基于Matlab的船舶潤滑油清凈分散性研究

甄鵬厚，周新聰，閆志敏，程俊鋒，牛萬瑩，趙旋

(武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢 430063)

基于Matlab的船舶潤滑油清凈分散性研究

甄鵬厚，周新聰，閆志敏，程俊鋒，牛萬瑩，趙旋

(武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢 430063)

為了測試潤滑油斑點擴散性，檢測水和溫度對潤滑油清凈分散性能的影響程度，快速掌握機器的磨損情況，利用濾紙斑點試驗法，基于Matlab圖像處理功能和潤滑油的組成特性，編寫斑點圖像識別程序，計算油斑的色度和分散度。結果表明:水和溫度對潤滑油擴散性影響明顯。

潤滑油;清凈分散性;斑點試驗;圖像處理

潤滑油的清凈分散性是表征潤滑油及其清凈分散劑性能的重要指標，它可以反映出機器設備在用潤滑油質量衰變情況，從而確定合理的換油周期，避免機器設備出現重大故障。目前，對于潤滑油擴散性定量分析的方法主要有兩種:一種是傳統的油液斑點試驗［1］，這種方法在試驗過程中不僅容易受到人為因素的影響，而且油液暴露于環境之中，易受外界環境因素的影響，比如空氣濕度和溫度。這種斑點測試方法誤差大，精度不夠。另一種是大型的潤滑油斑點測試儀，這種儀器價格昂貴，而且由于體積的限制不便攜帶，很不適合于在現場使用。針對目前存在的問題，檢測水和溫度對潤滑油清凈分散性能［2］的影響程度，快速掌握機器設備的磨損情況，在潤滑油擴散斑點圖像特征的基礎上提出一種新的潤滑油清凈分散性研究系統。

1 斑點試驗的測試原理

斑點試驗作為潤滑油質量評定的方法之一，用于判斷潤滑油清凈分散性能，主要通過監測由于添加劑損耗和基礎油衰變引起油品性能指標的變化程度來檢測機械設備的潤滑狀態和判斷機器因潤滑不良引起的故障［3］。它是一種現場快速測試方法，在無全套油品化驗測試手段時，可用來進行質量監測和確定換油時機。

根據國標GB/T 8030-1987［4］要求，在規定條件下將使用中的潤滑油滴一滴到濾紙中心，油內各種雜質便隨著油的浸潤向四周擴散，雜質的粒度不同，擴散的遠近也不同，因而在濾紙上形成顏色深淺不同的環形斑點，一般有三個環，從內到外依次為:沉積環、擴散環、油環，見圖1。

圖1 潤滑油斑點圖像

潤滑油斑點特征見表1。

表1 潤滑油斑點特征

2 測試系統與分析方法

2．1 測試系統

潤滑油清凈分散性定量測試系統組成見圖2。

圖2 潤滑油清凈分散性定量測試系統框圖

該系統主要由油斑預處理、數據采集器(掃描儀)和斑點圖像處理程序(由Matlab編譯)三大部分組成。油斑預處理后，由數據采集器(掃描儀)掃描潤滑油擴散斑點圖像并采集到計算機，經計算機上的圖像處理程序分析得到斑點的有關參數。在本測試系統中利用Matlab為油斑圖譜分析設計開發軟件，該軟件能分析油斑色度和油斑分散度，且能夠對得到的數值以數據的形式保存，從而為以后檢測對比積累數據資料。

2．2 分析方法

2.2.1 灰度直方圖

數字圖像的灰度直方圖是灰度級的函數，它描述圖像中對應于各個不同灰度級的像素數［5］。圖3為圖1中斑點圖像的灰度直方圖。

圖3 斑點圖像的灰度直方圖

根據這種特征，通過合理的選取閾值，可以將斑點圖像的各特征區域分割出來［6］。根據色度閾值(T)把油斑分為油環(Tb/o＜S(i)＜To/r)和沉積環(S(i)＞To/r)。區分空白濾紙和油環的色度閾值(Tb/o)，一般在0～10范圍內選取;劃分油環和沉積環的色度閾值(To/r)，一般在20～60范圍內選取。

2.2.2 油斑色度

圖像的灰度G與攝像元件的感光度成正比，圖像顏色越淺，感光度越高，灰度值越大。這和一般用目視法觀測到的油斑顏色深淺是相反的，為了使分析結果與油斑觀測者通常所說的顏色深淺一致，采用以下差譜法計算油斑各點相對灰度，把它稱為油斑色度S。為便于比較，油斑色度用百分數表示:

式中:Gb——空白濾紙的灰度;

Gs——油樣的灰度。

油斑圖像被分割成i(256×256)個子區，油斑的平均色度SRG是各子區的S(i)的平均值。

式中:n——油斑子區數總和。

平均色度值越大，油斑的顏色越深，油品的分散性能就越差［7］。

2.2.3 油斑分散度

油斑分散度SDT按下式計算。

式中:Ao和As分別是油環和沉積環的面積，它們分別與色度值符合油環規定的子區數no和色度值符合沉積環規定的子區數ns成正比:

