油液监测技术研究的综述

1、油液监测技术研究的综述李丹奇机 0801-1 20080525【摘要】本文综述了油液监测技术的国内外研究现状，讨论了油液监测方法的最新进展，认为油液监测技术的研究热 点是在线油液监测方法、磨粒自动识别技术和基于油液监测的智能诊断系统的研制与开发。在论述当前油液监测技 术存在问题的基础上，提出了油液监测技术的基础研究和应用研究的未来方向。【关键字】油液监测方法故障诊断技术可靠性工程设备管理1前言人类运用摩擦、磨损、润滑方面知识的记载，可以追溯到公元前3000多年。但人们对润滑剂的 检测却较运用润滑剂的历史短得多，通过润滑剂实现对机器工况和故障的监测与诊断则更晚，只是 20世纪的事情。最初的油液监

2、测源于油污染分析（oil contamination analysis）,主要是通过油品理 化指标的常规检测，反映油品的质量和评价油品的润滑性能。当时这类分析常作为石油公司产品销 倍后的技术服务项目而进行。1941年美国铁路行业的denver rio grande和westen railroad公司首次 采用光谱分析方法检测在用内燃机车润滑汕中的磨粒元素种类和含量。随着60年代工业界对监测与 诊断技术的需求，特别是70年代初，铁谱技术的问世，油液监测技术与其他监测方法一样，产生了 飞速的发展。通过80年代学术界和工业界的积极探索，油液监测技术已成为设备诊断技术体系中与 振动监测、温度监测、性能

3、参数监测共同发展的主要方法之一。进入90年代以后，汕液监测技术正 日益朝着多种方法集成、在线与离线并举、监测诊断维修管理融为一体和方法与仪器的智能化方向 发展，取得了不少令人振奋的进步。油液监测技术是通过分析被监测机器的在用润滑剂（或工作介质）的性能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。这一技术的工业应川表明：汕液监测技术适用于低速重载、坏境恶劣（如噪音人、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的监 测。国内外实施油液监测所获得的经济效益推动着这一技术的发展和

4、完善。通常，油液监测可以延 长设备的换汕期或者正确选用润滑剂而取得效益，更重要的是通过及时预报潜在的故障避免灾难性 损坏或者使处于正常运转的设备减少不必要的维修而增加产值和效益。1992年对我国94个单位开 展铁谱技术应用的调查表明：由于采用铁谱监测技术增加的产值达3815万元，节约费用8451万元。2方法的发展最初的汕液监测只是汕污染分析，主要是分析汕品的理化指标如粘度、水分、酸值、闪点、机 械杂质等，通常采用石油产貼性能指标测定方法対在用润滑剂进行检测，以评价其质量的变化。工 业化生产的发展使机器越來越大型化、复杂化和连续化，对机器的维修要求越來越高，因此，机器 故障诊断技术应运而生，促使

5、了人们积极开发基于油液监测的诊断方法。首先，人们注重了在用润 滑油中携带的磨损微粒和污染物微粒，因此，将光谱分析移植用于在用润滑油中磨粒元素和含量的 分析，通过获得磨粒元素种类和含量的信息，对取样机器的磨损状况作出解释，这一方法的应用， 开拓了油液监测从磨粒这一信息载体获得机器故障的先例。60年代中期，油液颗粒自动计数器成为 商品，由此产生了汕液监测屮颗粒计数法，这种方法可获得一个数字化的分析结果，用于评价取样 机器汕品污染的程度。70年代初，铁谱技术问枇并很快在机器的故障诊断屮得到了m用。由于这一 技术可以全面地分析磨粒的浓度、尺寸分布、形貌和成分，因而丰富了油液监测中磨粒分析的内涵, 并产

6、生了 “微粒摩擦学”的概念。80年代起，油液监测工作者应用红外光谱仪检测在用润滑油添加 剂残留程度和污染物包括水、渗漏产物（积炭）、化学冷却剂（乙二醇）以及未燃烧的燃料，以反映山硝 化、氧化、硫化引起的润滑汕变质情况。尤具是傅立叶变换红外光谱仪的岀现，更是促进了汕液监 测技术这一方而的发展。进入90年代，利用气和色谱和质谱仪测定在用润滑汕的组分变化也有报道。 综观油液临测技术的发展过程不仅其分析方法在不断增加，而几从在用润滑油中得到的信息也在逐 渐扩大。3仪器研制与功能完善3.1便携式仪器的研制1）以润滑油理化分析为主的代表性产品有：润滑油污染度指数测定仪、数显粘度计和润滑油分 析工具箱。2）

