（机械电子工程专业论文）油液在线监测电容传感器的研制及在线测试方法研究.pdf

沈田i 理3 - _ 大学硕 ：学位论文 摘要 润滑油在企业巨大的维护保养成本中所占的费用很少，但其作用是极为重要 的。良好的润滑就需要合理使用润滑油，随时监测润滑油的使用状况，保证合理 的换油时机，确保润滑的安全性和有效性。油液监测技术主要对油的理化性能和 油中磨粒含量进行监测，可及时了解设备的工作状态和油液的污染情况，做到按 质换油和欲知维修。目前该技术被越来越多的企业重视，开发了多种油液监测仪。 润滑油是一种复杂的混合物，可以看作是弱极性液体电介质，介电常数大约 为2 0 左右。当油液中的机械杂质、酸值、水分等污染物含量变化时，油液的介 电常数将发生相应的变化。本文基于介电常数法润滑油在线监测理论分析，结合 电容传感器的优点，从工业应用角度出发，设计了一种新型的两对半圆形极板交 错式电容传感器，从而避免了极板污染物沉积而引起的灵敏度下降和不便于清洗 等传统油液监测电容传感器的弊端。该传感器通过监测油液介电常数的变化，便 可以获知油液的污染及衰变情况，达到对在用润滑油在线监测的目的。 根据电磁场的基本理论，对传感器的电容值和极板的电荷密度进行了理论计 算，并应用a n s y s 软件对传感器检测场的电势和场强分布进行了分析，得知检测 场内部灵敏度分布不均匀。为使传感器获得灵敏度高而均匀的检测场，保证油液 中污染物含量的测量不受流型及分布的影响，对传感器的结构和尺寸进行了优化。 设计了基于c a v 4 2 4 和a m 4 0 2 的检测和报警电路，可以将传感器电容量的变化， 转化为工业上便于传输的4 - - , 2 0 m a 的电流，监测润滑油污染及衰变情况。利用本 课题所研制的传感器进行了实验，研究润滑油中主要污染( 水、酸、金属磨粒) 与油液介电常数变化的关系，应用m a t l a b 软件绘出了关系曲线图，并确定机油润 滑油污染的报警阈值。 本课题所研制的传感器适用于工作环境恶劣、需要连续工作的大型设备和大 型车辆，具有体积小、成本低、操作简单，便于安装和在线测量的优点。 关键词：润滑油；在线监测；电容传感器；介电常数；a n s y s 沈研 理丁大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ee x p e n s eo fl u b r i c a n t si sv e r ys m a l li nt h el a r g ec o s t su s i n gi nt h em a i n t e n a n c e o fe q u i p m e n ti nt h ee n t e r p r i s e ，b u ti t sr u c t i o ni s e x t r e m e l yi m p o r t n a t p e r f e c t l u b r i c a t i o nr e q u i r e sr a t i o n a lu s eo fl u b r i c a n t s ，w o r k i n gc o n d i t i o n so fl u b r i c a n t ss h o u l d b em o n i t o r e da ta n yt i m et oe n s u r er e a s o n a b l et i m eo fo i lr e p l a c e m e m ，s a f e t ya n d e f f e c t i v e n e s so fl u b r i c a t i o nh a v eb e e ne n s u r e d o i lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ym o n i t o r p r i m a r i l yp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fo i la n dc o n t e n to fa b r a s i v e ，w o r k i n g c o n d i t i o n sa n do i lp o l l u t i o no fe q u i p m e n tm o n i t o r e dc a nb e t i m e l yu n d e r s t a n d e d ， a c c o r d i n gt ot h eq u a l i t yo fo i lr e p l a c eo l do i la n dp r e d i c t i v em a i n t e n a n c e t h e t e c h n o l o g yi sn o wi n c r e a s i n g l ym o r ee m e 币r i s e sa t t a c hi m p o r t a n c et od e v e l o p i n ga v a r i e t yo fo i lm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t l u b r i c a t i n go i l i sac o m p l e xm i x t u r e ，i tc a nb es e e na saw e a kp o l a rl i q u i d d i e l e c t