（机械工程专业论文）基于灰色理论的在线油液监测技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 在机械设备的故障中，润滑不良是导致磨损失效的主要原因。随着设备现代 化程度的提高，对设备的可靠性、耐久性提出了更高的要求，油液监测技术经过 多年的发展，已成为设备磨损检测、故障诊断与预测的重要手段，广泛应用于矿 山、港口、航空、军事等领域。传统的油液分析通常采用离线方式，周期长、成 本高，本文利用润滑油劣化、污染过程中介电常数会发生相应变化的原理，通过 设计电容传感器在线监测油液介电常数的变化以得到油液污染或劣化信息。由于 机械润滑系统影响因素众多，油液污染、劣化过程复杂，是一个典型的灰色系统。 本文基于灰色系统理论建立了油液监测数据的灰色模型，重点分析探讨了用于预 测的非等间距g m ( 1 ，1 ) 模型，并利用模型对在线油液监测数据的发展趋势进行预测 研究。主要内容包括： 1 、在阐述基于电介质介电常数油液监测原理基础上，设计了两种介电常数敏 感电容传感器，并对它们的特点进行了分析，结合设计制造的电容传感器，构建 了在线油液监测实验系统。 2 、在实验系统上，对所设计的电容传感器进行了温度、压力特性试验研究， 得出了温度、压力对油液介电常数的影响规律；利用连接有不同电容传感器的油 液监测实验系统，分别对不同铁粉含量的油液进行监测试验，试验表明所设计的 在线油液监测系统能有效区分不同铁粉含量的润滑油液。 3 、重点研究了灰色系统理论和用于预测的g m ( 1 ，1 ) 模型的原理、方法，对试 验数据建立了灰色理论g m ( 1 ，1 ) 模型，对试验结果进行了重现和预测，验证了模型 的正确性。 4 、针对非等间距g m ( 1 ，1 ) 模型，进行了优化和改进，提出了非等间距g m ( 1 ，1 ) 残差修正模型，检验计算表明改进模型的精度得到了较大的提高。 经过试验验证与数据分析，介电常数的变化与润滑油污染物成分、机械设备 的磨损故障有很好的相关性，其增大的趋势与润滑油劣化的趋势、发生磨损故障 的趋势一致。非等间距g m ( 1 ，1 ) 模型可对监测数据进行预测，精度比较理想，灰色 理论在基于介电常数测量的油液监测中有良好的应用前景。 主题词：油液监测介电常数灰色理论趋势预测 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nm e c h a n i c a lf a u l t s ，p o o rl n b r i c a t i o ni so n eo ft h em a i nr e a s o n sl e a d i n gt ow e a r a n df a i l u r e w i t ht h ei n c r e a s eo fr e l i a b i l i t yr e q u i r e m lo i lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a s b e c o m ea l li m p o r t a n tw a yo f w e a rd e t e c t i o n , f a u l td i a g n o s i sa n dp r o g n o s i s ，w h i c hh a s b e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sm i n e s ，h a r b o r s ，a v i a t i o na n dm i l i t a r y n e t r a d i t i o n a lo i la n a l y s i su s u a l l yt a k e so f f - l i n em o d e ，w h i c ht a k e sl o n ga n a l y t i c a lp e r i o d s a n dh i g l lc o s t i nt h i sp a p e r , t h ec a p a c i t i v es e n s o ri sd e s i g n e dt oo b t a i nt h eo n l i n e i n f o r m a t i o no fo i ld e g r a d a t i o na n dc o n t a m i n a t i o n , s i n c et h ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e so f d i e l e c t r i cc o n s t a n tw i l lo c c u rw h e no i li sd e t e r i o r a t e do rc o n t a m i n a t e dg r a d u a l l y n e m e c h a n i c a ll u b r i c a t i o ns y s t e mi sat