易 鳴,盛晨興,曾 卓,潘小飛

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.廣州機械科學研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

便攜式油液監(jiān)測裝置的設計

易 鳴1,盛晨興1,曾 卓2,潘小飛1

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.廣州機械科學研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

柴油機是船舶的心臟，其運行是否正常直接關系到船舶的航行和船員的安全。潤滑油的理化性能指標和磨損磨粒的濃度可以有效的反映柴油機的工作狀況。對潤滑油的黏度、水分等理化性能和磨損磨粒的信息進行實施監(jiān)測，可以對柴油機中重要摩擦副的磨損狀況作出評價，能夠一定程度上避免事故的發(fā)生。通常，對潤滑油的監(jiān)測是采取定期抽取油樣的方法，但是采用這種方法不僅不能準確掌握設備運行的磨損狀況，還會徒增人力物力的投入?；谏鲜銮闆r，文章介紹了一種便攜式油液監(jiān)測裝置的開發(fā)和應用。

柴油機；潤滑油；便攜式油液監(jiān)測裝置

隨著計算機技術(shù)、圖像識別技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，面對油液監(jiān)測的技術(shù)要求和離線檢測方法的不足，油液監(jiān)測技術(shù)自身所具有的特點吸引了許多國內(nèi)外機構(gòu)對其進行研究。起初油液監(jiān)測只是對油液污染度進行分析[1]，主要是分析潤滑油的理化性能指標如水分、黏度、閃點、酸值、機械雜質(zhì)等[2]。之后，油液監(jiān)測技術(shù)開始對油液中磨粒進行分析[3-4]，進入21世紀，在線油液監(jiān)測技術(shù)飛速發(fā)展，特別是在線油液監(jiān)測技術(shù)已在船舶上的廣泛應用，武漢理工大學的曹永開發(fā)出一套基于多方法綜合的船舶動力設備在線監(jiān)測智能故障診斷系統(tǒng)，并將其應用于實船運行中[5]。在機艙監(jiān)測系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)的在線油液監(jiān)測系統(tǒng)是其不可或缺的組成部分，也是船用柴油機最為重要的監(jiān)測手段之一。但是由于船用柴油機發(fā)生故障的型式很多，而且一種故障的發(fā)生常常伴隨著多種原因，因此在油液監(jiān)測過程中依靠單一參數(shù)常常不能精確地檢測到故障發(fā)生的部位以及原因，同時離線油液監(jiān)測送檢周期長，花費成本較高，不能實時在線獲取潤滑油理化狀態(tài)和攜帶磨粒信息。

為了實現(xiàn)油液監(jiān)測的便捷化、功能多樣化以及智能化，設計一套比較實用的便攜式油液監(jiān)測裝置，對油液采集數(shù)據(jù)進行分析，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況檢測到故障發(fā)生的原因并排除故障。

1 傳感器介紹

1.1 圖像可視的鐵譜傳感器

系統(tǒng)通過電磁鐵將潤滑油流道中的磨粒沉積在光學玻璃上，利用顯微攝像頭獲得沉積磨粒的靜態(tài)圖像，然后利用圖像處理技術(shù)獲取磨粒的濃度、顆粒度以及磨粒類型等特征。計算機控制主油路旁路電磁閥開啟；油液在回油壓力作用下進入鐵譜傳感器的流道；計算機通過RS232/485接口與單片機連接，控制電磁鐵供電電壓吸附鐵磁性磨粒。當采集完成，計算機控制透射光源開啟，圖像光信息經(jīng)過光學鏡頭放大后投射到CMOS圖像傳感器， 并通過USB串行通信將圖像信號送入計算機，并以24位的BMP格式存儲。

事物都有自己的表現(xiàn)形式和發(fā)生發(fā)展的軌跡，它的出現(xiàn)和發(fā)展都有一定的跡象可循，人們可以因此對事物進行精準的了解和判斷。對事物進行了解和判斷的能力就是覺察力。所謂覺察力，就是洞悉徹悟事物的發(fā)展規(guī)律、方向的高度預見性的一種本領和能力，是能夠以小見大、以心見性、見微知著、敏捷獨到的一種超前的感悟能力。[1]具有較強覺察力的人，能運用心理、思維的力量去了解事物，解開事物之間的因果關系。父母對家庭教育問題的覺察力，即父母發(fā)現(xiàn)家庭教育問題的能力，包括對家庭教育的狀況、存在的問題和產(chǎn)生原因等都能有所發(fā)現(xiàn)和認識，并洞察影響家庭教育的諸因素之間的相關關系，明察家庭教育的成效。