7、在磨粒分析方面研制过ytc1型汕液含铁量检测仪（铁量仪）、56型磨损微粒分析仪、lcmii 型油污染监测仪、dca便携式油液监测器、oilview 5100型便携式油品分析仪和便携铁磨粒测定仪。3.2在线监测仪器的开发先后岀现过不同原理的在线监测仪，其屮比较有代表性的仪器和方法是：流体工况监测仪（fluid condition monitor, fcm）、定量磨粒监测器（quantitative debris monitoring, qdm）、金属微粒检测仪 （metal particle detector, mpd）在线示踪法磨粒测虽仪、在线铁谱仪、声发射磨粒临测技术、超声波 磨粒监测方法、

8、利用光学磨粒传感器的实吋油液诊断系统、磨粒图像在线识别系统、ferroscan和 metalscan在线监测仪等，这些仪器或方法有的已投入实际应用，有的尚是实验室条件下试验样机, 与商品化还有一定距离。3.3实验室分析仪器功能扩充实验室油液监测仪器功能的完善和扩充主耍侧重于磨粒分析仪器方面。铁谱技术先后产生了分析铁谱仪，直读铁谱仪，在线铁谱仪和旋转铁谱仪以及颗粒定量仪等产 品。以美国predict公司的产品为例，分析铁谱仪已市最初的蠕动泵输送汕样改进为由气体压力输送 汕样的iv型分析铁谱仪。肓读铁谱仪的dl和ds测定值可以利用ferrotrend软件肯接输入计算机的 数据库中。iv型铁谱显微镜

9、已取消光密度读数的测量装置，而增加了采集磨粒图像的ccd,并研制 了与之相配的fast软件和fast plus软件。光谱油料分析方法则主要致力于提高分析颗粒的尺寸范围，以扩大光谱仪的使用场合。4研究热点及存在问题近年來，汕液监测技术领域的研究和开发的热点集屮在在线汕液监测方法，磨粒自动识别技术 和基于油液监测的智能诊断系统这三个方而。4.1在线油液监测方法口迄今为止，在线油液监测方法的原理主要有：磁性法、计数法、材料特征法等。磁性法包括磁性吸附、磁通量和磁矩测量等原理制成的仪器。计数法是采用较多的-种在线磨粒监测方法，通常有光线遮断法和光扫描法等，这两种方法遇 到气泡和水雾会引起读数的干扰。微

10、孔阻尼原理是一种新型的计数法，它可以克服光线遮断法和光 扫描法的不足。其原理是：汕样流经一精确标定过的滤网，大于网眼的颗粒都会沉积卜-来，由于微 孔的阻档作用，流量便会降低，最后小颗粒填充在人颗粒的周阳，进一步阻滞了液流，结果形成一 条流降和时间的关系曲线，通过数学模型可把该曲线转换为颗粒大小的分布曲线。材料特征法是近年来发展的在线磨粒监测方法。上面提到的磁性法无法对非铁磁磨粒和外界污 染物颗粒进行测定，计数法根本无法获得磨粒材质的信息。开发-种既能提収磨粒浓度、形态特征, 乂能提取磨粒成分特征的在线汕液监测技术的是工业界所企盼的。超声波磨粒在线监测是国外已有 专利报道的一种利用材料物性实现磨

11、损监测的方法，这一方法利用传感器发射超声波，根据不同材 质、形状和尺寸的磨粒会对超声波冇不同波形反馈的原理，实现懒粒的在线监测。冃前这种方法尚 未见到实际应用的报道，不同材质、形状和尺寸的磨粒对超声波会有不同反馈的理论分析还有待在 实际监测中真正获収和实现。4.2磨粒的自动识别技术磨粒识别是油液监测技术中最具特色的铁谱分析的核心，口铁谱技术产生以来，辭粒识別始终 是通过分析人员借助显微镜观察來实现，这一分析依赖于分析人员的知识、经验的多少乃至粹神状 态的好坏，同时乂是一项枯燥费时的操作。因此，把计算机技术、图像分析技术、模式识别技术用 于臥粒的识别，以实现磨粒的白动识别已成为目前国内外汕液监测

12、技术工作者致力开扌石的前沿研究 工作。自从八十年代初roylance和pocock将图像处理方法运用到铁谱分析以來，近年來已冇不少 研究者对磨粒的计算机识别作了有益的探索。这里着重介绍辭粒图彖的特征获取和分类的研究。 4.2.1像粒图像的特征获取英国 university of sales 的 roylance 等人和澳大利亚 university of western australia 的 stachowiak 等人进行了长期的艰苦工作，取得了一系列的研究成果。国内清华大学、北京科技大学、北方交通 大学、武汉工学院、南京航空航天大学、武汉大学和武汉交通科技大学在这方面也进行许多积极的 探索