r i c ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ti sa b o u t2 0 w h e nm a c h i n e r yi m p u r i t i e s ，a c i d i t y , m o i s t u r ec o n t e n t ，a n do t h e rp o l l u t a n t si no i lc h a n g i n g ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fo i lw i l l b ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e s b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fl u b r i c a n t so n l i n e m o n i t o r i n go fd i e l e c t r i cm e t h o d ，c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fc a p a c i t i v es e n s o r s ，f r o m t h ep e r s p e c t i v eo fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，an e w t y p eo ft w op a i r so fs e m i - c i r c u l a rp l a t e s t a g g e r e dc a p a c i t a n c es e n s o r sh a sb e e nd e s i g n e d ，t h u sa v o i d i n gt h ep l a t ec a u s e db y d e p o s i t i o no fp o l l u t a n t sd e c r e a s e ss e n s o rs e n s i t i v i t ya n de a s eo fc l e a n i n g ，a n do t h e r t r a d i t i o n a lo i lm o n i t o r i n gc a p a c i t a n c es e n s o rd i s a d v a n t a g e s o i ld i e l e c t r i cc o n s t a n t c h a n g eb ym o n i t o r i n gc a l lb ei n f o r m e do fo i lp o l l u t i o na n dd e c a y , a c h i e v et h ep u r p o s e o fo n - l i n em o n i t o r i n go fl u b r i c a n t sb e i n gu s e d a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，c a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y c a p a c i t a n c ev a l u eo fs e n s o ra n dt h ec h a r g ed e n s i t yo fp l a t e ，u s i n ga n s y ss o f t w a r e ， p o t e n t i a la n dt h ef i e l di n t e n s i t yo ft h es e n s o rd i s t r i b u t i o na l ea n a l y z e d ，a n df o u n dt h a t t h es e n s i t i v i t yo ft h ei n t e r n a ld i s t r i b u t i o no ft e s t i n gf i e l di su n i f o r m i t y t oo b t a i nt e s t i n g 沈阳理工大学硕士学位论文 f i e l dt ob eu n i f o r ma n dh i g hs e n s i t i v i t y , a n de n s u r et h a tm e a s u r e m e n to fo i lp o l l u t a n t s c o n t e n tw i l ln o tb ea f f e c t e db yf l o wp a t t e ma n dd i s t r i b u t i o no fo i l ，s t r u c t u r ea n ds i z eo f s e n s o rh a sb e e no p t i m i z e d d e t e c t i o na n da l a r mc i r c u i tb a s e do nc a v 4 2 4a n da m 4 0 2h a sb e e nd e s i g n e d ， c a p a c i t a n c ec h a n g eo fs e n