齒輪箱潤滑油在線監測系統總體設計

錢勇武，張萌萌，吳同浦

(1. 江蘇國信靖江發電有限公司，江蘇 泰州 214500；2. 南京師范大學 能源與機械工程學院，江蘇 南京 210046；3. 南京韋伯測控技術有限公司，江蘇 南京 210037)

0 引言

潤滑油在軸承內部能夠起到減少磨損、延長使用壽命的作用[1-2]。現有油液監測技術可以利用光、電、磁學等手段，監測潤滑油的性能變化趨勢及其中裹挾的磨損微粒的狀態，獲得機器的潤滑和磨損信息[3]。該技術對于降低事故發生率、提高設備的可靠性具有重要意義[4]。

國外許多企業對油液在線監測技術進行了研究，以提高設備故障診斷效率[5]。麻省理工大學的W W Seifert教授通過對機器潤滑油中磨損微粒的研究，提出了鐵譜技術的原理，繼而成功研制出了世界上的第一臺鐵譜儀[6]。加拿大人工智能產品公司對油液進行光譜分析和理化分析，并設計500多種規則，用來評價柴油機的磨損狀態[7]。北美某公司生產的一款名為METAICAN的油液監測傳感器，可以全流量監測潤滑油中金屬顆粒的大小及總質量[8]。相關研究使得油液的在線監測分析技術日趨成熟。

國內學者對油液在線監測技術同樣進行了大量的研究[9]。陳衛民等[10]設計了基于變介電常數式電容傳感器的潤滑油品含水率變送器，實現了對液壓系統的潤滑油含水率進行多點實時監測。孟慶民[11]利用油液中懸浮狀態的顆粒對光線的吸收特性，設計了一種油液光纖監測系統。呂曉軍等[12]研制出一種可用于不透光潤滑油的磨粒圖像可視在線監測鐵譜儀，通過磨粒的情況在線反映機械磨損狀態。

為了提高齒輪箱潤滑系統的故障監測水平，本文設計了一套油液在線監測系統，以實時監測潤滑油的多項參數指標，為設備的管理和維護提供保障。

1 油液監測基本知識

通過監測齒輪箱潤滑油連續運行狀態下的數據，能夠對齒輪箱的早期磨損及故障進行診斷和分析，預知維修需求及視情濾油或換油。一旦齒輪箱發生故障，維護人員能夠在第一時間獲得齒輪箱在故障發生前后的運行數據，對齒輪箱故障原因分析及診斷有重大意義[1, 13]。

油液監測分析分為對油液自身物理和化學性能的監測分析、油液攜帶固體顆粒的監測分析以及油液污染度分析三方面，圖1所示為油液監測分析技術手段及目的。

圖1 油液監測分析技術手段及目的

結合對實際工況的設計要求，本文采用紅外分析、光譜分析以及激光光阻法，應用于齒輪箱潤滑油的在線監測，對潤滑油黏度、溫度、密度、介電常數、水含量、水活性、顆粒度進行實時在線監測并進行對照分析。

2 系統總體設計

2.1 總體結構設計

系統總體結構如圖2所示，主要由傳感器、傳感器與數采控制模塊間通信、數采控制模塊、數采控制模塊與上位機間通信、上位機5個部分組成。系統進入正常工作狀態后，數采控制模塊開始對傳感器的輸出信號進行實時采樣，將模擬信號轉換為數字信號，完成A/D轉換；接著數采控制模塊通過數據處理等算法提取各參數的信息數據，分析得到的多種數據信息存儲在內置的存儲器中；當上位機向數采控制模塊請求數據時，利用通信程序將所采數據發送給上位機。

圖2 系統總體結構圖

為更好地實現潤滑油的監控和管理，系統中通常會安裝監測與數據采集模塊，系統結構如圖3所示，包括現場采集，控制執行和遠程操作3個模塊，利用通信網絡將3個層次串聯在一起，從而實現組態的概念。

圖3 集散控制系統總體結構圖

2.2 傳感器的選用

本文選用的傳感器主要包括顆粒度傳感器和油液品質傳感器。

在線顆粒度傳感器選用某公司的YFJ-4傳感器，采用遮光法原理研制，可實時給出所測樣品的顆粒計數及污染度等級。如圖4所示，平行光束垂直射過截面積為A的樣品流通室，照射到光電接收器設備上，當液流中沒有固體顆粒時，電路輸出的電壓即為E；當液流中有一個投影面積為a的顆粒通過樣品流通室時，就會阻擋平行光束，使透射光產生衰減，此時在電路上輸出一個幅度為E0的負脈沖。