1.2 其他傳感器介紹

選用L-HM46抗磨液壓油，分別由傳統(tǒng)黏度儀和本文所設計的便攜式油液監(jiān)測裝置測量其黏度。便攜式油液監(jiān)測裝置測得的2組數(shù)據(jù)取均值與黏度儀所測的數(shù)據(jù)進行記錄對比。記錄的數(shù)據(jù)如表1所示。

2 便攜式油液監(jiān)測裝置的集成設計

臨床護理路徑(Clinical nursing pathway，CNP)是指醫(yī)院里一組成員共同針對某一病種的監(jiān)測、治療、康復和護理所制定的一個有嚴格工作程序、準確時間要求的照顧計劃，以減少康復的延遲及資源的浪費，使服務對象獲得最佳的醫(yī)療護理服務質(zhì)量［1］。它強調(diào)以服務對象為中心，以人為本的理念，使患者積極參與配合到整個醫(yī)療計劃中來，調(diào)動患者的主動性。我院泌尿外科采用臨床護理路徑方法在前列腺增生癥患者圍手術(shù)期中的應用，取得了較好的效果?，F(xiàn)報道如下。

監(jiān)測系統(tǒng)是采用離線取樣及主油路循環(huán)的方式來實現(xiàn)對柴油機潤滑油的狀態(tài)監(jiān)測及短時間連續(xù)性在線監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)包括取樣部分、信號采集控制部分和數(shù)據(jù)分析部分。監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)集成的組成

2.2 集成裝置的整個監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)集成包括監(jiān)測動力、油樣恒溫處理、傳感器集成協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)采集RAM(一種微處理器)開發(fā)、數(shù)據(jù)的傳輸存儲及解析顯示。實現(xiàn)了對設備磨損狀態(tài)的實時監(jiān)測,得到其在運行過程中的潤滑摩擦的相關數(shù)據(jù)；整個監(jiān)測過程采用閉路循環(huán)，監(jiān)測過的油樣重新返回系統(tǒng)，對油品不進行任何破壞性檢測；采用嵌入式RAM芯片組作為數(shù)據(jù)采集控制模塊的核心，完成采集、控制和傳輸?shù)裙δ堋?shù)據(jù)以圖片的形式對異常磨損進行采集和分析，為摩擦故障分析提供更為直觀的判斷依據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸和管理部分主要是將下位機、單板機采集到的傳感器信號通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰CPC，并將其存入上位機的數(shù)據(jù)庫供分析使用，同時實時顯示各個傳感器對油液的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況以及實時數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)管理軟件部分，需要對當前采集到的數(shù)據(jù)進行判斷，判斷其是否超過了設備要求的使用指標。主要通過2方面來判斷當前數(shù)據(jù)是否超過設備所要求的指標。一方面設定平均值閾值，另一方面設定實時數(shù)據(jù)峰值閾值。平均值閾值是判斷在多次測量過程中，數(shù)據(jù)變化的總體趨勢是否超過了被監(jiān)測的汽輪機油的運行指標要求；實時數(shù)據(jù)峰值閾值反映的是當前測量出的數(shù)據(jù)的變化幅度是否超過被監(jiān)測的汽輪機油的運行指標要求，因為實時測量的數(shù)據(jù)會是一個波動的過程，實時數(shù)據(jù)峰值閾值能夠保證波動的峰值不超過運行指標的要求。另外，數(shù)據(jù)傳輸和管理部分還要對各個傳感器采集到的歷史數(shù)據(jù)進行分析，從歷史數(shù)據(jù)中分析出汽輪機油變化的發(fā)展趨勢，預測汽輪機油的使用狀態(tài)和換油時間。

