基于齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)的分析與研究

于大海 曹國棟 竇同豪 朱艷姝 王景 王玉潔

摘要：針對已有油液在線監(jiān)測產(chǎn)品（單一參數(shù)或集成多個(gè)單一參數(shù)的油液監(jiān)測）的缺陷與不足，提出了一種齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM（Prognostics and health management，故障預(yù)測與健康管理）系統(tǒng)，運(yùn)用了多參數(shù)多維度的監(jiān)測方法，初步采用通用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的可行性及可靠性。給出多參數(shù)多維度的綜合評判標(biāo)準(zhǔn)，降低誤報(bào)率，為機(jī)械動(dòng)力設(shè)備故障監(jiān)測與壽命預(yù)測提供理論支撐，為油液在線監(jiān)測技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣提供更可靠的方法。

Abstract： Existing on-line oil monitoring products can only monitor single parameter， but could integrate several sensors for multiple parameters measurement. Here we introduce a new oil online monitoring PHM （Prognostics and health management） system of gearbox based on multi-parameter and multiple dimensions of oil monitoring sensors. The system adopts empirical curve models， verifies the reliability， and improves accuracy of the models through later experiments and applications. A more accurate multi-parameter and multi-dimensional comprehensive evaluation curve model can be given to improve accuracy， to predict faults at much longer time， and to reduce false alarm rate. This PHM technology can provide theoretical support for fault monitoring and life prediction of mechanical power equipment， and provide a more reliable method for the research， application and promotion of oil on-line monitoring technology.

關(guān)鍵詞：齒輪箱;潤滑油;在線監(jiān)測;PHM

Key words： gearbox;oil;on-line monitoring;PHM

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0082-04

0 ?引言

隨著機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜和自動(dòng)化程度日益提升，使用者對設(shè)備安全和可靠性的要求越來越高，事后維修和定期維修在很多領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足維修保障要求。故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and health management，PHM）技術(shù)可以維護(hù)機(jī)械設(shè)備的安全性、可靠性，節(jié)約維修保障成本。從20世紀(jì)70年代，PHM（故障預(yù)測和健康管理）系統(tǒng)逐步在工程中應(yīng)用，其中A-7E飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)是早期PHM技術(shù)工程應(yīng)用的典型案例。采用PHM技術(shù)后飛機(jī)的故障不可復(fù)現(xiàn)率減少82%，維修人力減少20～40%，后勤規(guī)模減小50%，出動(dòng)架次率提高25%，飛機(jī)的使用與保障費(fèi)用比過去的機(jī)種減少了50%以上，而使用壽命達(dá)8000飛行小時(shí)[1]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充分證明了PHM系統(tǒng)在降低維修保障成本，提高武器裝備安全性、可用度與完好性，確保任務(wù)成功性，提升作戰(zhàn)效能方面的重要作用[2-3]。

隨著潤滑油和液壓油參與工作循環(huán)的次數(shù)增多，油液會因設(shè)備磨損產(chǎn)生的鐵磁顆粒的混入而污染。在設(shè)備磨損的中后期，鐵磁顆粒的生成速度很快，若不能及時(shí)獲知油液污染水平處于高位，并據(jù)此啟動(dòng)油液清洗工作或設(shè)備停機(jī)檢修的工作，則將存在因?yàn)闈櫥突蛞簤河驮谟拖鋬?nèi)靜置不充分或磁塞飽和而導(dǎo)致鐵磁顆粒隨油液再次進(jìn)入到設(shè)備的潤滑間隙或工作間隙的風(fēng)險(xiǎn)。而一旦鐵磁顆粒再次進(jìn)入到設(shè)備的潤滑間隙或工作間隙，則可能導(dǎo)致惡性的設(shè)備停機(jī)事故或設(shè)備提前失效事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

目前，通常在油箱上設(shè)置取樣口或在潤滑管路中設(shè)置取樣口，并定期在取樣口處對油液取樣。將獲得的油液樣本在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，從而得到油液中鐵磁顆粒的形狀和數(shù)量信息。這種油液品質(zhì)檢測方法不能及時(shí)反映油液污染情況，處理流程長，且涉及到設(shè)備管理部門和實(shí)驗(yàn)室部門間的協(xié)作，響應(yīng)慢，效果差[4]。調(diào)查表明對于已經(jīng)存在嚴(yán)重磨損問題的設(shè)備進(jìn)行離線油樣分析的結(jié)果為：50%沒有發(fā)現(xiàn)問題，45%顯示失效即將發(fā)生，僅5%檢測出現(xiàn)嚴(yán)重問題[5]。離線檢測消耗了大量的人力物力，也很難保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性，無法及時(shí)的診斷故障。

