一种新型在线监测润滑油粘度和磨损颗粒量的传感器

《润滑与密封》 2006年全国油液检测会议论文
摘要：本文报道一种新型在线监测润滑油粘度和磨损颗粒量变化的传感器。

该传感器可以直接安装于润滑油通路中，不仅结构简单，使用方便，而且能测量小颗粒和低浓度样品，在润滑油质量实时监测和机械设备故障诊断中具有广泛应用。

关键词：润滑油，磨损颗粒，粘度，在线监测
A Novel Sensor for On-line Oil Viscosity and Particle Monitoring
Zhang Feng
Frontwave Technology Inc., Shenzhen, 518057
A novel sensor for on-line oil viscosity and particle monitoring has been reported. It is found that the sensor, which can be installed in the oil loop of the lubrication system, can detect small particles at very low concentration. Due to the advantages of being small and easy to use, this sensor is expected to find wide applications in oil quality monitoring and machine fault diagnosis.
Key words: oil, wear particle, viscosity, on-line monitoring
一、引言
表面磨损和疲劳是旋转机械设备如汽轮机、车辆变速箱、液压系统和轴承失效的主要模式。

测定润滑油中的磨损颗粒量特别是铁磁性磨损颗粒量是一种有效的反映机械部件表面磨损和疲劳状态的方法，在航空、运输及动力机械中获得广泛应用。

粘度是衡量润滑油润滑能力的一个重要指标。

当润滑油经过被润滑的运动副表面时，局部的高温高压会使润滑油氧化，同时各种杂质的掺入也会降低润滑油的流动性，导致粘度升高。

因此，实时监测润滑油的粘度变化能反映润滑油的质量状态及剩余寿命[1][2]。

在实际应用中，同时在线监测机械系统的润滑油粘度和磨损颗粒量变化对维持系统的正常运转具有重要意义。

它不仅能优化设备维修周期，减少停机时间，延长设备使用寿命，而且可以减少重大事故的发生。

目前单独测量润滑油粘度和颗粒量的传感器和测量方法很多，在许多工业过程控制和机械设备故障诊断中应用广泛。

但现有的测量润滑油粘度和颗粒量的传感器各自存在许多不足，而且两种传感器所采用的测量原理互不相同，能够同时测量润滑油粘度和其中颗粒量的传感器技术未见报道。

实际应用中测量润滑油粘度的方法主要包括细管方法、旋转粘度测量方法、锥板粘度测量方法、落球粘度测量方法和振动粘度测量方法等。

这些方法中很多只适用于离线样品分析，部分可用于在线测量的方法普遍存在体积大，成本高，安装和使用复杂的缺点。

测定润滑油中的颗粒量有在线实时监测和离线分析测定两种方式。

离线方式由于需要先取样再分析，不仅费力费时，成本高，而且测定结果的返回具有时间滞后性，在许多应用领域已逐渐被在线监测技术所替代。

目前已知的用于在线监测颗粒量的技术包括光学测量、超声测量等方法。

但这些技术在许多方面有待于进一步完善，目前还普遍存在检测结果易受其它污染杂质影响，成本高和使用复杂等不足[3], [4]。

本文报道一种新型在线监测润滑油粘度和磨损颗粒量变化的传感器及其初步测试结果。

实验表明，该传感器不仅结构简单，使用方便，响应快，价格低，而且能测量小颗粒和低浓度样品。

二、传感器设计和试验方法
本研究采用深圳先波科技有限公司研制的ＰＱＭ－１型润滑油质量检测传感器。

该传感器的探头如图１所示。

其基本原理是通过测量高频压电器件的参数变化和内部运算来获得所接触润滑油的粘度和磨损颗粒量变化信息。

该探头可以通过管螺纹直接安装于被测润滑油的回油通路中，根据设定的采样频率实时测量流过管路的润滑油粘度和油品中磨损颗粒量的变化。

探头通过高频同轴电缆与后置电路相连，输出信号的变化由计算机实时采集。

图１、本研究使用的润滑油质量检测传感器探头。

本研究的实验包括实验室传感器性能测定和轴承失效在线监测两部分。

在实验室性能测定中，主要采用标准润滑油和标准颗粒样品混合进行实验。

在轴承失效实验中，该传感器被安装在一家大型企业的滚动轴承试验机上，通过实时监测传感器输出信号并对比油液样品不同阶段的实验室分析结果，来反映传感器的优越性能和使用价值。