s o rc a nb et r a n s l a t e di n t o4t o2 0m ac u r r e n tf a c i l i t a t et h e t r a n s m i s s i o ni n i n d u s t r y , t om o n i t o ro i lp o l l u t i o na n dd e c a y u s i n gt h i s s e n s o r d e v e l o p e db yt h es u b j e c t , s t u d yr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a j o rp o l l u t i o n ( w a t e r , a c i d ， m e t a ld e b r i s ) i no i la n dt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tc h a n g e s ，p l o tc u r v eo ft h er e l a t i o n s h i p b ya p p l y i n gm a t l a bs o f t w a r e ，a n dd e t e r m i n eo i ll u b r i c a n t sp o l l u t i o n a l a r m t h es e n s o rd e v e l o p e db yt h es u b j e c ta p p l yt ol a r g ee q u i p m e n ta n dl a r g ev e h i c l e s r e q u i r i n gc o m i n u o u sw o r ka n dp o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t i th a st h ea d v a n t a g e so f s m a l ls i z e ，l o wc o s t ，s i m p l eo p e r a t i o n ，e a s yi n s t a l l a t i o na n do n l i n em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：l u b r i c a n t s ；o n l i n em o n i t o r i n g ；c a p a c i t a n c es e n s o r s ；d i e l e c t r i cc o n s t a n t ； a n s y s 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：名1 名心 日期 ： d g 年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：衣1 乓吣指导教师签名： e t期：ds ) 1 3 e l期：dr 夕l 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 油液监测技术概述 润滑油是机械设备的“血液”，它在机械设备中起着密封、润滑、减磨、冷 却、清洗、减振和防腐等重要作用。润滑油在工作中受高温、高剪切作用，同时 由于空气中氧气、氮气的存在，也会发生氧化、硝化、硫化反应以及抗氧剂、抗 磨剂的降解，因此它本身也“藏污纳垢”。这些污染物包括有：零部件的磨损颗粒、 腐蚀产物，还有润滑油和添加剂经一系列物理、化学变化而形成的胶质、沥青、 油泥及燃烧产物等。各种污染物在一定程度上无一不与机械设备及润滑油的使用 状态相关联，在用润滑油中蕴藏着非常丰富的来自机器的运动副表面的摩擦学状 态的信息。对其理化性能指标及所携带的磨损产物的分析，可有效地评价在用润 滑油的综合性能和判断机械的磨损状态。在油液分析技术中，润滑油性能测试项 目主要有在用润滑油的粘度、酸度、水份、固体颗粒总含量等。 油液监测技术是一种有效的工况监测和故障诊断的方法，它通过采集设备的 润滑油或工作介质的样品，利用光、电、磁学等手段，分析被监测设备的在用润 滑油( 或工作介质) 的理化性能指标变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润 滑和磨损状态的信息，评价机器的工况和预测故障，并确定故障原因、类型和零 件的技术。油液监测技术适用于低速重载、环境恶劣( 如噪音大、振动源多、外界 干扰明显) 、往复运动和采用液体或半液体润滑剂且以磨损为主要失效形式的设备 监测。 采用油液监测技术对机器设备进行监控，可具有以下优点： ( 1 ) 监控润滑油品的质量、污染程度和使用寿命，改善设备润滑条件； ( 2 ) 通过磨粒分析，根据分析结果，掌握设备磨损状态，预报故障，提高设 备管理水平，改善设备运转状况，提高运转效率减少非计划停车，保证安全生产； ( 3 ) 以油液监测结果指导设备的维修工作，改变目前的定期维修状态，做到 预知维修，必将大大减少维修费用，从而提高企业的经济效益幢1 。 沈阳理1 = 大学硕士学位论文 1 2 油液监测技术的现状与发展趋势 1 2 1 国外油液监测技术的发展情况 1 9 4 1 年，美国铁路行业的d e n v e rr i og r a n d e 和w e s t e nr a i l r o a d 公司首次采 用光谱分析方法，检测在用内燃机车润滑油中的磨粒元素种类和含量。