摘要：為發(fā)揮齒輪油的最大功效，提升用戶運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益，開(kāi)發(fā)了一種商用車(chē)傳動(dòng)系油品在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒輪油狀態(tài)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)按質(zhì)換油。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同溫度下齒輪油的動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度之間呈現(xiàn)強(qiáng)線性關(guān)系，粘度計(jì)算的過(guò)程中可以用動(dòng)力粘度取代運(yùn)動(dòng)粘度；介電常數(shù)隨溫度、水含量、Fe含量、酸值含量規(guī)律變化，驗(yàn)證了介電常數(shù)作為齒輪油品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性，為齒輪油多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)提供了試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè) 齒輪油粘度 介電常數(shù)

中圖分類號(hào)：U467.4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240030

Research on On-Line Monitoring Technology of Commercial Vehicle Transmission and Drive Train Oils

Abstract： In order to maximize the efficiency of gear oil and improve the transportation efficiency and economic benefits of users， an on-line monitoring technology of commercial vehicle transmission and drive train oils is developed to monitor the status parameters of gear oil in real time to change oil according to its quality. The test results show that there is a strong linear relationship between dynamic viscosity and kinematic viscosity of gear oil at different temperatures， and dynamic viscosity can replace kinematic viscosity during viscosity calculation. The variation of dielectric constant with temperature， water content， Fe content and acid value content is obvious， which verifies the feasibility of using dielectric constant as a comprehensive evaluation index of gear oil quality， and provides the experimental research basis for multi-parameter online monitoring of gear oil.

Key words： On-line monitoring， Gear oil viscosity， Dielectric constant

1 前言

近年來(lái)，商用車(chē)逐漸向大型化、高速化和節(jié)能化方向發(fā)展，動(dòng)力總成的安全診斷，特別是健康管理技術(shù)快速發(fā)展。變速器和驅(qū)動(dòng)橋均屬商用車(chē)三大總成之一，其故障率與齒輪油污染密切相關(guān)。當(dāng)前采用的定周期或里程的保養(yǎng)模式存在齒輪油利用不充分的問(wèn)題，易造成油品性能浪費(fèi)。另外，當(dāng)箱橋總成出現(xiàn)異常磨損時(shí)，齒輪油存在提前失效的風(fēng)險(xiǎn)，從而帶來(lái)安全隱患[1-2]。

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可為變速器和驅(qū)動(dòng)橋提供主動(dòng)性的潤(rùn)滑保護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并發(fā)出預(yù)警，從而根據(jù)齒輪油的實(shí)際劣化程度為用戶提供準(zhǔn)確的換油周期，降低傳動(dòng)系總成故障風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)避免因商用車(chē)的實(shí)際工況不同而造成的浪費(fèi)?，F(xiàn)有的齒輪油在線監(jiān)測(cè)技術(shù)控制模型及功能過(guò)于單一，缺乏對(duì)換油指標(biāo)的反饋，未能反映齒輪油的劣化程度，影響了診斷結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，且存在技術(shù)成熟度低、電控系統(tǒng)成本高的問(wèn)題，阻礙了其在商用車(chē)上的推廣應(yīng)用[3-4]。

FPS2800傳感器是當(dāng)前較為先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)傳感器，利用其特有的音叉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流體的溫度、密度、介電常數(shù)、粘度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。音叉的主要材料是壓電晶體，晶體表面有電極，當(dāng)傳感器處于供電狀態(tài)時(shí)，音叉會(huì)以一定的頻率諧振。當(dāng)音叉浸沒(méi)在潤(rùn)滑油中時(shí)，其表面所附油介質(zhì)的有效質(zhì)量發(fā)生變化，諧振頻率也隨之發(fā)生變化，利用密度與有效質(zhì)量的關(guān)系、有效質(zhì)量與諧振頻率偏差的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對(duì)油介質(zhì)密度的測(cè)量。隨著油品粘度的變化，音叉的等效電路的阻抗特性也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，通過(guò)電容值與介電常數(shù)之間的映射關(guān)系可測(cè)得油液的介電常數(shù)。潤(rùn)滑油的溫度通過(guò)傳感器內(nèi)部的電阻式溫度計(jì)測(cè)得。FPS2800系列傳感器基于控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線的J1939協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于與主控設(shè)備之間通信[5-6]。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本研究選用FPS2800油品品質(zhì)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪油粘度、密度、介電常數(shù)、溫度的多通道全方位監(jiān)測(cè)，從而分析齒輪油在運(yùn)行過(guò)程中的變化特性。