三、实验结果和讨论
图 2 显示被研究传感器对润滑油粘度变化的响应。

实验中采用多种具有不同粘度等级的标准润滑油，通过实验室标准细管测试方法获得油品４０°Ｃ的粘度值，然后测定传感器在这些油品中的输出信号变化即可获得图 2 所示的传感器的粘度响应曲线。

从图 2 可以看到，该传感器的输出信号与油品的粘度的平方根变化成正比，线形相关系数Ｒ２达到０．９９。

图２、ＰＱＭ－１型润滑油质量检测传感器对标准润滑油样品粘度变化的响应。

图 3 显示该传感器对润滑油中铁颗粒浓度变化的响应曲线。

实验中，采用
购买的标准固体颗粒粉末和润滑油配制成一定浓度的标准样品，然后将少量标准样品加入待测润滑油中搅拌并测量传感器的输出信号变化。

标准样品中颗粒的大小分布由激光颗粒分析仪（Coulter LS Particle Analyzer）测得，试验结果表明标准样品中的颗粒尺寸分布于0.4和11 微米之间，中心分布尺寸为1 微米。

从图3 的结果可以看出，传感器可以测量润滑油中尺寸为1 微米的污染颗粒，测量的最低浓度达到1ppm. 实验中也对中心分布尺寸为45 和150 微米的润滑油样品进行了测试，测试结果与图3 类似。

图3、实验室测定的传感器对润滑油中铁颗粒量变化的响应。

图 4 显示传感器在滚动轴承实验机上的实际测量结果。

实验中传感器安装于实验机润滑油的回油管道上，输出信号由计算机实时采集以监测润滑油中的颗粒量变化情况。

每隔一个固定时间，从油液取少量样品送实验室进行ICP 发射光谱测定，获得不同实验时间润滑油中的ICP 铁含量并与传感器输出结果进行对比。

实验在进行到680 小时由于振动超限而停止，实验结束后拆开轴承发现滚珠由于磨损严重而失效。

图4、传感器在轴承实验机上的测试结果。

从图4 传感器的输出可以看出，在轴承实验的前50 个小时内，润滑油中磨损颗粒产生速度较快，可以理解为新摩擦副之间的磨合磨损期。

从50 小时到500 小时，传感器输出显示润滑油中磨损颗粒量逐步上升，可以认定机器进入稳定运转期。

轴承实验超过500小时后，传感器输出显示润滑油中大量磨损颗粒迅速产生，而且产生速度越来越快，预示轴承即将进入磨损失效期。

油液样品的ICP 测量结果基本印证了传感器的测量结果，只是ICP 方式只有在很接近轴承失效时（650 小时）才显示铁含量迅速上升。

采用不同配方的润滑油，类似的试验又进行了多次。

所有的试验结果都表明PQM-1 型润滑油质量检测传感器具有优异的预警功能，一般在轴承失效前50 – 150 小时便可给出明确的警报。

四、结论
本文报道一种新型在线监测润滑油粘度和磨损颗粒量变化的传感器。

实验表明，此传感器对润滑油粘度的变化具有较高的线性响应和灵敏度，同时传感器可以测量润滑油中尺寸为1 微米的污染颗粒，测量的最低浓度达到1ppm。

该传感器被安装于轴承实验机润滑油回油通路中，可以实时反映试验中磨损颗粒的产生状况，并于轴承失效前50 – 150小时给出预警特征信号。

此传感器的研制成功将在润滑油质量实时监测和机械设备故障诊断中发挥重要的作用。

参考文献
1. Saurabh Kumar; P. S. Mukherjee; K. M. Mishra, Online condition monitoring of engine
oil, Industrial Lubrication and Tribology, 2005, vol.57, p260-267. 2. 李生华, 金元生. 以机器状态为目的的油液分析原理, 设备维修与管理, 1999, vol. 5,
p21-25; vol 6, p25-27 传感
3. 刘峰璧; 谢友柏，磨损颗粒监测电容传感器理论研究，机械设计与研究，2004，vol.20,
p 63-64.
4. 刘前军李圭白, 透光脉动颗粒传感器的研制与应用, 仪表技术与传感器，2003, vol.
7。