二十世纪 7 0 年代初，随着铁谱技术的问世，油液监测技术在美、德、日等发达国家得到飞 速发展。8 0 年代，经过学术界和工业界共同努力和积极探索，油液监测技术已成 为设备诊断技术体系中的主要方法之一。9 0 年代，气相色谱和质谱仪也被用于润 滑油的组分变化测定，油液检测技术朝着多种方法集成、在线与离线并举，检测 方法与仪器智能化的方向发展。进入二十一世纪，随着油液的污染度分析技术的 日趋成熟和完善，其在设备状态监测与故障诊断中的重要性也越来越为人们所关 注，与之相配套的仪器成本低，功能齐全，性能稳定，己成为一般企业的首选方 法。 西方国家已将油液污染度监测应用于旋转机械、往复机械、机加工设备、电 力设备和工程机械状态监测等方面。此外，国外目前还研制生产了适合现场使用 的各种便携式的在线快速油液污染度检测仪，如美国c s i 公司的0 1 1 v i e w 系列油液 监测仪，p a r k 公司的p l c - 2 0 0 0 型便携式激光颗粒计数仪以及p a l l 公司的p f c 2 0 0 、 英国u c c 公司c m 2 0 9 0 2 1 等。这些油液污染度检测仪方法、原理简单，代表着未来 实用油液快速污染检测仪的发展方向。随着科学的进步和发展，用于设备监测与 故障诊断的新仪器不断研制成功，使得油液污染监测这门较新的应用技术也得以 不断地完善与发展n 删。 1 2 2 国内油液监测技术的发展情况 我国从8 0 年代初在各个工业部门逐步推行油液污染控制技术和管理措施，在 机械、煤炭、航空和船舶等工业部门相继开展了油液污染控制方面的应用研究， 并取得了一定的成效。1 9 8 6 年1 0 月在广州召开了第一届全国铁谱技术学术交流 会，在那之后，我国的油液监测技术的应用有了一定的发展。为适应与国际接轨 的需要，在第五届全国铁谱技术会议上，将铁谱技术委员会更名为油液监测委员 会，2 0 0 2 年1 1 月在上海召开了第六届全国油液监测技术会议。六届会议均有论 文集出版，显示了我国在这一领域里取得的大量科研成果及该项技术工业应用的 第1 章绪论 广泛性。我国油液监测技术的发展最初集中在铁谱分析技术的应用研究上，从8 0 年代初到9 0 年代初是快速发展期。到1 9 8 5 年，我国铁谱仪，包括国内产品，已 近1 0 0 台，仪器总值为3 0 0 5 0 0 万元。近几年我国油液分析和监测设备的研究和 研制有了长足的发展，例如p c c 型便携式油液污染度检测仪，t h y l 8 f 型油液检 测仪，西安交通大学研制的o l f 4 型四通道在线铁谱仪等。但目前我国的油液污 染控制技术和管理水平与国外主要发达国家相比还有相当大的差距，设备的油液 污染度一般比国外高3 - 4 倍，从而使得设备故障率高，元件寿命短，严重影响设 备效能的充分发挥。由此可见，我国油液污染控制方面的研究仍是一个薄弱环节， 亟待加强和完善嵋，。 值得指出的是，目前国内在油液监测方面存在一些认识及实践的误区： ( 1 ) 将油液监测简单地等同于油品质量常规检测； ( 2 ) 以铁谱或光、铁潜联用等较单一的手段取代油液状态监测系统的丰富 内涵； ( 3 ) 仅限于对用油量大的设备采用油液监测手段； ( 4 ) 对监测数据的完整性和准确性重视不够，片面强调趋势分析和异常磨 损分析，忽略常规分析和油质分析。 实际上，油液监测并不是多种检测方法的简单组合。它是一门涉及到摩擦学 领域内多学科的综合应用技术，是包括设备当前润滑与磨损状态二方面所构成的 一个完整的监测系统。其核心在于：根据监测对象的结构特征与监测目标，恰当 的选用不同的监测方法，以最经济的方式达到最佳的监测效果，使用户获取到最 大的经济效益。 1 2 3 油液监测技术发展的趋势 进入二十一世纪，随着油液监测技术的不断发展，油液监测从油品理化指标的 常规检测及铁谱检测，发展到理化分析、污染度测试、红外光谱分析、发射光谱 分析、铁谱分析五个方面多种监测技术的联合使用。检查设备向着小型化、智能 化方向发展，检测方式由离线向着在线方向发展。 ( 1 ) 便携式设备的研制 近年来，国内j , i - 开发了便携式油液监测设备，以润滑油理化分析为主的代表产 品有：润滑油污染指数检测仪、数显粘度计和润滑油分析工具箱。在磨粒分析方面 1 沈阳理t 大学硕士学位论文 研制了y t c - 1 油液含铁量检测仪、5 6 型磨损微粒分析仪、d c a 油液监测器、 o i l v i e w 5 1 0 0 油品分析仪和便携式铁磨粒测定仪等，这些仪器可适用于现场条件， 具有简便和快速的特点n ，。 ( 2 ) 计算机在信息处理方面的应用 随着计算机技术的发展，利用这一工具积极开发应用于油液监测中的数据库、 数据处理程序、辅助诊断系统和综合各项油液监测技术的智能化故障诊断专家系 统是油液监测技术追求的目标。智能化诊断专家系统要在知识获取和表达方面、 推理机制方面和控制决策方面比传统的专家系统更合理、更优异，以便解决先前的 知识获取“瓶颈 和知识难于维护的缺点。目前，我国宝山钢铁集团公司、武汉交 通科技大学、西安交通大学和北京铁路局科研所正积极合作，开发油液分析诊断软 件包( 这一项目是中国设备管理协会主持的软件工程库的一部分) ，这一软件包涉 及到油液诊断模式子库，实用程序子库和诊断知识信息子库，它可以管理文字、数 值、图像等多种数据，是迄今为止国内外功能较齐全的油液监测诊断的辅助系统 【7 1 i 1 o ( 3 ) 在线监测仪器的开发 进入2 1 世纪，油液在线监测技术发展迅猛，它很好克服了传统的实验室离线 分析方法成本高，操作复杂，测量样本点有限的不足，成为新一代油液监测技术 发展的主要方向。