自動潤滑油氧化安定性試驗器的研究

?

自動潤滑油氧化安定性試驗器的研究

0引言

潤滑油氧化安定性是潤滑油產品抵抗大氣或氧氣的作用且保持其性質不發生永久變化的能力，是潤滑油出廠最重要的性能指標之一[1-2]。旋轉氧彈法通過模擬潤滑油在高溫、高壓、氧氣充足等加速氧化的條件下的氧化過程，判斷樣品的抗氧化能力[3]。

傳統潤滑油氧化安定性試驗器(旋轉氧彈法)，在恒溫浴方面采用大量硅油作為恒溫介質，不但價格昂貴，而且環保性能差[4-6]；在旋轉機構方面，傳統儀器接觸式傳動機構需浸沒在油浴中，不但運行過程中噪聲大，而且有受熱膨脹后易卡死等缺陷[7]。所以，研究全新的自動潤滑油氧化安定性試驗器很有必要。

1儀器設計方案

自動潤滑油氧化安全性試驗器的外形結構如圖1所示。金屬浴外面包裹加熱帶進行試驗過程的恒溫，加熱至恒溫點速度快，控制容易，且控溫精度高。在傳動方面，由主動磁力座帶動被動磁力套件進行旋轉，整個機構安靜運轉。儀器采用單片機和8英寸(1英寸=25.4 mm)彩色液晶觸摸屏進行控制，節約成本且能很好地實現所需功能。

控制系統的研究包括硬件設計和軟件設計兩方面。硬件設計主要包括溫度和壓力的采集與控制，充氧和放氧電磁閥控制，電機和打印機的驅動等模塊。軟件設計方面做到人機界面大方美觀，操作簡便；自動恒溫、自動判斷泄漏、自動記錄試驗數據并實時顯示曲線、自動判斷試驗拐點和自動結束試驗；RS-232通信實現LIMS功能。一般含抗氧劑的油樣氧化時間都在1 000 min(16 h)以上，所以儀器使用雙金屬浴裝置，且單獨控制，一次試驗即能驗證油樣的重復性，極大地節約了時間成本。

圖1　儀器外形結構圖

2控制系統硬件設計原理

2.1主控板及電源設計

主控板電路原理如圖2所示，主要涉及與彩色觸摸屏和溫控儀通信，以及與驅動板相連的I/O接口。單片機(MCU)通過MAX3232ESE芯片，與彩色觸摸屏之間建立RS-232通信，負責顯示圖片、文字、曲線和坐標傳遞等。MCU與溫控儀之間通過ADM2582E芯片連接，采用RS-485通信，主要用于設置溫控儀PID參數。試驗開始時啟動溫控儀，實時讀取溫度值和實驗；結束時，關閉溫控儀控溫。在打印方面，采用熱敏打印機，通過74LVC4245A電平轉換芯片與MCU相連，接口形式為并口TTL電平；在試驗結果存儲方面，與EEPROM之間采用I2C通信。之所以將主控板與驅動板分開設計，是為了讓主控板成為通用板，其他儀器根據功能的不同，只設計驅動板即可。

整個控制電路電源包含3.3 V、5 V和12 V這3種電源，5 V和12 V電源由開關電源直接給出，3.3 V由電源轉換芯片得出。數字地和模擬地之間采用片式鐵氧體普通磁珠連接，可抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力[8-10]。

圖2　主控板電路原理圖

2.2驅動板電路設計

驅動板電路原理如圖3所示，主要包括壓力采集，以及電機、電磁閥和冷卻風扇等的控制。在壓力采集電路方面，因被測試氣體經氣壓傳感器得到的電信號幅度很小，無法進行A/D轉換，所以必須對這些模擬電信號進行放大處理。氣壓傳感器采用MEAS公司的US300系列壓力傳感器，該傳感器輸出4～20 mA電流信號，壓力范圍為0～16 Bar，穩定可靠，性價比高。電磁閥和風扇的控制采用DC-AC的固態繼電器，經電平轉換后直接由I/O接口控制。對于電機的控制，因儀器在整個實驗過程都需要旋轉，為了減輕MCU的負擔，采用配套電機驅動器的調速電機。電機驅動器與I/O接口的連接主要涉及MCU監控電機的轉速和報警信號，以及發送使能和啟停信號，而電機的轉速和加速度控制可以通過調節驅動器上對應的電位器來實現。

圖3　驅動板電路原理圖

3控制系統軟件設計分析

后臺程序框圖如圖4所示。其主要包括MCU引腳、定時器、觸摸屏和A/D轉換等幾個方面的初始化，以及主循環部分，包括電磁閥狀態判斷、自動充放氧功能、溫控儀通信、溫度與壓力曲線處理、溫度與壓力實時顯示和試驗結果處理。自動充放氧功能：先讀取溫控儀中金屬浴的溫度，然后控制電磁閥的通斷調節進氣量的大小，達到試驗標準要求的對應溫度下的氧氣壓力，相比手動儀器，極大地提高了初始壓力的準確性和效率。溫度與壓力的處理與顯示： MCU與AD芯片之間采用SPI通信方式，實時讀取壓力值，與溫度值一起向觸摸屏發送指令，顯示溫度與壓力曲線。試驗結果處理：MCU與EEPROM之間采用I2C通信，存取每條試驗結果，并可以按照熱敏打印機的時序發送數據打印結果。

