錢勇武，張萌萌，吳同浦

(1. 江蘇國信靖江發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 214500；2. 南京師范大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210046；3. 南京韋伯測(cè)控技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210037)

0 引言

潤滑油在軸承內(nèi)部能夠起到減少磨損、延長使用壽命的作用[1-2]?，F(xiàn)有油液監(jiān)測(cè)技術(shù)可以利用光、電、磁學(xué)等手段，監(jiān)測(cè)潤滑油的性能變化趨勢(shì)及其中裹挾的磨損微粒的狀態(tài)，獲得機(jī)器的潤滑和磨損信息[3]。該技術(shù)對(duì)于降低事故發(fā)生率、提高設(shè)備的可靠性具有重要意義[4]。

國外許多企業(yè)對(duì)油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，以提高設(shè)備故障診斷效率[5]。麻省理工大學(xué)的W W Seifert教授通過對(duì)機(jī)器潤滑油中磨損微粒的研究，提出了鐵譜技術(shù)的原理，繼而成功研制出了世界上的第一臺(tái)鐵譜儀[6]。加拿大人工智能產(chǎn)品公司對(duì)油液進(jìn)行光譜分析和理化分析，并設(shè)計(jì)500多種規(guī)則，用來評(píng)價(jià)柴油機(jī)的磨損狀態(tài)[7]。北美某公司生產(chǎn)的一款名為METAICAN的油液監(jiān)測(cè)傳感器，可以全流量監(jiān)測(cè)潤滑油中金屬顆粒的大小及總質(zhì)量[8]。相關(guān)研究使得油液的在線監(jiān)測(cè)分析技術(shù)日趨成熟。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)同樣進(jìn)行了大量的研究[9]。陳衛(wèi)民等[10]設(shè)計(jì)了基于變介電常數(shù)式電容傳感器的潤滑油品含水率變送器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)的潤滑油含水率進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。孟慶民[11]利用油液中懸浮狀態(tài)的顆粒對(duì)光線的吸收特性，設(shè)計(jì)了一種油液光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。呂曉軍等[12]研制出一種可用于不透光潤滑油的磨粒圖像可視在線監(jiān)測(cè)鐵譜儀，通過磨粒的情況在線反映機(jī)械磨損狀態(tài)。

為了提高齒輪箱潤滑系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)水平，本文設(shè)計(jì)了一套油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤滑油的多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，為設(shè)備的管理和維護(hù)提供保障。

1 油液監(jiān)測(cè)基本知識(shí)

通過監(jiān)測(cè)齒輪箱潤滑油連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，能夠?qū)X輪箱的早期磨損及故障進(jìn)行診斷和分析，預(yù)知維修需求及視情濾油或換油。一旦齒輪箱發(fā)生故障，維護(hù)人員能夠在第一時(shí)間獲得齒輪箱在故障發(fā)生前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)齒輪箱故障原因分析及診斷有重大意義[1, 13]。

油液監(jiān)測(cè)分析分為對(duì)油液自身物理和化學(xué)性能的監(jiān)測(cè)分析、油液攜帶固體顆粒的監(jiān)測(cè)分析以及油液污染度分析三方面，圖1所示為油液監(jiān)測(cè)分析技術(shù)手段及目的。

圖1 油液監(jiān)測(cè)分析技術(shù)手段及目的

結(jié)合對(duì)實(shí)際工況的設(shè)計(jì)要求，本文采用紅外分析、光譜分析以及激光光阻法，應(yīng)用于齒輪箱潤滑油的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)潤滑油黏度、溫度、密度、介電常數(shù)、水含量、水活性、顆粒度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并進(jìn)行對(duì)照分析。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由傳感器、傳感器與數(shù)采控制模塊間通信、數(shù)采控制模塊、數(shù)采控制模塊與上位機(jī)間通信、上位機(jī)5個(gè)部分組成。系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，數(shù)采控制模塊開始對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，完成A/D轉(zhuǎn)換；接著數(shù)采控制模塊通過數(shù)據(jù)處理等算法提取各參數(shù)的信息數(shù)據(jù)，分析得到的多種數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在內(nèi)置的存儲(chǔ)器中；當(dāng)上位機(jī)向數(shù)采控制模塊請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，利用通信程序?qū)⑺蓴?shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

為更好地實(shí)現(xiàn)潤滑油的監(jiān)控和管理，系統(tǒng)中通常會(huì)安裝監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括現(xiàn)場(chǎng)采集，控制執(zhí)行和遠(yuǎn)程操作3個(gè)模塊，利用通信網(wǎng)絡(luò)將3個(gè)層次串聯(lián)在一起，從而實(shí)現(xiàn)組態(tài)的概念。

圖3 集散控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳感器的選用

本文選用的傳感器主要包括顆粒度傳感器和油液品質(zhì)傳感器。

在線顆粒度傳感器選用某公司的YFJ-4傳感器，采用遮光法原理研制，可實(shí)時(shí)給出所測(cè)樣品的顆粒計(jì)數(shù)及污染度等級(jí)。如圖4所示，平行光束垂直射過截面積為A的樣品流通室，照射到光電接收器設(shè)備上，當(dāng)液流中沒有固體顆粒時(shí)，電路輸出的電壓即為E；當(dāng)液流中有一個(gè)投影面積為a的顆粒通過樣品流通室時(shí)，就會(huì)阻擋平行光束，使透射光產(chǎn)生衰減，此時(shí)在電路上輸出一個(gè)幅度為E0的負(fù)脈沖。