在线监测仪众多，其中比较有代表性的仪器和方法是：流体工况 监测仪( f c m ) 、定量磨粒监测仪( q d m ) 、金属微粒检测仪( m p d ) 、在线铁谱仪、超声 波磨粒监测方法、利用光学磨粒传感器的实时油液监测系统和磨粒图像在线识别 系统等，这些仪器和方法有的已经投入使用，有的尚处于研发阶段”1 。 1 2 本课题研究的背景、目的及意义 1 2 1 选题的背景 润滑油在使用一段时间后，尤其是大型设备和大型车辆，由于外界杂质的侵 入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因，油品就会变质，添加剂损耗，油的 粘度、酸值、杂质含量、水分含量等理化性能就会发变化，使用性能会下降，如 果继续使用变质的油，油中沉积物急剧增多，设备的工作性能下降，零部件磨损 加剧，甚至导致系统发生严重故障嗍。反之，如果在油使用正常的情况下而换新 第1 章绪论 油，就会造成资源浪费。因此，为了避免上述问题，就有必要实时地监测润滑油 的使用状况，通过一定的监测数据来衡量油的变质程度，确定合理的换油时机。 目前在工程使用中，主要采用离线技术对油的性能、状态进行监测，现场采 集的油样送到监测中心后进行理化性能指标的测试和磨粒含量测定，常用的仪器 有运动粘度测定仪、闪点测定仪、机械杂质测定仪、水分测定仪等分析仪器，这 些仪器具有测试精度高、测试方法符合标准的优点，但是存在以下的不足： ( 1 ) 体积庞大，只适合在实验室环境进行离线分析，不适合在线或现场分 析测试； ( 2 ) 从现场采样到实验室的过程需花费很长时间，不满足实时性的要求； ( 3 ) 仪器成本高，对维护和操作技术要求也高，不适用于现场监测。 江汉石油管理局井下作业公司是石油天然气开采作业的专业化服务公司，主 要作业设备均为车载式设备。因此，各种车辆的安全可靠运行是保障作业实施顺 利的基础。现在公司车辆设备的润滑管理基本上是凭经验强制更换润滑油。各大 队车辆用油的监测和换油情况如表1 1 l - ”。 表1 1 井下作业公司车辆设备润滑状况 单位监测方法换油依据换油方式 作业大队无凭经验人工开放式 试油大队无凭经验人丁开放式 准备大队 无凭经验人工开放式 特种大队 有强制换油人丁开放式 江汉油田所用大型车辆长期在野外做业，工作环境恶劣，由于润滑油更换不 及时而导致故障的情况时有发生。本课题针对上述情况，研制了在线油液监测传 感器，且与传统传感器相比有如下优点： ( 1 ) 传感器体积小，便于安装和操作； ( 2 ) 可在线监测油液变化情况，获得数据及时准确； ( 3 ) 传感器制作简单、成本低。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 2 课题研究的目的 ( 1 ) 本课题从机械设备在用油的污染度检测与污染物分析着手，分析润滑 油监测原理，理论分析油液综合介电常数法监测润滑油状态的可行性，把其作为 油液劣化监测指标。 ( 2 ) 研制一种体积小、成本低、操作简单，便于安装和在线测量的电容传 感器，该传感器应适用于工作环境差且需要连续工作的大型机器设备和大型车辆， 监测润滑油的衰变程度和污染状况。 ( 3 ) 研制传感器的检测电路，把电容量的变化转变为电流或电压输出，当 监测指标超过警告值时及时报警，以便确定最佳换油时机。 ( 4 ) 通过实验研究，分析油液中的主要污染物对润滑油综合介电常数的影 响，并确定报警阈值。为制订有效的油液污染控制指标，实现按质换油和主动维 修提供一定的理论依据。 1 2 3 本课题研究的意义 ( 1 ) 目前国内油液监测的重要性和意义认识不够，在工业企业中应用还是 很少。通过本课题的研究分析，可以对油样监测技术的重要性和意义有一个清楚 明确的认识，促进该技术的推广普及。 ( 2 ) 本课题研制的电容传感器将润滑油介电常数变化作为油液劣化监测指 标。虽然目前国内也研制出来介电常数法油液监测传感器，但关于这方面研究的 文献很少，本课题是对该理论的进一步完善和丰富。 ( 3 ) 由于本课题研制的传感器体积小、结构简单、成本低，对小型传感器 在油液监测中的应用是一个有益的探索。 ( 4 ) 本课题研制的传感器和检测电路可以实现在线动态监测，具备如下优点： 通过油液在线监测，掌握合理的换油时机，变“按期换油方式为“按质 换油 ，为工厂节省人力、财力、物力。实验证明，采用油液污染度监测可使油 液的换油周期延长2 倍以上。 通过油液在线监测，可及时了解在用油液的污染状况，分析油液污染的原 因，对设备的工作状态做出初步判断，做到预知维修和主动维修，从而可以延长 机器使用寿命和故障时间间隔，提高运行可靠性及降低维修费用。 第1 章绪论 通过检测数据的分析和积累，逐步建立趋势分析，提高分析结果的效能 和判断的准确率。 1 3 本课题的主要工作 本课题的主要工作是在实验室条件下，基于油液监测理论分析及润滑油介电 常数与理化性能指标的变化关系，设计一种适合于润滑油在线监测的电容式传感 器及其检测电路，并通过实验测试其工作性能。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 介电常数法油液在线监测的理论研究。 ( 2 ) 油液在线监测电容传感器结构设计及优化。 ( 3 ) 电容传感器检测电路及报警电路的设计。 ( 4 ) 通过实验研究，分析油液中的主要污染物对润滑油综合介电常数的影响， 并验证传感器的性能。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章油液监测技术的原理及方法 2 1 润滑油的作用及组成 2 1 1 润滑油的作用 润滑油是用在各种类型机械上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体润滑剂， 主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。润滑油占全部润滑材料的 8 5 ，种类牌号繁多，现在世界年用量约3 8 0 0 万吨。对润滑油总的要求是： ( 1 ) 减摩抗磨，降低摩擦阻力以节约能源，减少磨损以延长机械寿命，提 高经济效益； ( 2 ) 冷却，要求随时将摩擦热排出机外； ( 3 ) 密封，要求防泄漏、防尘、防窜气： ( 4 ) 抗腐蚀防锈，要求保护摩擦表面不受油变质或外来侵蚀； ( 5 ) 清净冲洗，要求把摩擦面积垢清洗排除； ( 6 ) 应力分散缓冲，分散负荷和缓和冲击及减震； ( 7 ) 动力传递，液压系统和遥控马达及摩擦无级变速等n “。 2 1 2 润滑油的组成 润滑油一般由基础油和添加剂两部分组成。基础油是润滑油的主要成分，决 定着润滑油的基本性质，添加剂则可弥补和改善基础油性能方面的不足，赋予某 些新的性能，是润滑油的重要组成部分“引。 ( 1 ) 润滑油基础油 润滑油基础油主要分矿物基础油及合成基础油两大类。矿物基础油应用广泛， 用量很大( 约9 5 以上) ，但有些应用场合则必须使用合成基础油调配的产品，因 而使合成基础油得到迅速发展。矿物基础油由原油提炼而成。其化学成分包括高 沸点、高分子量烃类和非烃类混合物。其组成一般为烷烃( 直链、支链、多支链) 、 环烷烃( 单环、双环、多环) 、芳烃( 单环芳烃、多环芳烃) 、环烷基芳烃以及 含氧、含氮、含硫有机化合物和胶质、沥青质等非烃类化合物。 第2 章油液监测技术的原理及方法 ( 2 ) 添加剂 添加剂是近代高级润滑油的精髓，正确选用合理加入，可改善其物理化学性 质，对润滑油赋予新的特殊性能，或加强其原来具有的某种性能，满足更高的要 求。根据润滑油要求的质量和性能，对添加剂精心选择，仔细平衡，进行合理调 配，是保证润滑油质量的关键。一般常用的添加剂有：粘度指数改进剂，倾点下 降剂，抗氧化剂，清净分散剂，摩擦缓和剂，油性剂，极压剂，抗泡沫剂，金属 钝化剂，乳化剂，防腐蚀剂，防锈剂，破乳化剂。 2 2 润滑油污染成因及监测技术原理 2 2 1 润滑油污染成因 润滑油的污染源有两个，一个是油自身的氧化等化学变质。润滑油组成中的 基础油和添加剂，在受到空气中的氧、以及摩擦条件下的温度和金属的作用，便会 发生氧化连锁反应。润滑油氧化经过有机过氧化物和链的开裂，生成各种油溶性 的醛、酮和酸类。在深度氧化后，最终生成油不溶性氧化物胶质和油泥等物 质。使设备腐蚀，油的粘度增高，油路堵塞乃至引发设备故障。另一个是使用和 环境的污染，例如空气、水、磨损产物、大气中的尘埃、设备内部的渗漏等污染， 使润滑剂劣化、变质、从而使润滑系统和原件发生故障，可靠性降低，使用寿命 缩短n ”。 2 2 2 润滑油监测原理 油液监测技术是实现设备润滑状态监测与磨损故障诊断的重要技术手段，其 主要是通过对设备在用润滑油理化性能指标和油中磨损金属颗粒及污染产物的分 析来获取设备摩擦副润滑和磨损状态的信息，从而对设备的润滑状态及磨损故障 进行诊断。润滑油就是设备的血液，设备几乎所有的摩擦副都需要润滑，设备在 用润滑油携带了设备摩擦学系统丰富的状态信息，通过对这些状态信息的综合分 析，并参考设备的运行工况、设备摩擦副材料、设备现场的维修保养记录，可以 有效地实现机械设备的磨损故障诊断，指出设备故障发生的部位、确定故障的类 型、解释故障发生的原因、预告故障发生的时间，所以油液监测技术已成为国内 外机械设备润滑系统故障诊断的重要技术手段。油液监测技术是由多种油液分析 方法组成，主要有理化分析、光谱分析、铁谱分析、红外分析和污染分析等。这 沈阳理= 大学硕十学位论文 些分析方法各有所长，需针对具体的监测对象来选择合理的分析方法“”。润滑油的 监测原理图如图2 1 所示。 i - t - ll _ f hl 预知维侈 l 磊上多甄r 1 秭皖彖玩i l _i- 常 l - _ m l _ j - 曲“f 日i 设 规现场检验 备 监 l = 二= ：i i “”一“i 测 f i “拉i i 妇* 曲i 态 i 捆托广1 州m 删l i 故障预报 l 监 i1 一一一 l 翻 - i 油品理化指标li 油品质量l 系 统 i 红外光谱l ， 涿加荆降解专家系统 氯化物增长 综合分坼 油 污染物来源 料 分 析 监 磨损元素成分 一 l 发射光谱i 磨位来源 故障原因 - i 磨损她i i4 “”。i 广瓦百- 一 磨损类型和趋 = ： ：= 一势故障原因 图2 1 润滑油监测原理图 2 3 油液监测方式及监测方法 2 3 1 油液监测方式 目前工业界主要采用定期采集油样，送实验室进行物理化学分析的方法判定 油液的质量状态和使用寿命。这种方式的优点是可以获得被测油液多个物理化学 参数变化，如粘度、总碱值、水分含量和颗粒量等，并据此较准确的判断油液的 质量状态和失效原因。这种离线的工作方式可能出现两方面的弊端“町m 1 ： ( 1 ) 由于油样的提取与结果的得出时间有一定的时间差，而这段时间差可 能会长至数日之久。