2 試驗(yàn)研究

根據(jù)重負(fù)荷車(chē)輛齒輪油換油指標(biāo)，造成油品失效的主要指標(biāo)有運(yùn)動(dòng)粘度（100 ℃）變化率、水含量、Fe含量、酸值等。運(yùn)動(dòng)粘度（100 ℃）是齒輪油高溫性能的指標(biāo)，是流體動(dòng)力潤(rùn)滑最為重要的物理特性，粘度大則耐負(fù)荷能力強(qiáng)，但給循環(huán)潤(rùn)滑帶來(lái)困難，增加運(yùn)動(dòng)阻力，導(dǎo)致發(fā)熱和動(dòng)力損失。因此，車(chē)輛齒輪油粘度需控制在合理范圍內(nèi)，使齒面溫度及摩擦熱量保持在合理的水平，確保對(duì)齒輪的有效保護(hù)，從而延長(zhǎng)油品壽命。

水分會(huì)促進(jìn)齒輪油乳化，降低粘度和油膜強(qiáng)度，促使齒輪油氧化變質(zhì)，加重酸性物質(zhì)對(duì)齒輪表面的腐蝕，同時(shí)使油品中的添加劑失效。Fe是齒輪油中常見(jiàn)的金屬成分，主要來(lái)源于齒輪的磨損，F(xiàn)e含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致齒輪表面出現(xiàn)鐵銹和磨損，鐵銹會(huì)沉淀在齒輪表面，影響潤(rùn)滑效果，降低齒輪的使用壽命，監(jiān)測(cè)Fe含量可直觀反映出齒輪的磨損程度。酸值是保證齒輪不受腐蝕的指標(biāo)之一，在使用過(guò)程中，因氧化分解作用，酸值不斷提高，當(dāng)酸值過(guò)高時(shí)，齒輪油的腐蝕性會(huì)隨著酸值的提高而變大，傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗也會(huì)隨之增大，因此，應(yīng)及時(shí)更換新油。

本研究搭建了齒輪油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)油樣進(jìn)行理化性能檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)齒輪油衰變程度。實(shí)驗(yàn)室齒輪油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、上機(jī)位等。當(dāng)油液流過(guò)傳感器時(shí)，完成數(shù)據(jù)的采集，再通過(guò)CAN總線發(fā)送到主板上，經(jīng)過(guò)主板上的485信號(hào)將數(shù)據(jù)傳到上機(jī)位，通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)查看油液的狀態(tài)參數(shù)，如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同溫度下齒輪油動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度的關(guān)系

粘度是衡量齒輪油潤(rùn)滑能力的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)油液流過(guò)齒輪表面時(shí)，持續(xù)的局部高溫會(huì)使油品氧化，機(jī)油的粘度變化是反映齒輪油質(zhì)量狀態(tài)及剩余壽命的重要指標(biāo)之一。實(shí)際應(yīng)用中，在線監(jiān)測(cè)的齒輪油粘度是某一工況溫度下的實(shí)時(shí)粘度，目前國(guó)標(biāo) GB/T 30034—2013《重負(fù)荷車(chē)輛齒輪油（GL-5）換油指標(biāo)》是參照100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度規(guī)定的，因此，需要把在線監(jiān)測(cè)的齒輪油實(shí)時(shí)粘度換算成100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度。

由于FPS2800傳感器所測(cè)粘度為動(dòng)力粘度，因此，需要研究不同溫度下齒輪油動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度之間的關(guān)系。取不同溫度下的動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度值，同一溫度點(diǎn)多次測(cè)量后取平均值，將二者的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算線性關(guān)系的回歸系數(shù)，如圖2所示。

由圖2可知，不同溫度下齒輪油的動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度之間呈現(xiàn)很強(qiáng)的線性關(guān)系，線性擬合的回歸系數(shù)R2達(dá)到99.73%。因此，在后續(xù)粘度建模中可用動(dòng)力粘度直接取代運(yùn)動(dòng)粘度，降低在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算量，提高了系統(tǒng)粘度測(cè)量的精確度。