13、。国内外研究的内容主要体现在：磨粒形态学参数测量、分形理论、神经网络和小波分析方法 的应用；计算机辅助视觉(cave)和激光扫描共焦显微技术(lscm)的开发。4.2.2磨粒图像分类roylance等人在总结前人的研究成果的基础上，开发出了计算机辅助微粒分析的caspa系统, 该系统对磨粒形态(轮廓形状、边缘细节和表面纹理)、颜色、粒度和厚度等信息进行系统的分析，综 合专家的知识和经验，将现有磨粒的形貌分为六类特征，数种形式，为每种磨粒确定了名称及形貌 特征，制定了一系列的规则，操作人员运用人机对话，由计算机检索已存储的专家知识，进行合理 的匹配，然后得出磨粒识別的结论。国内也有单位开展过类似

14、的研究。roylance等人还利用计算机 辅助视觉工程(cave)的思想完善了 caspa系统的功能，并首次将神经网络引入了铁谱的图像处理 屮。北京科技大学崔屹将计算机图像分析技术和人工智能理论与方法引入到磨粒分析屮，建立了基 于黑板的铁谱图像解解系统的模型，取得了一些很有意义的研究成果，但离实用还有较远的距离。 在磨粒图像自动识别研究中，还开展过磨粒图库的开发。尽管磨粒自动识別这一研究方向吸引了众多的研究作者积极去开拓，但是并没有取得突破性的 进展。目前，磨粒识别的四个环节的工作仍然无法离开分析人员而进行。实则上，磨粒识別是图像 处理、计算机视觉和人工智能理论发展和应用的综合研究课题，只有当

15、人工视觉技术有了更进一步 的成果后，这一研究才有望得到较好解决。4.3基于油液监测的智能化诊断系统的开发随着计算机技术的发展，利用这一工具实施汕液监测是工业应用的基本条件。人们在努力追求油液监测技术的智能化过程中，积极开发应用于油液监测屮的数据库、数据处理程序、辅助诊断系 统和特定对象的诊断专家系统。1）数据库应用2）数据处理程序3）基于油液临测的辅助诊断系统的开发目前，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硏所正积极 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 件包涉及到汕液诊断模式子库,实川程序子库和诊断知识信息子

16、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汕液监测诊断的辅助系统。4）基于油液临测的故障诊断专家系统的研制除了在磨粒h动识别屮提到的用于磨粒识别的专家系统外，这里着重概述针对被监测对象的磨 损故障的油液监专家系统。19851987年加拿大人工智能产品公司（canadian artifical intelligence products,简称caip）为加拿人太平洋铁路公司（蒙特利尔）开发了一套柴汕机润滑汕的专家系统 （diesel lube oil expert system）,该系统包扌舌光谱汕料分析的数据和汕品理化分析数据，设计了与这 两方面数据冇关的500余

17、种规则，用以判断柴油机的屛损状态。此后caip 乂推出了功能更强的发 动机诊断利维修系统（engine diagnosis and maintenance sysem,简称edms）。它由个驱动程序， 一个专家系统和一个数据库这三部分组成，用于解释润滑油光谱分析和理化指标分析的结果。西安交通人学针对柴汕机的“拉缸”和“拉瓦”故障，利卅专家系统开发工exsys,建立了基 于铁谱、光谱、润滑汕理化分析的柴汕机磨损状态监测与故障诊断专家系统（fdexsys, v1.0）,特 别注重解决各类知识的介理匹理问题，整理了 70多条诊断规则。1994年，北京科技大学李忠等人 提出了基于磨粒分析的设备智能磨损

18、监测少诊断系统（wmds）的开发设想。5未来的研究方向现代科学技术特别是计算机技术的飞速发展为油液诊断技术的发展提供了良好的契机，油液监 测技术必将朝着集成化、智能化、在线化方而发展。其对能的研究方向为：5. 1基础研究口1）机器润滑系统中磨粒浓度的数学模型，这里包括磨粒生成机理、运动轨迹、工况负荷变化吋 磨粒牛.成与损耗的动态过程等问题。直接测量真实润滑系统中磨粒浓度的变化并找出莫规律是很有 价值的试验研究。2）多传感器信息融合思想在汕液监测方法之间和汕液监测方法与其他监测方法（如振动监测、温 度监测、性能参数监测等）z间的应用与发展，以提高油液监测的准确率。3）磨粒口动识別技术的开拓，努力将信息处理技术、计算机软、硬件技术、人工智能和视觉工 程的最新成果与之和结合，针対磨粒的特征，探索识别机制和方法。4）开发实用、新型、原理集成的在线监测仪器和技术。5.2应用研究1）开发基于多种油液监测方法的故障诊断专家系统，一方而，通过建立不同油液监测方法对不 同故障的特征描述的差异（或贡献度不相同），找出故障的敏感参数；另一方面，通过积累实际跟踪监 测经验，整理诊断规则，运用模糊诊断、神经网络、