我國行政事業(yè)單位國有資產(chǎn)規(guī)模巨大，且以每年10%左右的速度增長，如何更加科學合理地管理這些“家底”非常重要。發(fā)達國家將公共資產(chǎn)稱為公共部門資產(chǎn)，由國家授予公共權(quán)力，并以社會的公共利益為組織目標，以法制化管理來規(guī)范程序，以嚴格制度執(zhí)行來確保公共資產(chǎn)的安全。21世紀以來為提高公共資產(chǎn)管理質(zhì)量，國外開始了一系列公共資產(chǎn)共享的研究，這對我國行政事業(yè)單位國有資產(chǎn)共享機制有著一定的借鑒意義。

在數(shù)據(jù)管理軟件部分，需要對當前采集到的數(shù)據(jù)進行判斷，判斷是否超過了設備的使用指標，主要通過兩方面來判斷當前數(shù)據(jù)是否超過了設備所要求的指標。一方面設定平均閾值，另一方面設定實時數(shù)據(jù)峰值閾值。平均閾值是判斷在多次測量過程中，數(shù)據(jù)變化的總體趨勢是否超過了被監(jiān)測設備潤滑油的運行指標要求；實時數(shù)據(jù)峰值閾值反映的是當前測量出的數(shù)據(jù)變化幅度是否超過被監(jiān)測設備潤滑油的運行指標要求，因為實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)會是一個波動的過程，實時數(shù)據(jù)峰值閾值可以保證波動的峰值不超過運行指標的要求。另外，數(shù)據(jù)傳輸和管理部分還要對各個傳感器采集到的歷史數(shù)據(jù)進行分析，從歷史數(shù)據(jù)中預測設備油液變化的發(fā)展趨勢，預測設備油液的使用狀態(tài)和換油時間。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)流程圖

取樣部分由潤滑油主輸油管，輸油齒輪泵，在線監(jiān)測系統(tǒng)進油支管，緩沖油池，水分和溫度聯(lián)合傳感器，在線鐵磁傳感器，在線鐵譜傳感器和黏度、密度、介電常數(shù)、溫度四合一傳感器構(gòu)成。其中，監(jiān)測系統(tǒng)所實時監(jiān)測的油液通過在線監(jiān)測系統(tǒng)進油支管和在線監(jiān)測系統(tǒng)回油支管從潤滑油主輸油管流入到在線監(jiān)測系統(tǒng)中并流回。在線監(jiān)測系統(tǒng)中，潤滑油被分為兩路，其中一路進入到緩沖油池，另外一路直接與在線鐵磁和鐵譜傳感器相連。在緩沖油池中安裝有2個油液特性的傳感器，一個是水分和溫度聯(lián)合傳感器，另一個是黏度、密度、介電常數(shù)、溫度四合一傳感器。水分和溫度聯(lián)合傳感器用于測量潤滑油液中含水量的大小，四合一傳感器用于測量潤滑油的流體特性參數(shù)，主要用來監(jiān)測潤滑油的黏度、密度和介電常數(shù)等。

信號采集控制部分由ADC數(shù)據(jù)采集卡、齒輪泵、聲光報警裝置、硬盤和下位機、單板機構(gòu)成。前述的各種傳感器中水分傳感器輸出的信號為模擬信號，通過ADC數(shù)據(jù)采集卡采集到下位機、單板機，四合一傳感器通過CAN2.0接口采集到下位機、單板機，鐵磁傳感器的數(shù)據(jù)通過RS232串行接口輸入到下位機、單板機，當鐵磁傳感器發(fā)現(xiàn)金屬顆粒數(shù)目異常時，RAM芯片組反饋給在線鐵譜傳感器供電，下位機、單板機通過RS232/485接口與單片機連接，控制電磁鐵供電電壓吸附鐵磁性磨粒。當采集完成，下位機、單板機控制透射光源開啟，圖像光信息經(jīng)過光學鏡頭放大后投射到CMOS圖像傳感器，并通過USB串行通信將圖像信號送入下位機、單板機，并以24位的BMP格式存儲。下位機、單板機根據(jù)獲取傳感器信號的分析結(jié)果做出相應的控制，主要是根據(jù)測量的需求調(diào)整和控制齒輪泵的流量，以及根據(jù)監(jiān)測的油液指標是否超過設定的閾值來決定聲光報警裝置是否執(zhí)行報警動作。

