航空發動機潤滑油視情更換檢測技術研究

張 濤，王東鋒

(空軍工程大學 航空機務士官學校，河南 信陽 464000)

對性能衰退到一定程度的潤滑油進行及時更換是保證航空發動機安全工作的重要條件。然而，由于我國一直缺乏可靠易行的潤滑油衰退程度通用檢測技術[1]，導致目前主要依靠經驗進行潤滑油定期更換，而國外航空潤滑油則采用視情更換。這種不合理的定期更換一方面導致多數發動機的潤滑油被提前更換，造成嚴重浪費；另一方面使少數發動機因潤滑油未能及時更換而減少壽命。進行航空發動機潤滑油視情更換的關鍵在于開發一種便于外場使用的潤滑油衰退度綜合分析儀，并合理確定潤滑油更換指標，對決定潤滑油質量的金屬磨粒含量、酸值和含水量等關鍵指標進行快速、綜合分析。

目前，我國航空發動機潤滑油衰退分析技術主要為光譜分析、鐵譜分析和理化分析。其中，成本高昂的光譜分析和鐵譜分析的主要作用是監測發動機的異常磨損，并不能檢測潤滑油的氧化變質和含水量；程序繁瑣的理化分析雖可以檢測氧化變質(酸值)和含水量，但不能分析潤滑油的金屬磨粒含量。因而，在航空發動機潤滑油的質量檢測和更換時間確定等方面存在很多不便，并由此造成了大量潤滑油被提前更換的現狀。針對這一問題，國外采用的是基于介電常數的潤滑油質量綜合分析技術，基于此技術較著名的儀器有美國北方儀器公司開發的NI—2B型檢測儀[2]。而此類檢測技術在我國開展得較少，相關硬件開發還不夠成熟。本文基于介電常數法研究了航空發動機潤滑油綜合分析技術，進行了檢測系統設計，并基于正交試驗表和三元回歸分析制定了潤滑油更換閾值的試驗和計算方案，以期為實現潤滑油的視情更換提供檢測依據。

1 介電常數法分析技術

介電常數法是將油液及其中的污染物作為電介質，當潤滑油變質時，油中部分碳氫化合物分子被氧化，生成過氧化物、酸和其他化學物質，使分子極化。隨著氧化產物和熱降解產物的積累，外來污染物的不斷增加，油中極化分子也不斷增多，這樣會導致潤滑油的介電常數發生變比；同時，由于摩擦和磨損，磨損的金屬粒子和其他導電性強的化合物也會使潤滑油的介電常數發生變化[3]；另外，潤滑油與空氣接觸，吸收空氣中的水分，產生H+、OH-等離子，也會引起介電常數增加。由此可見，潤滑油的介電常數取決于基礎油、添加劑及污染物的成分和含量。基于該原理，可通過比較新油與舊油介電常數來確定潤滑油的衰退程度，從而判斷其是否需要更換。

2 檢測系統設計

2.1 檢測系統的組成和工作原理

檢測系統主要由電容傳感器、電容數字轉換電路、單片機和液晶顯示等4個部分組成(見圖1)。系統的控制核心是8051F410單片機，該單片機是完全集成的低功耗混合信號片上系統型MCU，具有高速、流水線結構的 8051 兼容的微控制器核。其主頻可達 50 MIPS，與標準的 8051 結構相比，指令執行速度提高了8倍以上。其能夠進行全速、非侵入式的在系統調試，體積微小(9 mm×9 mm)，非常適合微型檢測系統的開發。

圖1 檢測系統的組成

系統工作原理是電容傳感器將檢測介質(潤滑油)的電容信號輸入電容/數字轉換模塊，該模塊在單片機控制下，將電容值轉換為數字信號送給單片機，經簡單計算后轉換為潤滑油的介電常數，再將介電常數輸入微型液晶顯示器顯示。

2.2 電容傳感器設計

本文選擇圖2所示的圓筒式共軸柱面電容傳感器進行電容檢測，其中，實心內極柱作為電容器的一極，外極筒作為電容器的另一極。內、外極柱通過塑料圓盤固定后，分別通過2根焊接在兩極上的屏蔽電纜引出，然后兩極柱再用絕緣塑料薄膜粘貼，以防止潤滑油的腐蝕。若內極柱半徑為r，外極筒半徑為R，長度為L，則當L>R-r時，兩端的邊緣效應可以忽略。