式中:k——比例系數，等于圖像分割后單位子區

的面積［8-9］。

根據以上分析原理，以Matlab為平臺編寫油斑分析程序，其界面見圖4。

3 試驗步驟與結果分析

3．1 試驗步驟

以某船舶潤滑油(設備工作時間:4 010 h，潤滑油使用時間:616 h，取樣部位:油箱底部)為例，按照上述方法進行試驗，具體步驟如下。

1)試驗在室溫20℃下進行。將試樣1(未加水)、2(加水0.5 mL)分別取25 mL置于試樣瓶(不超過3/4容積)中，并充分攪拌或搖動油樣。

2)將干凈的滴棒插入試樣3～5 cm深處，垂直提起，等滴棒上粘的油間斷滴落時，取第3或第4滴油樣滴在預先準備好的濾紙中心，每個試樣標記A和B。加熱試樣，并保持恒溫至120℃，同時不停攪拌。

3)90 min后，停止攪拌，立即用移液管吸取0.2 mL，用濾紙擦凈移液管外壁，垂直向兩張水平架空放置的定量濾紙上各滴一滴試樣，每個試樣標記A1和B1。

圖4 程序界面

4)將試樣放置在已恒溫至150℃的油液中，固定后開動攪拌機攪拌;重復以上步驟，每個試樣標記A2和B2。

5)將滴過油的濾紙連同框架平放在無風塵的地方，靜置2～4 h，觀察斑點擴散形態(若發現油斑的油跡形狀不規則，此擴散斑點作廢)。

根據斑點試驗相關的標準，每一個油樣都需要采用同一掃描儀，用相同的采集參數進行重復性試驗，以消除各種因素帶來的誤差。

3．2 結果分析

經圖像處理程序分析，得出結果見圖5、6。

圖5 油斑色度變化

由圖5可見:在未加水的條件下，油斑色度在120℃之前隨著溫度的上升其下降較緩慢，120℃之后急劇下降;而在加水的條件下，油斑色度隨著溫度的上升逐漸增大。

由圖6可見:在未加水的條件下，油斑分散度在120℃之前隨著溫度的上升其上升較緩慢，120℃之后急劇上升;而在加水的條件下，油斑分散度在120℃之前隨著溫度的上升其逐漸增大，120℃之后上升非常緩慢，幾乎趨于定值。

圖6 油斑分散度變化

試驗數據表明，水和溫度對潤滑油的色度和分散度等參數的影響是比較明顯的，因此在以后的工作過程中應該提高機器設備的密封性，避免水進入潤滑設備，并保證冷卻系統的工作效率以保持最佳潤滑溫度。

4 結論

1)水和溫度影響潤滑油的清凈分散性能，應著力提高潤滑油清凈分散劑的抗氧化、抗乳化能力。

2)利用掃描儀和程序來識別和定量分析油液斑點，可以提高檢測的精度和提升工作效率，而且測試系統成本較低，容易實現，具有非常良好的應用價值和前景。

3)由于本試驗是在模擬試驗的基礎上完成的，為進一步研究本課題，還需加強實際現場試驗，以便對文中的結果加以驗證和修正。

參考文獻

［1］楊保成，方應明.發動機潤滑油老化及檢測方法［J］.大學物理實驗，2001，3(14):42-44.

［2］GUIMIAN ZHANG.The status and develop tendency of gasoline detergent-dispersant［C］.Proceedings of a Combination of the 4th China/USA Joint Chemical Engineering Conference and the 3rd China/Japan Joint Chemical Engineering Symposium，November，2005:165-167.

［3］楊其明，嚴新平，賀石中.油液檢測分析現場實用技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［4］國家技術監督局.GB/T 8030-1987，潤滑油現場檢驗法［S］.北京:中國標準出版社，1988.

［5］張佑生，彭青松，汪榮貴.一種新的數字圖像灰度直方圖及其應用研究［J］.系統仿真學報，2002，14 (12):1655-1658.

［6］劉正光，肖泉建，車秀閣.基于二維灰度直方圖的最小模糊熵分割方法［J］.天津理工大學學報，2005，21 (1):65-68.

［7］賀產鴻，馮心憑，周有良，等.5W/30SJ/GF-2汽油機油高溫高速行車試驗［J］.潤滑油，2001，16(3):50-57.

［8］秦襄培.MATLAB圖像處理與界面編程寶典［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［9］賈永紅.數字圖像處理［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

Research of Ship Lubricant Detergent Dispersion Based On Matlab

ZHEN Peng-hou，ZHOU Xin-cong，YAN Zhi-min，CHENG Jun-feng，NIU Wan-ying，ZHAO Xuan
(School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

In order to test spot diffusivity of lubricant，detect the influence degree of the water and the temperature upon the detergent-dispersant performance of lubricant and quickly grasp the wear of machine，based on Matlab image processing functions and the characteristics of lubricant composition，a spot recognition program is compiled in order to calculate the chroma and the dispersion of oil spots.The results show that:water and temperature influence the lubricant diffusion obviously.

lubricant;detergent-dispersant performance;spot test;image processing;

U677.4

A

1671-7953(2015)02-0091-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.024

2014-12-11

修回日期:2014-12-28

交通部應用基礎研究項目(2013329811360);武漢理工大學自主創新研究基金(145205002)

甄鵬厚(1988-)，男，碩士生

研究方向:油液監測、故障診斷

E-mail:zhenpenghou@163.com