另一方面，除鐵磁顆粒含量之外，油液品質(zhì)參數(shù)還包括介電常數(shù)，水分含量，酸性氧化物質(zhì)總量，電導(dǎo)率和腐蝕性硫含量等理化指標(biāo)。相比于鐵磁顆粒，這些指標(biāo)的老化過程長，隨油液使用時(shí)間的變化較慢。通常是在實(shí)驗(yàn)室，按照石化行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對獲得的油液樣本針對不同檢測項(xiàng)目分別進(jìn)行測試，從而得到這些理化指標(biāo)。這種方式耗時(shí)長，且不同檢測項(xiàng)目的檢測周期難以一致，不同檢測項(xiàng)目獲得的數(shù)據(jù)難以進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋瑥亩y以獲得全局性的老化趨勢[4]。因而，一種切實(shí)可行的齒輪箱潤滑油在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)是十分必要的，既能給出齒輪箱、液壓設(shè)備或是電機(jī)故障分析，亦能給出油液或機(jī)械動(dòng)力設(shè)備的壽命預(yù)測。

1 ?已有的油液在線監(jiān)測傳感技術(shù)分析

1.1 磨損顆粒在線監(jiān)測傳感技術(shù)分析

美國MACOM Technologies公司開發(fā)的TechAlertTM10型（如圖1）、加拿大GasTops公司開發(fā)的MetalSCAN磨粒傳感器（如圖2）和英國KittiWake開發(fā)的FG型在線磨粒量傳感器（如圖3）。國內(nèi)有廣研檢測生產(chǎn)的齒輪箱油液在線檢測儀，監(jiān)測磨損顆粒、油液黏度，污染水分三個(gè)參數(shù)，北京航峰科偉裝備技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的在線油液污染度檢測儀（圖4）。

這類在線監(jiān)測傳感技術(shù)是安裝在設(shè)備潤滑系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)采集流經(jīng)摩擦副后的油液中所含磨損顆粒量信息并提供超限報(bào)警功能的在線監(jiān)測技術(shù)。原理采用的都是電感線圈法，其關(guān)鍵技術(shù)是正確區(qū)分潤滑油中進(jìn)入的一些非鐵磁性顆粒以及氣泡等。但以上幾種傳感器技術(shù)存在一定的缺陷，他們能監(jiān)測的最小鐵磁性顆粒也是40um以上，非鐵金屬顆粒最小也得是100um以上。機(jī)械動(dòng)力設(shè)備開始發(fā)生異常磨損的磨粒尺寸是10um，但不是說磨損顆粒在這個(gè)尺寸就一定出現(xiàn)磨損故障，需要一定累積的過程;同時(shí)，對機(jī)械設(shè)備磨損故障來講，小尺寸顆粒的監(jiān)測同樣重要，油液中的微米級小顆粒具有時(shí)間的發(fā)展趨勢特性，其大量的產(chǎn)生對油品氧化物、油泥、漆膜等會起到催化效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)非一般性磨損故障。如油路過濾網(wǎng)堵塞、液壓閥件卡阻等，而這些信息對磨損故障機(jī)制評價(jià)似乎并不具有價(jià)值，但它卻又引發(fā)摩擦學(xué)故障。

1.2 油液黏度在線監(jiān)測傳感器技術(shù)分析

美國精量MEAS公司的FPS2800系列油液在線監(jiān)測黏度傳感器（如圖5），利用石英音叉技術(shù)，通過檢測油液中石英音叉的機(jī)械諧振特性與油液物理參數(shù)的關(guān)系，通過專用解算算法，可同時(shí)測量油液的粘度、密度、介電常數(shù)和溫度參數(shù)四種品質(zhì)參數(shù)，能夠從多方面綜合評價(jià)油液的品質(zhì)。但粘度監(jiān)測范圍只有0.5-50cp。