圖4　后臺程序框圖

前臺程序主要包括5個定時器中斷和2個UART(通用異步收發器)中斷。5個定時器中斷的作用分別為溫控儀RS-485通信發送數據、觸摸屏RS-232通信發送數據、監測試驗狀態和曲線顯示、LIMS發送數據和監測電機轉速(儀器調試時使用)。2個UART中斷的作用為溫控儀RS-485通信接收數據處理和觸摸屏RS-232通信接收數據處理。

人機交互界面示意圖如圖5所示。

①號區域為功能按鍵區，通過點擊區域中6個按鍵，分別觸發儀器的6個功能模塊：儀器設置、試驗程序、儀器調試、壓力校正、溫度校正和結果查詢。儀器設置：可以設置系統時間，根據不同的油品選擇不同的控制溫度點。試驗程序：可以輸入油樣編號，開始一個新的試驗，整個試驗過程全自動完成，實時刷新壓力、溫度曲線，并保存試驗結果。儀器調試：在未試驗狀態下，可以調試電機、風扇和電磁閥，實現自動和手動充放氧功能，以及系統測漏功能。壓力校正：儀器使用3個月左右，需使用配套的精密壓力表對壓力傳感器重新標定和校正，以保證試驗結果的準確性。溫度校正：可以分別校正左右彈體的溫度。結果查詢：能瀏覽或刪除歷史記錄結果，還可以選擇打印功能，以及使用LIMS上傳數據。

③號區域為工況顯示區，用于顯示儀器的實時工況。工況內容包括左/右彈壓力、左/右彈溫度、充/放氧電磁閥狀態。

圖5　人機交互界面示意圖

4結束語

自動潤滑油氧化安定性試驗器，是集單片機處理、無接觸傳動、自動控制、傳感器測控、通信系統等多項技術領域的綜合系統。儀器具備手動/自動充放氧氣、試驗結果查詢/打印、歷史/實時試驗曲線顯示、全自動試驗判斷等功能，符合ASTM2272標準，控溫精度為±0.1 K。經過多次測試，儀器的硬件和軟件運行穩定可靠，試驗結果的重復性和再現性均符合標準，達到了預期的目標。儀器的成功研制，打破了國外同類儀器的壟斷地位，在國內同行業中處于領先地位。

參考文獻

[1] 左鳳,馬蘭芝.潤滑油氧化安定性評價方法及與PDSC的相關性研究[J].現代科學儀器,2012,30(3):19-23.

[2] 陳曉旭.有機鉬抗氧劑的合成以及改進氧化安定性測定方法的探索[D].上海:華東理工大學,2012.

[3] 曹國超.加氫潤滑油基礎油的結構組成與氧化安定性的關系研究[D].天津:天津大學,2007.

[4] 張燕,張金芳.加氫變壓器油和環烷基變壓器油抗氧化性能的評價[J].合成潤滑材料,2010,35(3):60-64.

[5] 李建明,仇建偉,薛衛國,等.不同來源潤滑油基礎油對抗氧劑的感受性研究[J].潤滑油,2009,30(6): 185-189.

[6] 李秀峰.含氮長鏈烷基苯硼酸胺鹽衍生物潤滑油添加劑的合成及其摩擦學性能的研究[D].上海:上海交通大學,2014.

[7] 譚秀峰,張國偉,謝里陽,等.齒輪傳動系統的動力學研究與展望綜述[J].機電工程,2014,34(5):206-210.

[8] 史建華,錢振宇.片式鐵氧體磁珠及其應用[J].電源技術應用,2009,35(7):86-91.

[9] 張劍,王仕嬌,岳振星.疊層片式鐵氧體磁珠的數值分析與計算機仿真[J].電子元件與材料,2006,30(10):134-138.

[10]王繼紅,王志鵬.磁珠在開關電源EMC設計中的應用[J].通信電源技術,2004,32(5):201-205.

Research on the Automatic Control System of Lube Oil Oxidation Stability Tester

楊小峰1羅爭光2顧怡3

(上海理工大學機械工程學院1，上海200093；中科院研究生院軟件學院2， 北京100190；東華大學機械工程學院3，上海201620)

摘要：針對傳統油浴恒溫清洗不便、油浴體積大、熱容較大、能耗高等特點，研究了新型自動潤滑油氧化安定性試驗器。采用金屬浴進行加熱，使用磁力傳動代替機械傳動，降低了試驗過程中的噪聲。整個系統運用單片機和彩色觸摸屏進行控制，對硬件和軟件設計原理進行了分析。通過對不同油品的多次測試，驗證了該儀器良好的重復性和再現性，具備一定的應用前景。

關鍵詞：潤滑油氧化安定性分析儀器壓力傳感器單片機人機界面電路設計

Abstract：In view of the disadvantages of traditional constant temperature oil bath,e.g.,inconvenient cleaning,big volume of oil bath,larger heat capacity,and high energy consumption,etc.,the new type of automatic tester for oxidation stability of lubricating oil is researched.Using the metal bath for heating,and using the magnetic transmission to replace mechanical transmission,the noise is decreased in the testing.The whole system is controlled by single chip computer and color touch screen,and the design principles of hardware and software are analyzed.Many times of tests with different oil verify that the repeatability and reproducibility of instrument are good; and it has occupied a certain degree of marketing.

Keywords:Lube oilOxidation stabilityAnalytical instrumentPressure sensorMCUHuman machine interfaceCircuit design

中圖分類號：TH89;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604024

修改稿收到日期：2015-10-15。

第一作者楊小峰(1986-)，男，2013年畢業于上海理工大學機械電子工程專業，獲碩士學位，助理工程師；主要從事石油產品分析儀器的研究。