y p i c a lg r e ys y s t e mb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h e o i lp o l l u t i o na n dd e g r a d a t i o n t h eg r e ym o d e lo fo i lm o n i t o r i n gd a t ab a s e do ng r e y s y s t e mt h e o r yi se s t a b l i s h e d mn o n - e q u i d i s t a n c eg m ( 1 ，1 ) m o d e li ss t u d i e da n du s e d t of o r e c a s tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fo n - l i n eo i lm o n i t o r i n gd a t a 1 f l l em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fo i lm o n i t o r i n gb a s e do nd i e l e c t r i cc o n s t a n t , t w o k i n d so fc a p a c i t i v es e n s i t i v es e n s o r sa r ed e s i g n e d ，a n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa l ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo n - l i n eo i lm o n i t o r i n gi sb u i l tu pt ot e s tt h e d e s i g n e dc a p a c i t i v es e n s o r s 2 1 1 1 et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es f f l l $ o r sa r es t u d i e du s i n gt h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dt h el a wo ft h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei n f l u e n c eo nt h e d i e l e c t r i cc o n s t a n ti ss u m m a r i z e d 1 1 l ed e t e c t i o ne x p e r i m e n t so no i ls a m p l e sc o n t a i n i n g d i f f e r e n ti r o nc o n t e n ta r ea l s oc a r d e do u t 1 1 1 er e s u l t ss h o wm a tt h ed e s i g n e dc a p a c i t i v e s c i i s o r sc a ne f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s ht h e m 3 e m p h a s i si sf o c u s e do ns t u d y i n gt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so fg r e ys y s t e m t h e o r ya n dg m ( 1 ，1 ) p r e d i c t i o nm o d e l a sar e s u l t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai sm o d e l e db y g r e yt h e o r yt or e c u ra n df o r e c a s tt h er e s u l t s ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l i sv e r i f i e d 4 a i m i n ga tn o n - e q u i d i s t a n c eg m ( 1 ，1 ) m o d e l ，t h en o n - e q u i d i s t a n c eg m ( 1 ，1 ) r e s i d u a le r r o rc o r r e c t i o nm o d e l i so p t i m i z e da n di m p r o v e d ，t h ev e r i