以高集成SOC處理器RAM Cortex-M4及DSP雙內(nèi)核STM32F407VCT6為主控系統(tǒng)，實現(xiàn)磨粒顯微圖像、電壓、電流信號的接收和采集，并通過TCP/IP無線協(xié)議將異構(gòu)信號同步傳輸至控制室數(shù)據(jù)中心。液晶顯示屏給出用戶界面信息，包括金屬顆粒污染量、黏度變化曲線、水分超標報警、磨損量曲線，以及實時磨粒圖像。其中實時數(shù)據(jù)可同時輸入DS證據(jù)模型，給出故障或者異常發(fā)生源，而磨粒圖像則存儲或者通過以太網(wǎng)輸送至專家診斷終端。

3 試驗驗證

便攜式油液監(jiān)測裝置中還包含LubCosH2O+Ⅱ在線水分傳感器、OPCom FerroS鐵磁傳感器和FPS2802ULC4型號的四合一傳感器，分別可以實現(xiàn)油液濕度和溫度的變化、磁性磨損顆粒濃度和油液的溫度、黏度、介電常數(shù)以及密度的測量。

表1 L-HM46抗磨液壓油黏度數(shù)據(jù)

將上述試驗所記錄的平均黏度和溫度數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)擬合軟件進行曲線擬合得出不同溫度下所測油品黏度的擬合曲線如圖2所示。

電源結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。火電裝機占比由2015年約75%下降至2030年的66%，新能源裝機占比由2015年的3%大幅提高至10.5%。

圖2 不同溫度下所測油液黏度的擬合曲線圖

結(jié)果顯示：便攜式油液監(jiān)測裝置所測黏度與黏度計實測黏度之間有一定的誤差，考慮到運動黏度測定儀測量油液黏度過程中，油樣的溫度會偏高或者偏低，導致黏度計實測的油液黏度會相比裝置所測的油液黏度偏小或偏大。綜合外界環(huán)境等各方面的因素，實驗所記錄的裝置所測黏度與黏度計實測黏度之間的誤差在允許范圍之內(nèi)。

碼頭拆除前，施工船舶在碼頭附近開挖拋錨較為困難，可采用拋設備用錨的方式：乘高潮時用錨艇將備用錨拋至碼頭后方，將錨上的鋼絲繩引至碼頭海側(cè)放置，并設置浮標標示，抓斗船拋錨時，將船上錨纜與已拋備用錨錨纜對接即可。在碼頭沉箱拆除一段后，錨艇可正常出入碼頭后方，此時可直接采用錨艇將錨拋至碼頭后方，不再需要拋設備用錨。

4 結(jié)束語

便攜式油液監(jiān)測裝置是一款檢測快速的小型化、輕量化油液檢測設備。設備是工程機箱型式，可方便進行數(shù)據(jù)綜合查詢、數(shù)據(jù)USB傳輸、系統(tǒng)升級等；能以數(shù)字、圖表等方式彩顯NASISO污染度等級數(shù)，適合于現(xiàn)場油液檢測使用。裝置能夠及時獲得油液溫度、密度、黏度、水分、鐵磁含量和磨粒圖像信息，幫助工作人員正確分析油液污染情況，及時判斷機械零件的工作狀況。

[1] Prabhakaran Anand, Jagga C.R .Condition monitoring of steam turbine-generator through contamination analysis of used lubrication oil[J].Tribology International ,1999,32(3):145-152.

[2] 李柱國. 機械潤滑與診斷[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[3] 嚴宏志，張亦軍. 一種磨粒在線監(jiān)測傳感器的設計及其特性分析[J].傳感技術(shù)學報，2002(4)：333-338.

[4] 張小剛. 面向在線油液監(jiān)測的微量水分和磨粒傳感器研究[D].西安：西安交通大學，2013.

[5] 曹永. 船舶柴油機綜合在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

Through viscosity of lubricating oil, water, some other physical & chemical properties and the wear of abrasive implementation of monitoring information, comment can be made on equipment wear, to a certain extent, to avoid accidents. Under normal circumstances, oil-sampling should be taken periodically for detecting abnormal wear, but the use of this approach can' t grasp the state of the wear in equipment operation accurately with investment of energy consumption, manpower and material resources increased.Based on this, the portable oil monitoring device introduced in its development and application.

diesel engine; lubricating oil; portable oil monitoring device

易鳴(1992-)，男，湖北荊門人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶油液在線監(jiān)測。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.009

2017-03-28