利用5G和IOT實時監測工程機械潤滑油的工作狀況

楊春永

(卡特彼勒技術研發(中國)有限公司青島分公司，山東 青島 266061)

0 引言

隨著5G技術和工業互聯網(IOT)的快速發展，以及目前我國工程機械行業一派大好的形勢疊加下，各主要工程機械生產廠家掀起了一場如火如荼的追趕新技術的浪潮，近期紛紛推出電驅動、無人駕駛、自動操作、遠程控制、智能機群等的新型工程機械及其組合，以期搶占市場制高點，達到先聲奪人的戰略目的。

從目前了解到的信息來看，各廠家除了在整機操控系統的層面對這些新技術的應用加大研究外，也開始了對于主要零部件性能的監測和故障的早期智慧診斷研究，尤其是對整機運行非常重要、和工程機械如影隨形、永不分離的潤滑油，更是從技術和管理層面加大了研發力度。

在過去，由于潤滑油普遍由供應商或代理商提供，主機廠關注少，且潤滑油的使用數據又難以收集，導致用戶在實際使用潤滑油過程當中的問題難以徹底解決，長期以來客觀存在著用戶和主機廠之間的矛盾[1-3]。

1 潤滑油的重要性及傳統管理方式存在的問題

潤滑油對于工程機械非常重要，首先是工程機械應用的潤滑油及相關產品非常多，像柴油、液壓油、傳動油、機油、潤滑脂、制動液等等。其次，潤滑油對于工程機械來說又是必不可少的，像柴油、液壓油、傳動油等常被比做工程機械的“血液”，而潤滑油又被比做工程機械的“體液”。沒有血液就無法傳遞能量，而沒有體液，則所有的關節將無法運動，具體見圖1。

圖1 潤滑油之于工程機械

潤滑油對于工程機械是如此重要，而在之前，很多工程機械主機廠家和潤滑油供應商卻基本對其處于失控狀態。因為賣出去的機器設備一旦到達客戶手中，主機廠了解這臺機器狀態的主要溝通方式就是電話回訪，然后由服務人員進行記錄并簡單分析判斷。

這種方式存在很多的局限性，首先是很多客戶往往描述不清，或是有意隱瞞某些信息，導致回訪得到的結果無法準確指導客戶維護和保養機器。因為這些信息往往滯后，發現問題的時候，故障已經發生，客戶的損失已經難以挽回了。但就是這種簡單的溝通方式，也大多局限于三包期之內，一旦超出三包期，潤滑油的使用更是無人問津。

長期以來，潤滑油的問題一直是主機廠、客戶和供應商之間的一個痛點。然而，隨著數字時代的到來，應用5G和工業互聯網技術則是為我們提供了一種實時、準確、且能保證多方共贏的方式。因為工業互聯網的真正價值在于我們能夠以更快、更安全和可預測的方式獲取潤滑油實時狀態信息，并利用這些數據幫助客戶改善整機各流體動力系統的性能。

2 采用新技術實時監測潤滑油狀態的意義

能夠實時收集到潤滑油工作狀態的數據并做出適當的處理，對于客戶、主機廠和潤滑油供應商都具有重大的意義，四者關系見圖2。

圖2 客戶、主機廠、潤滑油及其供應商關系

2.1 對客戶的影響

對于工程機械的用戶來講，如果能在機器設備出現故障之前得到提示，則可以提前進行預防性的維護，以減少甚至消除出現故障后的停機時間和維修損失。同時，對于需要周期性維護的項目，如果能夠做到用智能的方式進行按需維護，則可以為客戶降低維護成本。例如在潤滑系統當中，過濾器是一個非常重要的部件，如圖3所示，它主要由濾網和旁通閥組成，其工作原理是：當潤滑油壓力低于旁通閥設定值時，潤滑油經過濾網，并過濾掉雜質，然后進入工作部件。而隨著濾芯不斷收集雜質顆粒，濾芯的效率會越來越低，當壓力達到旁通閥的設定壓力時，旁通閥打開，潤滑油繞開過濾器濾網直接進入工作部件，過濾器就不再有效了。

圖3 過濾器原理

傳統的液壓過濾預防性維護通常是基于時間表或基于彈出式指示器，該指示器會告訴用戶過濾器即將到期或已經過期，但在這種情況下，過濾器往往可能因為已超出其有效性從而降低了效率，或者已經失去了作用。同時，按時間計劃更換所有過濾器，有可能其實有些過濾器并不需要更換，而一旦更換了就是在浪費金錢[4-5]。