f i c a t i o nc a l c u l a t i o n s h o w st h a tt h em o d e la c c u r a c yh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d b a s e do nt e s tv e r i f i c a t i o na n dd a t aa n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h ec h a n g eo fd i e l e c t r i c c o n s t a n th a sg o o dc o r r e l a t i o nw i t ho i lp o l l u t i o nf r o mc o m p o n e n t sa n de q u i p m e n tw e a t , a n dt h et r e n do fd i e l e c t r i cc o n s t a n t si n c r e a s ei si na c c o r dw i t l lt h eo i ld e g r a d a t i o n p r o c e s s n o n - e q u i d i s t a n c eg m ( 1 ，1 ) m o d e lc a nb eu s e dt op r e d i c t 恤m o n i t o r i n gd a t a w i t hs a t i s f i e da c c u r a c y 删c hr e v e a l st h a tt h eg r e yt h e o r yh a sg o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si no i lm o n i t o r i n gb a s e do nd i e l e c t r i cc o n s t a n tm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：o i lm o n i t o r i n g ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t ，g r e yt h e o r y 。t r e n d p r e d i c t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表 目录 表1 1 各项理化指标引起油液变质所占百分比6 表3 1 精度检验等级参照表。3 9 表4 1 不同里程油样铁含量分析4 2 表4 2 不同铁粉含量润滑油电容值o ：。4 3 表4 3 相除法非等距g m ( 1 ，1 ) 模型预测值及误差4 3 表4 4 变换法非等距g m ( 1 ，1 ) 模型预测值及误差4 4 表4 5 修正后的相除法非等距g m ( 1 ，1 ) 模型预测值及误差。4 6 表4 6 新信息模型预测值及误差4 7 表4 7 等维新息模型预测值及误差4 8 表4 8 不同模型及其修正模型精度对比4 8 第m 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图2 1 平板电容器1 2 图2 2 圆筒式电容传感器结构示意图。1 4 图2 3 圆筒式电容传感器结构设计图1 5 图2 4 圆筒式电容传感器l6 图2 5 玻璃管型电容传感器结构示意图1 7 图2 6 玻璃管型电容传感器结构设计图1 7 图2 7 玻璃管型电容传感器。l8 图2 8 微小电容变化量检测方案框图。1 8 图2 9 油液监测器实物。1 9 图2 1 0a d 7 7 4 7 功能模块图1 9 图2 1 1 芯片读写时序图2 0 图2 1 2 芯片读写操作图2 0 图2 1 3 系统信息流向图2 1 图2 1 4 油液监测软件系统功能结构框图2 2 图2 1 5 应用程序流程图2 3 图2 1 6 油液监测系统主界面2 4 图2 1 7 油液监测实验系统原理图2 5 图2 1 8 接入电容传感器的储油箱外观2 6 图3 1g m ( 1 ，1 ) 方框图。3 5 图4 1 不同铁粉含量油液电容值对比4 1 图4 2 温度变化对电容值的影响4 1 图4 3 压力变化对电容值的影响4 2 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究概述 1 1 1 课题来源 本课题研究工作来源于部委级项目：“x x 综合诊断技术研究。 1 1 2 课题研究背景及意义 随着科学技术的不断发展和进步，机械设备的性能越来越好，功能越来越多， 结构越来越复杂，机械设备更加体现了机械、电子电气、液压传动、光学、气压 传动等多学科技术的集成，设备也向着高速度、高功率、高可靠性、大型化、微 型化、可测试性、不可接近性或不需接近性的趋势发展【l 】。因此跟踪监测、预测评 估重大关键设备的运行状态和安全性成为一项重要与迫切的研究。 