圖4 遮光法原理圖

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用YFVW-6油品特性傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)油品的監(jiān)測(cè)。此型號(hào)傳感器采用壓電諧振MEMS元件，通過內(nèi)部集成的高精度信號(hào)采樣與處理單元，可以實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)液體的水分、密度、黏度、介電常數(shù)、水分活度和溫度6項(xiàng)指標(biāo)。

綜合監(jiān)測(cè)方案與所選傳感器的設(shè)置，集成之后的傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容匯總?cè)绫? 所示。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容匯總表

2.3 通信部分的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)傳感器與數(shù)采控制模塊間的通信采用RS485/Modbus方式，兩者的通信模塊接口設(shè)置為RS485 串行通信接口，并工作在Modbus RTU通信模式下。串口默認(rèn)設(shè)置如表2所示，通信電纜電氣連接如圖5所示。

表2 串口默認(rèn)設(shè)置

圖5 通信電纜電氣連接

數(shù)采控制模塊通過有線或者無線的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，有線方式主要是RS485總線、以太網(wǎng)；無線通信方式則可采用Wi-Fi、4G、5G通信技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)無線通信為實(shí)現(xiàn)與地面各類終端以及它們之間的通信提供了便捷，包括手機(jī)、平板和PC等通信需求。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示，分兩種途徑對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其一是經(jīng)補(bǔ)償處理之后在用戶界面的實(shí)時(shí)顯示，可以選擇單參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)分析曲線圖和雙參數(shù)特性趨勢(shì)分析曲線圖；其二是將初始的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以供用戶查詢歷史數(shù)據(jù)或曲線。針對(duì)實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中用到多線程技術(shù)，可以解決緩沖區(qū)溢出的問題。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 軟件模塊及界面設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能模塊如圖7所示，主要分為基本信息設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、信息統(tǒng)計(jì)查詢、生成報(bào)表等4個(gè)模塊。

圖7 軟件功能模塊

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊是系統(tǒng)的核心，主要將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過補(bǔ)償?shù)人惴ㄌ幚砗笤谟脩艚缑骘@示，在一定程度上可以為齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估和故障診斷提供參考依據(jù)。

由于油品監(jiān)測(cè)還未形成一定的在線標(biāo)準(zhǔn)，油液信息查詢?cè)跇?biāo)準(zhǔn)成型之前可以使用設(shè)備潤滑研究院和油液檢測(cè)中心等機(jī)構(gòu)制定的經(jīng)驗(yàn)值來做替代，此參考值會(huì)不定期進(jìn)行更新，因此依舊可以起到一定作用。

生成數(shù)據(jù)報(bào)表模塊是根據(jù)所選的時(shí)間段，整理出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的格式打印出油品特性和顆粒度的數(shù)據(jù)表或是曲線，以便之后的統(tǒng)計(jì)和查詢。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用C#語言進(jìn)行軟件編程，軟件程序通過Visual Studio 2013開發(fā)環(huán)境編譯。以潤滑油型號(hào)為320#工業(yè)閉式齒輪油的1號(hào)齒輪箱為例，程序提供兩種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線模式，每種模式下也可以人性化地選擇想要查看的具體參數(shù)，每種趨勢(shì)曲線均以彈出窗體的形式來展現(xiàn)，歷史數(shù)據(jù)界面可以查看油液早期的狀態(tài)，為維護(hù)人員預(yù)估換油時(shí)間和診斷設(shè)備提供依據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要有3個(gè)功能：1)存儲(chǔ)油液的狀態(tài)及顆粒度參數(shù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；2)提供儲(chǔ)存容器；3)保存油液的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)值及故障報(bào)警記錄?；谶@3項(xiàng)基本功能而設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)庫表如圖8所示。

通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的功能需求分析和總體設(shè)計(jì)，可以把實(shí)體對(duì)象設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類型、用戶、監(jiān)測(cè)設(shè)備、油液、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)值和故障實(shí)例等多個(gè)實(shí)體。對(duì)實(shí)體E-R關(guān)系進(jìn)行設(shè)置并對(duì)實(shí)體信息進(jìn)行屬性分析將有利于數(shù)據(jù)表的構(gòu)建。

圖8 主要數(shù)據(jù)庫表

4 結(jié)語

1) 本文闡述了齒輪箱故障及常用的油液監(jiān)測(cè)內(nèi)容和分析方法，提出了適用于本系統(tǒng)的油液監(jiān)測(cè)方案。

2) 本文提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)合系統(tǒng)的功能需要和設(shè)計(jì)目的，選擇了相應(yīng)的傳感器、控制芯片和通信方式及協(xié)議。

3)本文設(shè)計(jì)了上位機(jī)數(shù)據(jù)軟件的功能模塊和顯示界面、上位機(jī)數(shù)據(jù)庫等，闡述了主程序處理流程和各模塊組成及作用。