但是單一粘滯度參數(shù)來評判油液的好壞，并不是在線監(jiān)測油液的一個(gè)可靠參數(shù)。油液氧化和齒輪箱磨損的參數(shù)變化，會導(dǎo)致粘滯度上升或者下降。綜合結(jié)果粘滯度經(jīng)常是不變。然而實(shí)際情況是粘滯度不變的時(shí)候，油液也許被氧化的很嚴(yán)重，齒輪箱磨損也很嚴(yán)重。所以單一從粘滯度參數(shù)來評判油液的品質(zhì)，并不科學(xué)。

1.3 油液多參數(shù)在線監(jiān)測傳感器技術(shù)分析

美國精量MEAS公司的FPS2800系列油液在線監(jiān)測傳感器（如圖5），可同時(shí)測量油液的粘度、密度、介電常數(shù)和溫度四種油液品質(zhì)參數(shù)，能夠從多方面綜合評價(jià)油液的品質(zhì)，但對更能準(zhǔn)確反映油液品質(zhì)的鐵磁顆粒含量、水分含量、酸堿度等關(guān)鍵指標(biāo)，并未涉及。

英國KittiWake開發(fā)的集成在線傳感器（如圖6），集成了鐵屑含量傳感器、水分含量傳感器和顆粒含量傳感器，可監(jiān)測油液品質(zhì)的鐵屑含量、水分、和金屬顆粒含量等三個(gè)參數(shù)。防護(hù)等級IP65，最大工作壓力10Bar，最大黏度350cst@40℃。模擬信號輸出4-20mA。該產(chǎn)品集成了文中1.1介紹的磨損顆粒在線傳感器技術(shù)，同樣存在不能監(jiān)測小的磨損顆粒的問題。另外模擬量輸出給后臺采集及數(shù)據(jù)分析帶來很大的干擾。

2 ?關(guān)于齒輪箱潤滑油在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)分析與研究

針對以上現(xiàn)有油液在線監(jiān)測傳感器技術(shù)，并不能完全滿足齒輪箱油液狀態(tài)監(jiān)測與診斷的實(shí)際需要，針對不同時(shí)速齒輪箱、不同潤滑油的油液多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)（如圖7）被研發(fā)出來。

2.1 齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)基本原理及構(gòu)成

2.1.1 監(jiān)測參數(shù)

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測4個(gè)參數(shù)：鐵磁顆粒、介電常數(shù)、導(dǎo)電率和溫度。

2.1.2 基本構(gòu)成

該系統(tǒng)是獨(dú)立研發(fā)的1款全新的兼具現(xiàn)有磁栓功能，具有感知能力的新磁栓。該磁栓通過頭部感知功能，監(jiān)測運(yùn)行中齒輪箱潤滑油參數(shù)數(shù)據(jù)的變化趨勢和數(shù)據(jù)突變，實(shí)現(xiàn)對齒輪箱磨損狀況、潤滑油品質(zhì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

2.1.3 基本原理

采用LCR設(shè)計(jì)原理，詳細(xì)原理圖如圖8。

2.2 齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)監(jiān)測方法

反映油液品質(zhì)的參數(shù)包括粘滯度，潤滑度、總酸度、總堿數(shù)量、水分含量、金屬顆粒含量、碳顆粒含量、介電常數(shù)、交流阻抗等等。通常的國內(nèi)和美國油品質(zhì)的判定都是以每一個(gè)參數(shù)是否達(dá)到臨界點(diǎn)為判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果有一個(gè)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)，油品質(zhì)量就很差，需要更換該油品。但是事實(shí)上，通過大量的、幾十年的、幾十萬臺的長期觀察，人們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在沒有任何一個(gè)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，油品也已經(jīng)失去相應(yīng)功能，需要進(jìn)行更換。即油品的質(zhì)量并不能從多參數(shù)的每個(gè)參數(shù)的獨(dú)立一維臨界點(diǎn)作為判斷油品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

