油液顆粒污染在線監測技術現狀

張賢明 熊少軍 陳 彬 武宏陽

(重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

液壓油在液壓系統中起著能量傳遞、系統潤滑、防腐、防銹及冷卻等作用。元件和系統在加工、裝配、實驗、包裝、儲存和運輸過程中殘留下來且未被清除的污染物(如鑄造型砂，切屑、焊渣及修片等)和在工作過程中從外界侵入的污染物都會污染液壓油，影響其理化性，從而使設備不能正常工作[1]。據統計，75%以上的液壓油污染是其中固體顆粒的污染[2～4]，因此固體顆粒對設備液壓系統造成的危害最大，同時固體顆粒含量是衡量油液能否繼續使用的依據。顆粒污染物會導致液壓元件快速磨損、性能下降，進而改變液壓系統的工作性能，引起動作失調，甚至系統完全失靈。

通過對液壓油性能和狀態進行監測，可以得到油液顆粒度相關信息，及時對被污染油液進行凈化處理，避免污染環境，同時還可以及時發現設備運行故障，對液壓系統和油液污染進行有效控制，因此在線監測液壓油的顆粒污染度對國民經濟建設和節能環保事業有著十分重要的意義。

傳統離線式檢測主要集中在光譜分析、鐵譜分析、顆粒計數及油品理化分析等方面，檢測周期長，不能及時反映設備運行狀況，具有很大滯后性[5,6]。根據有關調查表明：離線油樣分析結果有50%沒有發現問題，45%顯示失效即將發生，僅5%檢測出嚴重問題[7,8]。近年來，隨著計算機電子技術和信號處理技術的發展，油液在線監測技術由于具有及時性及便捷性等特點[5]，成為工況檢測和故障診斷的主要手段。筆者介紹了顆粒度在線監測技術，并指出其發展趨勢。

1 油液顆粒度在線監測技術的研究現狀①

目前顆粒度在線監測技術主要利用電學、光學及磁場理論等原理，監測相應的油液理化指標(如介電常數、顆粒濃度)變化趨勢或顆粒圖像來判斷顆粒污染狀況。國內、外在線監測技術主要有電測法、光測法和磁塞法。

1.1 電測法

陳世明等設計了一種可直接讀取油液污染度的在線監測電容傳感器(圖1)，并通過實驗驗證了此傳感器適用于機械裝備的油液在線監測[9]。傳感器0的進、出油口直接接入油路中，可測得污染油液總介電常數；傳感器1～m的進、出油口與油液之間通過濾清器連接，可測得除去金屬顆粒后的污染油液介電常數。兩者的差值就是污染油液中金屬顆粒的介電常數，從而確定金屬顆粒的含量。但油液經過濾清器后會產生流量壓力改變，極有可能影響傳感器所采集到的油液介電常數，導致最終結果不正確。

圖1 在線監測電容傳感器

1.2 光測法

殷勇輝等基于Beer-Lambert定律設計了光纖油液污染監測傳感器[10]。圖2為傳感器探頭結構，主體部分由樣品池和透鏡系統組成，入射和出射部分通過螺紋與主體連接，光學系統通過調整螺釘進行校準，確保了光學系統的穩定性。由光源產生的光通量I0通過入射光纖接頭和透鏡進入測量區域(即布置于光路主體上的油液樣品池)；油液管路中未被顆粒散射和吸收的部分出射光由透鏡會聚，經出射光纖接頭導出到光探測器單元(即光電接收管的光敏表面上)，利用光電信號放大器可以測量出載有信息的光通量。通過測量發光強度的變化即可反演計算出油液中所有固體顆粒物的分布，從而表征設備潤滑系統的顆粒污染度。但為了保證測量精度，該方法只適用于流速低工況中，且只能監測適當粘度的油樣。

圖2 光纖油液污染監測傳感器探頭結構

1.3 磁塞法

磁塞檢測技術是在油液系統中安裝磁塞或探針，將油液中的顆粒吸附到磁塞上，利用磁塞檢測儀和磁強針估量所收集到的顆粒數量和顆粒產生趨勢[11～13]。磁塞檢測的特點是安裝方便、結構簡單。使用磁塞法可通過判斷微粒種類、形狀、粒度和顏色判斷系統故障性質，適用于200℃以下、工作尺寸為100～400μm的機械裝備顆粒在線檢測，但其缺點是只能用于檢測黑色金屬顆粒，對非磁性材料無效。

此外，國外也有針對油液顆粒的在線監測傳感器，比如由美國MACOMT echnologies公司開發的 TechAlertTM10型顆粒傳感器、加拿大GasTops公司開發的MetalSCAN顆粒傳感器[14]、英國Kittiwake公司開發的 FG 型在線顆粒量傳感器[15]和Smith公司的EODM系統的 OLS傳感器[16]，但只能檢測最小為50μm的鐵屑顆粒，Harvey T J等開發的在線顆粒計數器也只能定量估計油液中的顆粒度[17,18]。

2 基于壓差原理的的油液污染度在線監測儀

根據液體過濾原理[19]，陳彬等根據過濾壓差引起活塞伸出位移與污染度成正比的關系，設計了一種油液污染度在線監測裝置(圖3)[20]。該在線監測裝置主要由復合活塞缸體、5～15μm污染物檢測活塞、位移傳感器、壓力傳感器、數據采集處理及控制系統等組成，其工作原理為油液經5、15μm多級過濾網后產生不同的壓差，并推動多級液壓缸運動，通過設置在各活塞桿處的位移傳感器監測各位移量，與經實驗建立的數據庫進行比較，得出對應的油液污染度。該裝置的特點是可以實時在線監測油液運動狀態，監測結果以標準形式輸出油液的污染等級，結構簡單，且不受油液性能、監測過程中油液運行參數影響，監測結果準確、可靠，減少了人為因素對系統的影響。

圖3 油液污染度在線監測裝置

3 結束語

液壓油中顆粒污染物對設備正常運行危害最大，通過對油液在線監測，可及時獲知油液性能參數的變化，實現主動預防，減少和杜絕設備事故的發生。油液顆粒污染度的在線監測是預防設備事故發生的重要途徑，目前其監測方法較多，但普遍存在測量油液污染度精度不高、測量數據響應較慢及穩定性較差等不足。根據對現有在線監測技術的分析，發現還需從很多方面進行更深層次的設計和優化(例如傳感器監測技術的智能化及降低虛警率等)，找到最合理的油液在線監測技術，才能及時對污染油液做出正確處理。