船舶柴油机是船舶的心脏，是船舶动力的主要来源，在船舶设备系统中占有 重要的地位，是船舶安全航行的保证。随着对船舶安全性和经济性要求的日益提 高，加强对柴油机的工作观察和故障诊断显得十分重要。据日本船级社不完全统 计，目前船舶柴油机的故障率大约是每小耐发生0 4 x 1 03 次；另据国外某保险公司 在对海难事故的统计，在众多的海难事故中，机械事故位居首位占2 2 ，船舶主 机( 柴油机) 又占机械故障的4 5 。往复机械一旦出现故障，将产生重大的经济 损失和人员伤亡。例如，某远洋船舶的主机( 柴油机) 发生曲轴断裂，造成船舶 在航行中失去动力，导致船舶沉没，事故造成的直接经济损失超过了亿元。为了 减少船舶运行风险，船舶保险费用是仅次于船员工资费用，是船东的第二大费用 支出【2 捌，因此开展船舶柴油机工作状态监测与诊断技术研究，可以及时发现柴油 机的故障征兆，为柴油机维修与保养提供可靠的技术参数，正确指导设备维修决 策，减少或避免恶性事故的发生，保障其正常有效工作，对提高柴油机的效能有 着十分重要的意义。 机器状态监测技术的产生和应用都离不开人们对磨损的认识，大多数机械产 品性能的衰退与摩擦学过程导致结构变化有着密切关系。零部件的磨损是最常见、 最主要的失效形式，有8 0 的机械设备其失效是由磨损引起，而因磨损消耗的能 源占总能源的1 3 1 2 。柴油机3 8 5 的齿轮失效和3 5 的运行故障都是由于磨损 引起的，4 0 的轴承失效是由于润滑不良引起。为了减少机械设备中因摩擦副相对 运动引起的摩擦能量消耗和磨损材料消耗，通常是向运动表面之间加入润滑剂。 据统计，通过改善润滑状况，可使柴油机内部摩擦损失减小3 0 ，约相当于发动 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 机总功率的6 7 。润滑油是机器设备的“血液”，它在机器设备中起着密封、 润滑、减磨、冷却、清洗、减震和防腐等重要作用。但它本身也“藏污纳垢”， 携带着各种机械加工产物和污染物【4 】。这些污染物主要来源于三个方面，即系统内 原有的污染物潜在污染；系统运转产生的污染物再生污染；外界侵入的 污染物侵入污染。污染物主要是固体颗粒，如金属磨粒与砂粒，其他的污染 物还有微量水、气体、化学物质及微生物。其中，固体颗粒污染物的危害最大， 它在系统中加剧摩擦副磨损、堵塞油路、卡滞活门、腐蚀金属零件、加速油液衰 变，出现油压不稳定与停滞、元件突然损坏与失灵、性能下降等故障，最终导致 油液系统失效。为了改善润滑，保持机械良好的运行状况，目前通常的做法是根 据推荐的里程数或工作时数更换润滑油或保养滤清器。不过，设备润滑油的劣化 是一个缓慢的过程，在常规情况下，并没有根据机器实际状态变化来更换新油， 经常造成浪费或劣质油延期使用而引发故障【5 】。因此实施在用润滑油的污染度分 析，即对含有摩擦磨损微粒的润滑油性能进行监测和分析，对实现主动维修、进 行状态监测及故障诊断有着十分重要的意义。 油液监测( o i lm o m t o f i n g ) 技术利用光、电、磁等手段，分析润滑油液的理 化指标、检测所携带的磨损和污染物颗粒，评定其污染程度，从而获得机器的润 滑和磨粒状态的信息，定性和定量地描述设备的磨损状态，找出诱发因素，评价 机械的工况和预测其故障，并确定故障部位、原因和类型。通过对油液中颗粒污 染物的监测，可以确定合理的换油周期，并且能及时预报潜在的故障从而避免灾 难性损坏，或者使处于正常运转的设备减少不必要的维修，减少停机时间从而大 大节约维修费用( 2 5 5 0 ) 6 1 。油液监测技术，不论是润滑剂分析还是磨损颗 粒分析，在具有润滑系统的设备状态监测和故障诊断中得到了广泛的应用。 而在现代船舶设备的维修与检测中，日益成熟油液监测技术已成为一种重要 而有效的手段，一直发挥着重要的作用，因为船舶咀润滑油介质的状态与船舶机 械的工况密切相关。油液监测这门新型的综合性工程技术，经过近六十年单项技 术的研究、开发以及生产应用过程，已经逐步确立其在大型机械设备状态监测和 故障诊断中的地位和作用。国际机械故障预防组织早在2 0 世纪七十年代就将其归 属于机械设备三大监测技术领域( 振动监测、参数监测、油液监测) 之一。由于 润滑油液分析主要关注的是发动机最初故障的信号，这样就可以在大范围机械损 伤之前进行设备检修和保养，所以积极开展油液监测技术的研究和应用工作，能 有力地推动船舶维修制度的进展，由传统的维修转变成基于状态监测与故障诊断 的视情检验和有计划的维修保养川。大量实践证明，油液监测技术能降低事故发生 率、减少维修工时、延长设备及在用油液的寿命，是实现状态监控维修、促进现 代维修理论以可靠性为中心的维修( r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c e ，简称 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 r c m ) 的推广和应用、提高设备全寿命效益的一项重要技术。 