圖2 圓筒式電容傳感器示意圖

根據電磁學的相關理論可得電容器的電容值為：

(1)

式中，ε0為真空介電常數。當電容器內充滿介電常數為εx的均勻電介質時，電容器的電容為：

Cx=εxC

(2)

根據以上兩式，只要分別測量出有無電介質(潤滑油)時的電容C和Cx，即可計算出潤滑油的介電常數εx。

2.3 AD7747接口電路設計及工作原理

選用AD公司最新高精度電容檢測芯片AD7747作為模數轉換芯片，該芯片分辨率高達24位，精確度可達±8.0 f F(出廠標定)。該芯片采用Σ-Δ技術，采用標準Σ-Δ調制器，通過切換固定的電容，平衡可變電壓輸入和固定基準電壓輸入之間的電荷，即可實現高精度電容檢測。 該芯片可通過I2C總線在單片機控制下進行被測電容的模數轉換。AD7747是為浮地電容傳感器設計的，故被測電容應一端直接連接到AD7747的輸入端，另一端接地[4]。單片機與AD7747的接口電路如圖3所示。

圖3 單片機與AD7747的接口電路

其工作原理如下：首先在時鐘脈沖控制下，C8051F410單片機通過I2C總線向AD7747發送寫入初始化設置命令，使AD7747做好模數轉換準備；然后當AD7747通過I2C總線收到單片機發來的讀數據命令后，即可將24位的模數轉換結果(電容測量值)通過SDA引腳(引腳16)發給單片機的P0.6引腳，單片機對該結果進行處理和分析后，送至顯示器顯示。

單片機與AD7747之間的數據傳送過程中，應確認數據傳送的開始和結束。開始和結束信號都是由單片機C8051F410產生。在開始信號以后，I2C總線即被認為處于忙狀態，其他器件不能再產生開始信號。單片機C8051F410在結束信號以后退出主器件角色，經過一段時間，總線才被認為是空閑的。I2C總線的數據傳送格式是在I2C總線開始信號傳輸后，送出的第1個字節用來選擇從器件地址，其中，前7位是地址碼，第8位為方向碼(R/W)。數據傳送方式采用時鐘脈沖逐位串行傳送方式。

3 更換閾值的正交試驗方案設計與回歸分析

潤滑油衰退到需要更換時的介電常數值稱為更換閾值，該值是確定視情更換的依據。由于國家有關標準已規定了潤滑油必須更換時的酸值、水分含量和金屬磨粒含量的臨界值，因而可以根據潤滑油的理化分析結果(臨界酸值和水分含量)以及光譜分析和鐵譜分析結果(臨界金屬磨粒含量)計算出更換閾值。為確定更換閾值的計算公式，本文確定了以正交試驗表L9(33)(三水平、三因素)為依據，三元回歸分析的計算方案，即將水分含量X1、酸值X2和金屬磨粒含量X3作為影響介電常數的三因素，將每個因素的變化水平設計為3個，結果可得到9組試驗結果，再對這9組試驗結果進行三元回歸分析。試驗方案見表1，表1中，X1C、X2C、X3C分別為標準中規定的潤滑油臨界水分含量、酸值和金屬磨粒含量。

表1 影響介電常數的因素、水平表

對表1所得試驗結果進行三元回歸分析，可得介電常數計算公式如下：

ε=a0+a1X1+a2X2+a3X3

(3)

式中，a0、a1、a2和a3為回歸系數。可見，只要通過試驗測定出X1c、X2c和X3c，即可計算出潤滑油的更換閾值，作為視情更換的理論依據。

4 結語

通過檢測易于測量的潤滑油介電常數來綜合反映航空發動機潤滑油的衰退程度，可以在許多場合替代工序繁多、操作復雜的潤滑油理化分析和成本高昂的鐵譜和光譜分析，為潤滑油的更換提供重要的參考依據。采用電容/數字轉換芯片AD7747可以顯著提高檢測精度，簡化電路設計，與微型液晶顯示器LCD1602配合，實現了檢測系統的手持式設計。試驗結果表明，該檢測系統運行可靠，檢測結果精確，可為航空發動機潤滑油的更換和剩余壽命確定提供可靠的量化依據。