油液信息是在动态变化的，在机器操作人员收到分析报告时， 油液的状态已发生了改变，被监测的机器可能已经发生故障，即使再准确的分析 工作也因时间的耽搁而变得毫无价值。 ( 2 ) 为了保证获取具有代表性的油样，油样的提取有一套严格的方法和程 序。若取样不规范而造成最终分析结果的不准确，不仅会浪费经费，而且会对机 器的状态造成误判。 第2 章油液监测技术的原理及方法 以上这两种离线工作方式的弊端所带来的迟判、误判，在生产实践中偶有发 生。随着现代工业的发展，机械系统变得越来越复杂、精密和高性能，传统的油 液监测技术不利于机械系统故障的早期诊断和预防，因而不适于工程现场采用。 在线润滑油状态监测则是在设备正常运行不停机的情况下，通过对在用润滑 油的物理、化学参数实时监测，判定设备工况，诊断设备的异常部件、异常程度， 从而实现避免重大事故的发生，有针对性地维护和修理。另外实时监测可以帮助 理解机械设备中摩擦副的磨损机理、润滑机理、磨损失效类型等，确定润滑油剩余 寿命，确定合理的磨合规范和换油期。 近年来，各项油液在线监测技术发展迅猛，它很好克服了传统的实验室离线 分析方法成本高、操作复杂、测量样本点有限的不足，成为新一代油液监测技术 发展的主要方向。 2 3 2 油液监测方法 油液监测技术包括油液本身物理、化学性能的监测分析和润滑油携带磨损颗 粒的监测分析。其手段包括常规的油样理化性能分析、光谱分析技术、铁谱分析 技术、磁塞及磁探技术、电学检测技术等旧m 。 ( 1 ) 油液的理化性能分析 基于理化性质分析的润滑油状态监测主要是通过监测润滑油质量评价参数来 决定润滑油本身的有效性。包括粘度、水分、酸值、闪点、乳化、泡沫、空气释 放值、抗磨性能和污染度等等，一般需要在用润滑油采样后在在实验室分析评定。 在开展润滑油常规理化性能监测时，可选择其中几个指标进行监测，既可实现按质 换油，也可对设备磨损状态进行监测。 ( 2 ) 油液光谱分析 根据油样中元素含量的变化就可以评价设备的磨损状祝和工作状况。由于原 子结构不同，每种元素都有其特征谱线，根据元素的特征谱线可以对元素进行定 性分析，根据特征谱线强度的变化可对元素进行定量分析。现有的光谱分析方法 主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法和红外光谱分析法。常用的理化油品分 析仪有粘度计、滴定仪和红外光谱仪等。 ( 3 ) 油液铁谱分析 铁谱分析技术是一种在高强度、高梯度磁场的作用下，将机器摩擦副产生出 1 1 沈阳理t 大学硕士学位论文 的磨粒从润滑剂中分离出来，按粒度有序地沉积在基片上，再运用各种手段对基 片上的磨粒进行观察、测量和分析，以获得磨损过程中的各种信息，从而研究磨 损机理和判断磨损状态的一种分析方法，它是油液分析技术的重要组成部分。铁 谱技术的出现为进行机械磨损监测诊断和磨损机理研究开辟了一个新的领域。 ( 4 ) 磁塞与磁探测技术 根据金属的磁性原理对所截获的金属磨粒的形状、大小和数量进行分析来判 断机械磨损状态的一种技术，用于检测油品中较大磨粒的形貌和数量。 ( 5 ) 电学检测技术 电学检测技术主要有电容式、电阻实、电感式，其中电容式传感器具有诸多 优点，应用较多。电容法是将油液及其中的污染物作为电介质，介电常数是油液 电化学的主要参数，油液中污染物和磨粒含量的不同，将影响介电常数的变化， 据此来估算油液中磨粒的浓度和油液的变质程度，达到监测的目的。 2 3 3 油液监测方案确定 对上述油液监测分析方法进行优缺点分析对比，本着快速、准确、易于操作、 结构简单、成本低的原则来确定本课题油液监测方案。 理化分析方法检测时间长、成本高、操作过程复杂，适用于实验室测量，不 适合对油液的快速在线监测。光谱分析技术的优点是灵敏度高、化学成分分析速 度快、简单和准确。光谱分析的主要局限性在于只能分析远未达到严重磨损阶段 的较小颗粒，因此故障预测往往趋于保守；另外光谱分析设备昂贵，安装条件严 格，实验费用高，生产现场难于推广。铁谱方法主要是对车辆或者设备磨粒的监 测，不能测量其他指标，因此不能判定润滑油的综合性能，也不适用于快速在线 监测。磁塞与磁探测技术是对油液中大的铁磁性磨粒( l opm ) 的检测，同样不 能检测油液中的其他污染指标，具有很大局限性。电化学检测技术中的电容传感 器方法虽然精度不是很高，但是它价格低廉、检测速度快、能够实现在线监测， 可以大大提高效率，易于推广。而且随着集成电路的高速发展，电容传感器有着 广阔的应用前景”m “。 综合以上各种油液监测方式和检测技术的对比分析，结合对传感器的设计要 求，所以本课题选用油液在线监测电容式传感器，应用于大型车辆和大型设备润 滑油的在线监测。 1 2 第3 章介电常数法油液监测电容传感器的工作原理 第3 章介电常数法油液监测电容传感器的工作原理 3 1 电容传感的特点及设计要点 3 1 1 电容传感器的特点 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构 简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工 作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避 短，成为一种很有发展前途的传感器。 ( 1 ) 电容传感器的优点n 7 ，： 温度稳定性好：电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选 择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微； 结构简单：电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可 以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量； 适应性强：电容式传感器能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境 中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和 低压差，也能对带磁工件进行测量； 动态响应好：电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小( 约几个1 0 5 n ) ，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很 轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别 适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率 高，可用于测量高速变化的参数； 可以实现非接触测量，具有平均效应：当采用非接触测量时，电容式传 感器具有平均效应。例如非接触测量回转轴的振动或偏心率，可以减小工件表面 粗糙度等对测量的影响； 灵敏度高：电容式传感器带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入 能量极小，因而可测极低的压力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分 辨率高，能敏感0 0 1pm 甚至更小的位移。由于其空气等介质损耗小，采用差动 沈阳理工大学硕士学位论文 结构并接成电桥式时产生的零漂极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具 有很高的灵敏度。 ( 2 ) 电容传感器的缺点n 7 】 输出阻抗高，负载能力差：电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等 限制，一般只有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音 频范围内的交流电源时，输出阻抗高达1 0 8 1 0 6q 。因此传感器的负载能力很差， 易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施， 从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高 ( 几十兆欧以上) ，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能( 如灵敏度 降低) ，为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可 降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输要比低频的复杂。 寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子 线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成 的“寄生电容 却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容( 如电缆电 容) 常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的 选择、安装、接法都有要求。 通过上文分析，电容传感器所具备的优点，可以满足对传感器的设计要求， 符合本课题研究的应用对象。随着新材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的 发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。电容式传感器正 逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前 途的传感器。 3 1 2 电容传感器设计要点 在设计传感器的过程中j 针对电容式传感器易受外界干扰和寄生电容影响较 大等情况，进行了包括数据采集电路在内的屏蔽措施。此外为使传感器的成本低， 精度高，分辨率高，稳定可靠和具有好的频率响应等，本课题在设计时重点考虑 了以下问题n 引n ”。 ( 1 ) 减小环境温度，湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。 温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置以及润滑油的介电常数发生改 变，从而改变传感器的电容量，产生温度误差。湿度也影响油液的介电常数和绝 1 4 第3 章介电常数法油液监测电容传感器的工作原理 缘电阻值，因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝 缘材料具有高的绝缘性能。 ( 2 ) 消除和减小边缘效应。边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降