油液监测技术为科学理论研究提供了一个新的手段，在世界范围内得到了高 度重视与普遍应用，也为我国国民经济建设以及国防军事建设创造了不可估量的 社会和经济效益。采用油液监测技术，进行油液性能、磨粒、污染度的监测，控 制油液污染和调整添加剂的含量，能够有效延长设备的寿命和无故障周期，使机 械发挥最大效能，获得最大经济效益。m o b i l 石油公司通过实施油液监测技术，公 司车队发动机寿命延长2 5 ，认真实施油液监测，还可以科学地确定最佳换油期， 减少润滑油的消耗，如美国海军武器局使用的柴油机换油时间由原来的5 0 0 小时 延长到3 0 0 0 小时，美陆军将“定期换油 改为“按质换油 ，平均每年节约油费 达4 5 0 0 万美元。我国油液监测技术经过2 0 多年的发展和应用，在航空装备即获 得经济效益2 0 多亿元；在海军舰艇装备中，通过油液监测，曾准确判断柴油机主 轴瓦、活塞销座、舰艇离合器轴承异常磨损等重大故障，避免了多起恶性事故， 挽回了过度维修造成的经济损失，节约了数百万经费，获得了明显的经济与军事 效益【耵。 1 1 3 油液监测技术发展及应用现状 目前，世界各发达国家都已将油液监测当作各种大型机械设备维修和日常保 障的必需步骤。美军的军、民用飞机，如波音各型民用飞机、f 1 1 7 军用飞机、阿 帕奇直升机、海军的尼米兹级航母，法国的空中客车、海豚直升机，加拿大空军 c h l 2 4 直升机，俄军的苏2 7 和苏3 0 飞机等各国大型现代装备的维修规程中都有 油液监测要求。相应的，各国建立了大量的油液监测实验室，颁布了一系列油液 监测技术规范，研制和开发了光谱仪、x 荧光能谱仪等许多先进油液监测设备， 并实施了j o a p 一一j o 缸o i la n a l y s i sp r o g r a m 、s o a p s p e c t r o g r a p h i co i l a n a l y s i sp r o g r a m 等一些专门的联合油液分析计划【9 1 。 美国三军自2 0 世纪6 0 年代开始采用油液分析技术监控装备的动力系统，在 美国国防部领导下成立的三军联合油液分析机构j o a p ，制定了各种装备的磨损控 制指标，开发了多种油液监控仪器。在越南战争中，美空军应用油液监测技术估 计挽救了1 9 4 架飞机和1 7 5 2 台发动机，价值约2 8 亿美元；美海军太平洋舰队的 鱼雷艇，通过油液监测，使p a e k a r d l d 发动机的主轴瓦损坏造成曲轴失效的故障由 2 7 起降到9 起，提高了鱼雷艇的可靠性；目前，j o a p 已在全球1 8 个国家建立了 3 0 0 多个油液分析实验室，对飞机、舰艇、坦克、战车、雷达等装备实施了在用油 液的实验室磨粒分析、油品性能分析、污染度分析，并将它们纳入了装备的维修 与日常保障条例【8 】。 随着美军机动性的不断提高，实验室笨重、费时、成本过高的分析系统已不 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 适应快速、灵活、可持续、不依赖后勤支援的新战争条件和新作战思想，油液监 测技术由实验室的油液监测系统逐渐转向“随行式 油液监测系统。所谓随行丸 油液检测系统是将测量传感器装入装备的油路系统中，作为装备的组成部分随装 备运行，进行动态油液检测或者在装备之外使用微型的、智能化的、集成的检测 仪，进行现场在线或离线式的油液检测。为提高性价比和适应战争的需要，美军 组织研制了一批多参数、小型随行式油液分析系统( 如a u t o l a b ) ，在2 0 0 2 年陆 续装备战舰、飞机、坦克和战车，使油液监测技术有了新的发展。 油液监测技术在民用方面也有极大的发展。英国的铁路部门已将油液光谱分 析用于高速动力机车，每年用于防止事故的费用可节约1 5 0 万英磅以上，每年延 长机车检修周期节约的维修费用约2 0 0 万英磅；加拿大太平洋铁路公司维修部曾 估计，由于应用油液监测技术，每年节省发动机滑油费用1 5 0 0 万美元，节省发动 机零部件费用1 2 5 万美元。 国内应用油液监测技术己经广泛应用于船舶、铁路、航空、发电及矿山等各 个领域，如海军北海舰队监测中心、铁道部南京东机务段、空军油料研究所、广 州机床研究所等【l o 】。目前，中国船级社已正式实施“螺旋桨轴及其轴承的状态监 控系统( 简称s c m ) ，认证了远东润滑油液检测中心和大连海事大学油液检测 中心，标志着油液监测在船舶领域的应用已进入新的阶段。作为中国国际航空公 司主要维修基地的北京飞机维修工程有限公司( a m o c o ) ，专门建有沽液监测实验 室，对各类大型飞机发动机实施油液监控，对提高飞机发动机的可靠性，确保飞 行安全起到了其他手段不可替代的重要作用。空军在建国5 0 周年的阅兵保障中， 成功预报了发动机故障1 0 起，保障了飞行安全和阅兵任务的顺利完成【8 】。 目前，传统的油液监测技术主要是采取离线取样的分析方法，即按事先规定 的方式及取样间隔进行油液采集，然后将采集的油样送至专门的检测部门，由专 业人员进行分析。这种离线取样分析方法一般需要昂贵的精密仪器，且具有很大 的局限性，如时间滞后、费时较长以及取样油液是否具有代表性的问题。