圖4 遮光法原理圖

本監測系統選用YFVW-6油品特性傳感器來實現對油品的監測。此型號傳感器采用壓電諧振MEMS元件，通過內部集成的高精度信號采樣與處理單元，可以實時自動檢測液體的水分、密度、黏度、介電常數、水分活度和溫度6項指標。

綜合監測方案與所選傳感器的設置，集成之后的傳感器系統監測內容匯總如表1 所示。

表1 監測內容匯總表

2.3 通信部分的設計

本系統傳感器與數采控制模塊間的通信采用RS485/Modbus方式，兩者的通信模塊接口設置為RS485 串行通信接口，并工作在Modbus RTU通信模式下。串口默認設置如表2所示，通信電纜電氣連接如圖5所示。

表2 串口默認設置

圖5 通信電纜電氣連接

數采控制模塊通過有線或者無線的方式與上位機進行通信，有線方式主要是RS485總線、以太網；無線通信方式則可采用Wi-Fi、4G、5G通信技術接入互聯網，同時無線通信為實現與地面各類終端以及它們之間的通信提供了便捷，包括手機、平板和PC等通信需求。

3 在線監測系統上位機軟件設計

3.1 系統主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示，分兩種途徑對數據進行處理，其一是經補償處理之后在用戶界面的實時顯示，可以選擇單參數實時趨勢分析曲線圖和雙參數特性趨勢分析曲線圖；其二是將初始的數據存入數據庫，以供用戶查詢歷史數據或曲線。針對實時性要求強的特性，系統設計過程中用到多線程技術，可以解決緩沖區溢出的問題。

圖6 系統主程序流程圖

3.2 軟件模塊及界面設計

在線監測系統軟件功能模塊如圖7所示，主要分為基本信息設置、實時數據處理、信息統計查詢、生成報表等4個模塊。

圖7 軟件功能模塊

實時數據顯示模塊是系統的核心，主要將接收的數據經過補償等算法處理后在用戶界面顯示，在一定程度上可以為齒輪箱的運行狀態評估和故障診斷提供參考依據。

由于油品監測還未形成一定的在線標準，油液信息查詢在標準成型之前可以使用設備潤滑研究院和油液檢測中心等機構制定的經驗值來做替代，此參考值會不定期進行更新，因此依舊可以起到一定作用。

生成數據報表模塊是根據所選的時間段，整理出相應的數據，按照預定的格式打印出油品特性和顆粒度的數據表或是曲線，以便之后的統計和查詢。

監測系統采用C#語言進行軟件編程，軟件程序通過Visual Studio 2013開發環境編譯。以潤滑油型號為320#工業閉式齒輪油的1號齒輪箱為例，程序提供兩種實時數據曲線模式，每種模式下也可以人性化地選擇想要查看的具體參數，每種趨勢曲線均以彈出窗體的形式來展現，歷史數據界面可以查看油液早期的狀態，為維護人員預估換油時間和診斷設備提供依據。

3.3 數據庫的設計

油液監測系統的數據庫主要有3個功能：1)存儲油液的狀態及顆粒度參數的各項數據；2)提供儲存容器；3)保存油液的各項標準、經驗值及故障報警記錄。基于這3項基本功能而設計的主要數據庫表如圖8所示。

通過對系統進行的功能需求分析和總體設計，可以把實體對象設計為實時數據類型、用戶、監測設備、油液、標準、經驗值和故障實例等多個實體。對實體E-R關系進行設置并對實體信息進行屬性分析將有利于數據表的構建。

圖8 主要數據庫表

4 結語

1) 本文闡述了齒輪箱故障及常用的油液監測內容和分析方法，提出了適用于本系統的油液監測方案。

2) 本文提出了系統的總體設計方案，結合系統的功能需要和設計目的，選擇了相應的傳感器、控制芯片和通信方式及協議。

3)本文設計了上位機數據軟件的功能模塊和顯示界面、上位機數據庫等，闡述了主程序處理流程和各模塊組成及作用。