研發(fā)的齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)借鑒發(fā)明專利（一種多參數(shù)的多維度油品質(zhì)量監(jiān)測方法及系統(tǒng)201410350414.7）采用多參數(shù)多維度的監(jiān)測方法，評判標(biāo)準(zhǔn)也是綜合參數(shù)來評判，打破傳統(tǒng)單一的每個(gè)參數(shù)的閾值來評判。系統(tǒng)從設(shè)備早期開始就進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不受顆粒大小的限制，含有經(jīng)驗(yàn)綜合評判曲線（適用通用場合），再根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境、監(jiān)測不同的油品，進(jìn)行跑合，重新校準(zhǔn)綜合評判曲線，使其更好的獲得同種應(yīng)用環(huán)境，同一油品品質(zhì)監(jiān)測綜合評判曲線及壽命預(yù)測。

2.3 齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)模擬測試與分析

齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)監(jiān)測鐵磁顆粒、介電常數(shù)、導(dǎo)電率和溫度等4個(gè)參數(shù)，此處給出鐵磁顆粒、介電常數(shù)2個(gè)參數(shù)的模擬測試與分析，模擬裝置如圖9。

鐵磁顆粒模擬測試：準(zhǔn)備3種濃度的油樣（編號KRG75W-80潤滑油進(jìn)行配樣），即鐵磁顆粒濃度0PPM油樣100mL、鐵磁顆粒濃度2000PPM油樣100ml、鐵磁顆粒濃度10000PPM油樣100ml。共進(jìn)行6次添加油樣，添加順序見表1，6次添加油樣實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果如圖10。

6次添加油樣，每次傳感器穩(wěn)定值，與理論添加鐵粉含量比較，如表2。

分析實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵粉含量與理論添加鐵粉含量這兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性為0.999644，相關(guān)度較好。

介電常數(shù)模擬測試：準(zhǔn)備3種不同種類的油，分別是編號KRG75W-80潤滑油新油、食用調(diào)和油、蓖麻子油。每種油取3ml分別加在傳感器表面，實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果如圖11。

油液的氧化和齒輪箱的磨損都會導(dǎo)致油液介電常數(shù)增加，不同的氧化程度或者磨損情況會使介電常數(shù)上升的速率不同，所以監(jiān)測介電常數(shù)的實(shí)時(shí)變化，也是在線監(jiān)測油品質(zhì)量或機(jī)械動(dòng)力設(shè)備磨損的重要指標(biāo)。

以上給出齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)中4個(gè)參數(shù)的2個(gè)參數(shù)的模擬驗(yàn)證，根據(jù)以上模擬測試結(jié)果分析，該系統(tǒng)的監(jiān)測方法及監(jiān)測手段是可行的，靈敏度及精度也較高。

2.4 齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)臺架試驗(yàn)情況數(shù)據(jù)分析

圖12中所示1#、2#、3#、4#為四個(gè)進(jìn)行了臺架跑合實(shí)驗(yàn)后的傳感器柱面及頭部鐵磁性顆粒的狀態(tài)分布。

各傳感器在齒輪箱上試驗(yàn)階段的部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，如圖13。（橫坐標(biāo)：齒輪箱實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)間，左縱坐標(biāo)：數(shù)值，右縱坐標(biāo)：溫度）

臺架試驗(yàn)跑合數(shù)據(jù)曲線，與模擬數(shù)據(jù)趨勢吻合，證明了該系統(tǒng)的監(jiān)測方法及監(jiān)測手段是可行的，在線監(jiān)測可及時(shí)準(zhǔn)確的掌握齒輪箱中油液的實(shí)時(shí)狀態(tài)，給設(shè)計(jì)及維護(hù)人員提供更便捷的數(shù)據(jù)支撐。

3 ?結(jié)論

齒輪箱潤滑油多參數(shù)在線監(jiān)測PHM系統(tǒng)及采用的多參數(shù)多維度的油品質(zhì)量監(jiān)測方法是一種新型的在線油液監(jiān)測手段，根據(jù)多參數(shù)變化的趨勢來進(jìn)行綜合評判，經(jīng)過不同應(yīng)用場合及不同種類油品的驗(yàn)證校準(zhǔn)，可以給出更精準(zhǔn)的多參數(shù)多維度的綜合評判曲線模型，降低誤報(bào)率。這一打破傳統(tǒng)油液在線監(jiān)測方法的PHM技術(shù)，亦可應(yīng)用在其他機(jī)械動(dòng)力設(shè)備上，為機(jī)械動(dòng)力設(shè)備故障監(jiān)測與壽命預(yù)測提供理論支撐，為油液在線監(jiān)測技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣提供更可靠的方法。

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