3.2 100 ℃實(shí)時(shí)粘度測(cè)量

目前黏溫模型較多，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)ASTM D341-17 Standard Practice For Viscosity-Temperature Charts For Liquid Petroleum Products中Walther公式在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有較強(qiáng)的通用性：

[lnln（v+0.7）=a+bln（T+273.15）]" （1）

式中：v為運(yùn)動(dòng)粘度，T為溫度，a、b為常數(shù)。

當(dāng)FPS2800傳感器在溫度T1時(shí)測(cè)得粘度值vT1后，可得到第1組黏溫方程：

[lnln（vT1+0.7）=a+bln（T1+273.15）] （2）

當(dāng)FPS2800傳感器在溫度T2時(shí)測(cè)得粘度值vT2后，可得到第2組黏溫方程：

[lnln（vT2+0.7）=a+bln（T2+273.15）]" " "（3）

由式（2）和式（3）可得a、b的值，記作a1、b1，即式（1）換算為：

[lnln（v+0.7）=a1+b1ln（T+273.15）]" " " （4）

將T=100 ℃代入式（4）中，即可得到100 ℃時(shí)齒輪油油質(zhì)改變狀態(tài)下的粘度值v1。

多次循環(huán)采用以上方法，即當(dāng)系統(tǒng)FPS2800傳感器在溫度為T(mén)3時(shí)測(cè)得粘度值vT3，再將數(shù)值代入Walther公式，然后與上一溫度下的公式聯(lián)合求解即可得到新一組的a、b常數(shù)值，再將T=100 ℃代入新得到的公式中，依此類推，即可得到100 ℃時(shí)任意時(shí)刻齒輪油油質(zhì)改變狀態(tài)下的粘度值。

圖3、圖4為2款換油里程為20×104 km的油品A與油品B新油黏溫曲線，均為某主機(jī)廠變速箱及車(chē)橋現(xiàn)生產(chǎn)使用油品。受限于FPS2800傳感器的粘度測(cè)量范圍，二者黏溫曲線的溫度范圍為60～130 ℃，由圖3、圖4可知，油品A與油品B的黏溫曲線變化趨勢(shì)大致相同，油品A的粘度略高于油品B，與使用離線儀器所測(cè)的粘度結(jié)果相吻合。另外，在線所測(cè)新油粘度數(shù)據(jù)為后續(xù)行車(chē)油品粘度的判定提供了很好的參考，提高了粘度數(shù)據(jù)的可信度。

由于不同溫度下齒輪油的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度間呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，因此，可用動(dòng)力粘度代替運(yùn)動(dòng)粘度進(jìn)行判定。結(jié)合之前大量行車(chē)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定系統(tǒng)粘度的預(yù)警值PV和報(bào)警值A(chǔ)V：

式中：v2為100 ℃時(shí)齒輪油實(shí)時(shí)狀態(tài)下的粘度值，v1為100 ℃時(shí)齒輪油新油狀態(tài)下的粘度值。

3.3 齒輪油狀態(tài)參數(shù)對(duì)介電常數(shù)的影響

通過(guò)試驗(yàn)研究溫度對(duì)齒輪油介電常數(shù)的影響，將齒輪油從50 ℃加熱至100 ℃，采用FPS2800傳感器測(cè)得溫度和介電常數(shù)，繪制齒輪油介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，介電常數(shù)隨溫度的升高緩慢減小。在溫度小幅度變化時(shí)，介電常數(shù)變化較小，可忽略溫度的影響。當(dāng)溫度變化較大時(shí)，對(duì)介電常數(shù)和溫度進(jìn)行線性擬合，利用關(guān)系式將不同溫度下的介電常數(shù)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換即可。

