湖北荊門(mén)人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇坝鸵涸诰€監(jiān)測(cè)。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.009

2017-03-28