并据调 查表明：5 0 的离线分析油样没有发现问题，4 5 的油样显示失效即将发生，仅有 5 检测出严重问题【l 。这样，不仅消耗了大量人力和物力，也很难保证数据的时 效性，无法真正及时地诊断故障。这种离线油液监测方式用于实效性要求不高的 场合，但不能反映油液的实时状态，不利于机械系统故障的早期诊断和预防卜特 别是对于舰船动力系统，经常要外出执行任务，并且很希望知道油液的实时状态， 离线油液监测就不能满足需求。 为了解决连续作业设备、关键设备和安全性要求高的设备的实时现场监测与 诊断问题，随着电子、信息、人工智能和传感器等技术的突飞猛进及故障诊断理 论的发展，油液监测技术也开始转到了在线监测技术方面的研究上，同时也在开 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 发基于计算机软硬件的数据采集和处理的集成油液监测产品【l2 1 。油液在线监控技 术在国内外受到普遍重视，很多大公司和研究机构都致力于该项技术的研究，并 在各个领域推广应用该技术。近年来，西方发达国家利用电子技术和信号处理技 术，研制了多种新型嵌入式油液分析传感器，并在此基础上，针对各种不同类型 的设备，开发了系列油液在线监控系统，实现了在线分析和实时监控【l ，节约 了分析时间，确保了诊断的及时性。 其中，已成功应用的有美国a d v 舳c et e c h n o l o g ym a t a a l sr e s e 勉m h 研制的在 线x 荧光润滑油磨损金属分析装置x f s ，可用于汽车、飞机、航天器、潜艇等【1 4 1 。 加拿大g a s t o p s 公司研制的m c t a l s c a n 油液磨损金属监测传感器，是目前 应用最为广泛和成功的新型嵌入式油液分析传感器【1 3 1 。传感器能够全液流在线 1 0 0 地监测大颗粒( 1 0 - 1 0 0 m m ) ，识别铁磁性和非铁磁性颗粒，同时可统计出各 个尺寸范围内的颗粒数量和质量，根据累积数据进行趋势分析。m e t a l s c a n 已成 功地用于f 2 2 、f 11 7 、阿帕奇直升机、c h l 2 4 海王直升机、c h l1 3 拉布拉多直升 机等多种新型战机， 美国代顿大学和比利时f l u i t e ci n t e m a t o n a l 为联合攻击机( j s f ) 研制了在线 油液氧化性能监测传感器o c m 。该传感器基于伏安法的原理，不仅可检测飞机上 油液的老化程度，还可辨别老化的原因。j s f 发动机试验表明，o c m 传感器的测 试结果与离线仪器分析的结果完全一致，可有效检测发动机油液故障【1 5 1 。 基于各种嵌入式油液分析传感器，各国还针对各种不同类型的武器装备，研 制了油液在线监测系统。如美p n n l ( p a c i f i c n o r t h w e s t n a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 为美 海军研制了两套在线油液分析自动系统，可分别对船用燃气涡轮发动机和柴油机 的润滑油、液压油理化性能、磨损金属含量等进行分析，英国f o s t e r m i l l e r 公司 为美空军开发了在线红外油液状态监测系统，可对油液各种理化性能进行分析【9 】。 随着微细加工技术和微传感技术( m s t ) 的发展，可将敏感单元和信号处理单元 集成在一个薄薄的硅片上，制成尺寸很小的半导体微传感器。与普通传感器相比， 微传感器具有体积小、响应快、电噪声低、可在高温下使用等优点，非常适合用 于在线测试【1 6 j 。 在国内油液监测领域，西安交大是开展研究较早的单位，主要研究集中在油 液铁谱分析仪，利用高梯度磁场研制了在线铁谱仪。北方交通大学对电磁感应型 在线磨粒监测器进行了开发研究。北京铁路研究所杨其明、杨晓陶开发了电阻式 在线监测仪。南京航空航天大学发动机故障研究所研制了基于计算机视觉原理的 油液污染在线检测系统【l 刀。 随着半导体技术和计算机图象处理技术的发展，在线磨粒识别技术实现了铁 谱图像数据的在线获取及分析。由清华大学研制的在线图像铁谱仪系统主要是将 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 互补金属氧化物半导体( c m o s ) 图像传感器、数字信号处理器( d s p ) 技术、复 杂可编程逻辑器件( c p l d ) 技术应用到在线铁谱分析上，能够较好的满足在线监 测技术要求可以成功采集大磨粒的铁谱图像【1 2 1 。此类磨粒图像识别技术的发展前 景非常广阔。 综上所述，传感器在线油液监测技术是在线油液监测技术发展的重要方向， 研究一种实用、新型的传感器，构建原理集成的在线油液监测与分析系统，设计 制造相应的软硬件设备，对于提高舰船柴油机运行的稳定性、可靠性，实施视情 维修与预防维修，降低维护费用，减少事故的发生具有重要的意义。从一定意义 上讲，在线油液监测技术代表了油液监测在工业应用中的最高水平。 