而對于使用IOT部署智能過濾的機器設備，能夠在壓力達到峰值之前，在準確的時刻提醒用戶在正確的時間更換過濾器。這不但能保證過濾器時刻有效地保護客戶的機器，并可為客戶節省超過30%的過濾器成本，建立真正的過濾效率。

2.2 對主機廠的影響

由于設計工程師不可能深入實地了解每臺設備在傳統的非公路或工廠車間內高度變化的環境中如何工作，因此將采用新技術后采集到的信息反饋給他們，他們就可以圍繞產品的實時數據做出更明智的設計決策工作。

維護工程師可以從采集到的數據中了解潤滑油實時狀態、對用戶提出維護建議和指導，由事后維修變為事前預防，并將發現的問題反饋給設計工程師。設計工程師通過這些數據，可以更準確地分析故障發生的原因，為制造商改進設備提供科學和數字化的依據，由此可以得到海量的實時數據并節省大量的研發成本，舉例如下。

在以前，設計師如果想要知道液壓油在工作泵中的工作情況，傳統的方式是用一個油桶，一根軟管和一個秒表等，這是檢查流速和整體效率的一種方法，但這種方法費時費力，且準確度低。現在有了5G和工業互聯網，就可以設計一個智能工作泵，將需要的傳感器裝到工作泵上，設計師就可以坐在本公司的辦公室內，實時接收到這臺泵的工作數據，包括流量、流速、壓力、溫度，并可以直接計算出容積效率等參數。

產品設計師通過這些數據，可以判斷該泵的工作狀態是否達到了期望的設計水平，一旦低于期望，則可以迅速啟動改進流程，而不用等到若干年后。維護工程師則可以通過這些數據，為用戶提供及時的指導，保障用戶的設備始終工作在最佳狀態[7]。

2.3 對潤滑油供應商的影響

在以往，潤滑油一旦被加入到用戶的設備之中，對潤滑油的供應商來說，往往就變成了一個黑匣子，從而對潤滑油的工作狀況一無所知。而現在，在新技術的條件下，有了獲得有關油液更多信息的機會，而能否同主機廠分享數據就變得至關重要，因此，合作共贏變成了當前及今后的不二之選。

通過分析收集到的數據，使潤滑油供應商可以準確地分析出用戶的使用工況是否符合預先設定的工作條件，包括載荷大小，是否防止了污染物進入，是否保持了流體處于適當的溫度和壓力等等。同時，根據用戶所在的行業，可以更多地了解潤滑油添加劑包是否合適，是否有金屬侵入、流體氧化等。

在潤滑油供應商嘗試獲得潤滑效率時，必須考慮所有可能造成影響的因素。而傳統上，一般人往往首先用眼睛觀察油品是否清潔，然后進行液體樣本收集，再將其進行色塊測試或發送到實驗室檢測，最后生成測試報告，整個過程繁瑣冗長。但即使是這樣，也往往因為沒有使用過程中的實時數據，測試和實驗后只能以黏度或黏度指數的變化來進行判斷[4]。

3 總結

得益于國家基礎建設和經濟建設的快速發展，工程機械在過去的三十年中一路高歌猛進，只從數量上來說，我國已成為名副其實的工程機械大國，但在性能先進性、產品可靠性、市場服務性等方面仍有較大的提升空間。當前的5G技術和工業互聯網的快速發展，為工程機械行業技術更新換代提供了保障，尤其對于原來不受重視的、數據收集難度較大的潤滑油更是一個天賜良機，從技術角度和管理角度都會得到較大的提升，表1列出了在新技術條件下和傳統管理方式的不同。

表1 新技術條件下潤滑油數據收集和傳統管理方式的不同

當然，要對潤滑油的實時狀態實現遠程監測，數據的采集和傳輸這兩個重要因素缺一不可。基于上述分析，數據傳輸問題已基本解決。而另一個重要的因素就是要有合適的傳感器，能夠實時地采集到所需要的信息。雖然，智能傳感器的發展一日千里，但目前，現場可用的，靈敏度、可靠姓、性價比高的傳感器仍然較少，因此，相關企業應加大研發力度，盡快研制出能實時采集潤滑油物理及化學特性參數的傳感器[6，8]。