當(dāng)車(chē)輛在潮濕環(huán)境中行駛時(shí)，因存在熱呼吸，停車(chē)氣溫降低，吸入的水分冷凝在齒輪表面，造成齒輪表面銹蝕和添加劑損失。水的介電常數(shù)比齒輪油的介電常數(shù)大，如果齒輪油中混入少量水分，會(huì)引起介電常數(shù)的明顯變化。采用FPS2800測(cè)得齒輪油介電常數(shù)與水含量的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，隨著水含量的增大，齒輪油的介電常數(shù)增大。當(dāng)水含量小于0.5%時(shí)，介電常數(shù)隨水含量的增長(zhǎng)而急劇增長(zhǎng)，二者基本上呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)水含量大于0.5%時(shí)，隨著水含量的增長(zhǎng)，介電常數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。FPS2800傳感器對(duì)水含量的靈敏度很高，水含量的微小增加就會(huì)造成傳感器介電常數(shù)讀數(shù)的迅速增大。

隨著車(chē)輛行駛里程的增加，齒輪表面的摩擦磨損不斷加劇，從而造成齒輪油中Fe含量的不斷上升。Fe是影響齒輪油性能的重要污染因素，其以Fe離子的形式分布在齒輪油中，造成介電常數(shù)的改變。齒輪油介電常數(shù)與Fe含量的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，隨著強(qiáng)導(dǎo)電性的Fe元素含量增大，齒輪油的介電常數(shù)呈上升趨勢(shì)。與水相比，F(xiàn)e含量對(duì)介電常數(shù)的影響并不明顯，這是由于雖然Fe為良性導(dǎo)體，但其擴(kuò)散能力和表面的附著能力都遠(yuǎn)不如水。另外，隨著齒輪油中Fe含量的增加，介電常數(shù)的增加趨勢(shì)有所放緩。

變速器和車(chē)橋在運(yùn)行過(guò)程中，齒輪油中的部分碳?xì)浠衔锓肿颖谎趸伤?，添加劑也被逐漸消耗，使得油中的游離酸含量增加，加重了對(duì)齒輪表面的腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品老化，不利于其正常工作。隨著齒輪油中游離酸含量增加，在外電場(chǎng)作用下，酸中的H+和RCOO-離子發(fā)生離子極化，形成內(nèi)電場(chǎng)抵消外電場(chǎng)強(qiáng)度，從而對(duì)齒輪油的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。齒輪油介電常數(shù)與酸值含量的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，隨著齒輪油酸值的上升，齒輪油的介電常數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)。雖然酸值同樣造成介電常數(shù)的增大，但相對(duì)水含量和Fe含量，酸值對(duì)介電常數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。FPS2800傳感器對(duì)酸值的靈敏性不高，酸值的上升并不會(huì)引起介電常數(shù)的明顯升高。

通過(guò)上述試驗(yàn)分析，確定了齒輪油介電常數(shù)與常用理化性能指標(biāo)之間的變化規(guī)律，驗(yàn)證了齒輪油水含量、Fe含量以及酸值與齒輪油介電常數(shù)變化趨向的一致性，證明了用介電常數(shù)作為評(píng)價(jià)齒輪油衰變程度的綜合指標(biāo)是可行的，可采用容錯(cuò)率好的反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)齒輪油品質(zhì)進(jìn)行綜合判斷。在本模型中，第1級(jí)建立4個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別將校正后的粘度、酸值、Fe含量和水含量作為輸入?yún)?shù)，第2級(jí)是對(duì)不同類型參數(shù)進(jìn)行特征提取與FPS2800傳感器實(shí)測(cè)參數(shù)建立映射關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)得到的閾值進(jìn)行正常、預(yù)警、報(bào)警3個(gè)等級(jí)劃分，從而得到齒輪油品質(zhì)的判定結(jié)果。

4 結(jié)論

a. 不同溫度下齒輪油的動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度之間呈現(xiàn)強(qiáng)線性關(guān)系，粘度計(jì)算的過(guò)程中可以用動(dòng)力粘度取代運(yùn)動(dòng)粘度，大幅降低在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算量。

b. 隨齒輪油水含量、Fe含量和酸值升高，介電常數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，三者對(duì)介電常數(shù)的影響程度依次為：水含量、Fe含量、酸值含量。

c. 齒輪油水含量、Fe含量以及酸值與介電常數(shù)的變化趨向一致，證明了用介電常數(shù)作為評(píng)價(jià)齒輪油衰變程度的綜合指標(biāo)是可行的。

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