1 2 基于介电常数测量的在线油液监测技术 1 2 1 基于介电常数测量的在线油液监测 在线油液监测技术通过安装在油液管路( 旁路) 中的传感器，利用光、电、 磁学等手段采集设备的润滑油或工作介质的状态信息，分析样品携带的设备摩擦 副的磨损污染物颗粒和污染指标，定性和定量地描述设备的磨损状态( 包括部位、 形式、程度) ，找出诱发因素，并预测发展趋势。 基于介电常数测量的在线油液监测是将油液及其中的污染物作为电介质，润 滑油变质时，油液中部分碳氢化合物分子被氧化生成氧化物、酸和其它化学物质， 使分子极化。随着氧化产物和热降解产物的积累，外来污染物的不断增加，油液 中的极化分子也不断增多，这样会导致润滑油的介电常数发生变化；同时由于摩 擦和磨损，磨损的金属粒子和其它导电性强的化合物也会使润滑油的介电常数发 生变化。润滑油的介电常数取决于基础油、添加剂及污染物的成分和含量，基于 这原理，可以用介电常数来评价润滑油的污染和变质程度【1 8 】。 润滑油的理化指标是评价润滑油品质的重要参数，表1 1 是润滑油理化指标变 化影响其品质的实例【1 9 1 。 表1 1 各项理化指标引起油液变质所占百分比 灰尘油泥及 统计项目金属磨粒酸碱变化水污染粘度变化 清洗不良 株州冶炼厂 4 82 31 71 02 设备 广州市政总 一 公司车辆 5 32 01 395 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 由表1 1 可知，金属磨粒、酸值和水污染不仅是润滑油变质的主要原因，也是 润滑油的性能下降而引起故障的重要原因。相关文献已验证了三个主要关键性指 标与介电常数变化趋向一致【5 刎，表明油液的介电常数是反映润滑油液污染的一个 综合参数，通过监测油液介电常数的变化，就可得知润滑油的劣化程度，来达到 监测在用润滑油的目的。 油液的污染度水平增加，预示着设备的使用状态及润滑油的性能将发生劣化， 特别是当油液介质的介电常数呈指数函数增长时，意味着机械必须停机，否则将 发生严重故障。因此，当发现在用油液的污染度指标( 介电常数) 在短时期内明 显增加时，在排除滤清器故障和密封失效等故障的前提下，对介电常数进行分析 预测可得出设备当前状态的准确信息，及时准确地做出故障诊断。柴油机是船舶 的核心机械，其工作性能直接影响船舶的安全性和可靠性，对船用柴油机润滑油 液实施监测，通过监测管路中油液的介电常数掌握油液品质、设备磨损故障等信 息，可以提高船舶运行可靠性，缩短维修时间，减少维修费用。 润滑油变质程度直接影响柴油机的工作状况，实时监测柴油机润滑油状况至 关重要，可避免按期换油和传统实验室离线检测的不足。电容传感器应用在发动 机在线监测系统中，成本低廉，应用方便。介电常数是反映润滑油性能的敏感性 指标，当滑油老化或被污染，油中的颗粒物含量发生变化，会导致油液的介电常 数会随之改变，通过监测管路中油液与颗粒混合物的介电常数可以反映油液品质 等状态。初步研发一种成本低，可靠性高，安装方便的嵌入式电容传感器，通过 监测油液介电常数，再进行数据分析处理，从而达到准确测量油品品质变化的目 的。根据国标中规定的换油指标，结合实验数据分析，初步确定介电常数方法监 测油液品质的换油阈值，从而估算润滑油使用寿命，掌握最佳换油时机。 1 2 - 2 技术难点 基于介电常数测量开发了油液在线监测系统，但从目前的研究情况看，还面 临着诸多问题有待解决和进一步研究。这些问题主要有： l 、介电常数敏感传感器设计。针对油液中电介质介电常数的变化，设计敏感 电介质介电常数变化的新型传感器，是进行在线油液监测的首要条件与基础。对 于这一问题，我们可以设计新型的电容传感器来敏感介电常数的变化。当电容中 的电介质发生变化时，反映在电容中，就是电容值发生变化。建立电容值的变化 与介电常数问的映射关系，是设计电容传感器的前提。 2 、温度、流量等因素对电容量检测的影响。舰船柴油机工作时，润滑系统的 滑油处于一定的温度、一定的压力范围，润滑油在两摩擦表面作层流运动，承受 的压力不同时，就会影响润滑油的流速，即流量会发生变化。在线油液监测传感 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 器是接入油路中的，在监测在用油液的电容时，必须考虑油液温度、压力的影响， 这也是一个技术难点，解决这一问题，一是要对传感器受温度、压力影响的特点， 通过实验进行研究，总结规律，另一方面，通过补偿、校正等措施消除影响，提 高测量精确度。 3 、实验数据的分析处理。基于介电常数测量的在线油液监测研究表明油液的 介电常数变化与劣化程度有关，根据目前可查资料，类似的研究只是对油液的水 分、酸值、金属磨粒等理化指标的变化，建立单一指标与介电常数的映射关系， 验证了三个关键性指标与介电常数变化趋向一致。但是油液整体介电常数的变化 规律却有待进一步研究，研究油液介电常数与劣化二者之间的直接对应关系，成 为下步工作重点。 1 3 灰色理论在基于介电常数测量在线油液监测中的应用 灰色系统理论是邓聚龙教授于1 9 8 2 年创立的一门新兴的横断科学，它以“部 分信息已知，部分信息未知的“小样本 、“贫信息 不确定系统为研究对象， 主要对“部分已知信息的生成、开发去了解现实世界，实现对系统运行行为和 演化规律的正确把握和描述。贫信息不确定系统的普遍存在，决定了该理论具有 十分广阔的应用和发展前景。目前，灰色系统理论不仅在理论上发展迅速，日臻 完善，而且在社会科学、自然科学的许多领域的应用取得了很多成果【2 l 】。 机械润滑系统是一个复杂的系统，油液内在的变化机理还很不明确，系统的 力学、化学行为十分复杂，润滑油液的污染状况和机械磨损形态还不很清楚，但 是油液的介电常数、使用时间又是已知的，而且可以通过监测获得信息，所以， 可以把油液润滑系统看作灰色系统。 油液分析的目的，是判断设备运行和油液的使用情况，以及判断设备故障或 潜在故障产生的原因。目前已开展的方法大致有：模糊逻辑方法，基于广义贴近 度的模糊识别方法，基于证据理论的时域数据融合识别方法和人工神经网络方法 熊【1 1 寸。 跟踪机械设备运行情况，实现状态监测与视情维修的方法和技术手段很多， 但每一种都有其针对性和局限性。对于摩擦副较多的润滑油设备，油液分析技术 成为一种有效手段得到了广泛的应用；而介电常数油液分析作为其中的一种技术， 由于其可得到润滑油介电常数直观和准确的结果，故可满足监测实时性、诊断及 时性的要求。但是介电常数法对于油液而言，参数单一，得到的关于设备的信息 较少，针对这种少信息或贫信息的情况，灰色系统理论得到了应用。 机械润滑油液介电常数的变化具有以下特征： l 、影响油液介电常数变化的因素很多( 如金属磨粒、酸碱变化、水份、灰尘 第8 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 _ a_w _ _ m w m _ _ - - - - - 等) 且不明确，介电常数的变化是它们共同作用的结果： 2 、诸多因素对介电常数变化量的影响有大有小，它们之间的关系不明确； 3 、油液介电常数变化量和外界因素之间的关系大多很难用确定的函数模型来 解释。 由于监测介电常数变化所获得的数据序列也是灰序列，所以基于介电常数测 量的油液分析也属于灰色系统的领域。 从油液监测获得的介电常数这个“整体刀信息，可以获取反映油液污染趋势 的特征，因此可以用灰色预测理论来预测设备的运行状态。灰色理论模型具有要 求样本数据少、原理简单、运算方便等优点，特别是在原始数列的趋势项呈现指 数函数递增或递减的情况下，灰色理论模型的预测精度比较高。目前，在油液监 测诊断领域，灰色预测理论、灰色关联度分析及灰色评估与决策理论已广泛用于 油液监测设备的故障预测、故障模式的关联度分析、设备状态的评估与决策圈。 基于介电常数测量在线油液监测系统采用实时数据采集，当柴油机出现故障 时，采取相应措施，因此属于“事后弥补 。应用灰色预测理论的监测系统在实 时显示当前数据的基础上，能够较准确地根据已有数据预测未来相应参数的变化 情况，预测油液污染和设备潜在失效，通知用户及时换油或对设备的操作状态进 行调整，从而达到“防患于未然 的效果。 1 4 课题研究内容 本文针对基于介电常数测量在线油液监测技术研究现状，以灰色系统理论为 理论基础，以舰船柴油机现场应用为目标，开展油液在线监测及预测研究。首先 探讨了油液监测技术的重要性，润滑油劣化过程机理，基于介电常数测量在线油 液监测技术特点、原理，接着对灰色系统理论在油液监测中的作用进行了深入阐 述，通过对设备润滑系统分析，把灰色理论预测方法应用于基于介电常数测量油 液监测中，通过数据处理分析得出柴油机的工作状态，预测可能的故障，及时报 墼 目。 本论文拟在以下几个方面开展工作： l 、设计并制造敏感电容传感器，构建在线油液监测实验系统； 2 、进行电容传感器温度、压力特性试验，进行不同污染度润滑油区分试验， 并运用灰色系统理论，对试验数据进行处理，通过灰色模型来预测油液介电常数 的变化，从而了解油液劣化程度，确定换油及维修时机； 3 、检验灰色理论模型在油液在线监测中的预测精度，验证其可行性、科学性 与可靠性，并对其进行优化和改进，提高灰色预测方法的准确度。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 5 论文组织结构 本论文内容及结构如下： 第一章：绪论。介绍了本课题的来源、背景，论述了课题研究工作的意义和 油液分析技术的重要性，重点分析了油液监测技术发展和应用概况。最后阐述了 基于介电常数测量在线油液监测技术数据处理方法和本课题的研究内容。 第二章：实验平台构建。论述了电介质介电常数油液监测系统的理论基础、 构成，介绍了系统设计思路，设计制造了电容传感器。 第三章：概述了灰色系统理论原理、方法，论述了灰色系统理论在油液监测 和故障诊断中的意义，重点讨论了灰色系统理论和非等间距g m ( 1 ，1 ) 预测模型建模 过程及要点，并分析了在基于介电常数测量在线油液监测过程中，g m ( 1 ，1 ) 预测模 型应用的可行性与合理性。 第四章：利用灰色系统理论对试验数据进行处理分析，模拟和预测了试验结 果，检验了灰色系统预测精度，验证了灰色模型的有效性。通过对两种不等间距 g m ( 1 ，1 ) 模型的计算比较，