基于齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統的分析與研究

于大海 曹國棟 竇同豪 朱艷姝 王景 王玉潔

摘要：針對已有油液在線監測產品（單一參數或集成多個單一參數的油液監測）的缺陷與不足，提出了一種齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM（Prognostics and health management，故障預測與健康管理）系統，運用了多參數多維度的監測方法，初步采用通用的經驗數據模型，通過實驗驗證模型的可行性及可靠性。給出多參數多維度的綜合評判標準，降低誤報率，為機械動力設備故障監測與壽命預測提供理論支撐，為油液在線監測技術的研究、應用和推廣提供更可靠的方法。

Abstract： Existing on-line oil monitoring products can only monitor single parameter， but could integrate several sensors for multiple parameters measurement. Here we introduce a new oil online monitoring PHM （Prognostics and health management） system of gearbox based on multi-parameter and multiple dimensions of oil monitoring sensors. The system adopts empirical curve models， verifies the reliability， and improves accuracy of the models through later experiments and applications. A more accurate multi-parameter and multi-dimensional comprehensive evaluation curve model can be given to improve accuracy， to predict faults at much longer time， and to reduce false alarm rate. This PHM technology can provide theoretical support for fault monitoring and life prediction of mechanical power equipment， and provide a more reliable method for the research， application and promotion of oil on-line monitoring technology.

關鍵詞：齒輪箱;潤滑油;在線監測;PHM

Key words： gearbox;oil;on-line monitoring;PHM

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0082-04

0 ?引言

隨著機械設備結構和功能日益復雜和自動化程度日益提升，使用者對設備安全和可靠性的要求越來越高，事后維修和定期維修在很多領域已經不能滿足維修保障要求。故障預測與健康管理（Prognostics and health management，PHM）技術可以維護機械設備的安全性、可靠性，節約維修保障成本。從20世紀70年代，PHM（故障預測和健康管理）系統逐步在工程中應用，其中A-7E飛機的發動機監測系統是早期PHM技術工程應用的典型案例。采用PHM技術后飛機的故障不可復現率減少82%，維修人力減少20～40%，后勤規模減小50%，出動架次率提高25%，飛機的使用與保障費用比過去的機種減少了50%以上，而使用壽命達8000飛行小時[1]。統計數據充分證明了PHM系統在降低維修保障成本，提高武器裝備安全性、可用度與完好性，確保任務成功性，提升作戰效能方面的重要作用[2-3]。

隨著潤滑油和液壓油參與工作循環的次數增多，油液會因設備磨損產生的鐵磁顆粒的混入而污染。在設備磨損的中后期，鐵磁顆粒的生成速度很快，若不能及時獲知油液污染水平處于高位，并據此啟動油液清洗工作或設備停機檢修的工作，則將存在因為潤滑油或液壓油在油箱內靜置不充分或磁塞飽和而導致鐵磁顆粒隨油液再次進入到設備的潤滑間隙或工作間隙的風險。而一旦鐵磁顆粒再次進入到設備的潤滑間隙或工作間隙，則可能導致惡性的設備停機事故或設備提前失效事故，造成極大的經濟損失[4]。

目前，通常在油箱上設置取樣口或在潤滑管路中設置取樣口，并定期在取樣口處對油液取樣。將獲得的油液樣本在實驗室進行分析，從而得到油液中鐵磁顆粒的形狀和數量信息。這種油液品質檢測方法不能及時反映油液污染情況，處理流程長，且涉及到設備管理部門和實驗室部門間的協作，響應慢，效果差[4]。調查表明對于已經存在嚴重磨損問題的設備進行離線油樣分析的結果為：50%沒有發現問題，45%顯示失效即將發生，僅5%檢測出現嚴重問題[5]。離線檢測消耗了大量的人力物力，也很難保證數據的時效性，無法及時的診斷故障。

另一方面，除鐵磁顆粒含量之外，油液品質參數還包括介電常數，水分含量，酸性氧化物質總量，電導率和腐蝕性硫含量等理化指標。相比于鐵磁顆粒，這些指標的老化過程長，隨油液使用時間的變化較慢。通常是在實驗室，按照石化行業的相關標準，對獲得的油液樣本針對不同檢測項目分別進行測試，從而得到這些理化指標。這種方式耗時長，且不同檢測項目的檢測周期難以一致，不同檢測項目獲得的數據難以進行縱向對比，從而難以獲得全局性的老化趨勢[4]。因而，一種切實可行的齒輪箱潤滑油在線監測PHM系統是十分必要的，既能給出齒輪箱、液壓設備或是電機故障分析，亦能給出油液或機械動力設備的壽命預測。

1 ?已有的油液在線監測傳感技術分析

1.1 磨損顆粒在線監測傳感技術分析

美國MACOM Technologies公司開發的TechAlertTM10型（如圖1）、加拿大GasTops公司開發的MetalSCAN磨粒傳感器（如圖2）和英國KittiWake開發的FG型在線磨粒量傳感器（如圖3）。國內有廣研檢測生產的齒輪箱油液在線檢測儀，監測磨損顆粒、油液黏度，污染水分三個參數，北京航峰科偉裝備技術股份有限公司生產的在線油液污染度檢測儀（圖4）。

這類在線監測傳感技術是安裝在設備潤滑系統上的實時采集流經摩擦副后的油液中所含磨損顆粒量信息并提供超限報警功能的在線監測技術。原理采用的都是電感線圈法，其關鍵技術是正確區分潤滑油中進入的一些非鐵磁性顆粒以及氣泡等。但以上幾種傳感器技術存在一定的缺陷，他們能監測的最小鐵磁性顆粒也是40um以上，非鐵金屬顆粒最小也得是100um以上。機械動力設備開始發生異常磨損的磨粒尺寸是10um，但不是說磨損顆粒在這個尺寸就一定出現磨損故障，需要一定累積的過程;同時，對機械設備磨損故障來講，小尺寸顆粒的監測同樣重要，油液中的微米級小顆粒具有時間的發展趨勢特性，其大量的產生對油品氧化物、油泥、漆膜等會起到催化效應，進而引發非一般性磨損故障。如油路過濾網堵塞、液壓閥件卡阻等，而這些信息對磨損故障機制評價似乎并不具有價值，但它卻又引發摩擦學故障。

1.2 油液黏度在線監測傳感器技術分析

美國精量MEAS公司的FPS2800系列油液在線監測黏度傳感器（如圖5），利用石英音叉技術，通過檢測油液中石英音叉的機械諧振特性與油液物理參數的關系，通過專用解算算法，可同時測量油液的粘度、密度、介電常數和溫度參數四種品質參數，能夠從多方面綜合評價油液的品質。但粘度監測范圍只有0.5-50cp。

但是單一粘滯度參數來評判油液的好壞，并不是在線監測油液的一個可靠參數。油液氧化和齒輪箱磨損的參數變化，會導致粘滯度上升或者下降。綜合結果粘滯度經常是不變。然而實際情況是粘滯度不變的時候，油液也許被氧化的很嚴重，齒輪箱磨損也很嚴重。所以單一從粘滯度參數來評判油液的品質，并不科學。

1.3 油液多參數在線監測傳感器技術分析

美國精量MEAS公司的FPS2800系列油液在線監測傳感器（如圖5），可同時測量油液的粘度、密度、介電常數和溫度四種油液品質參數，能夠從多方面綜合評價油液的品質，但對更能準確反映油液品質的鐵磁顆粒含量、水分含量、酸堿度等關鍵指標，并未涉及。

英國KittiWake開發的集成在線傳感器（如圖6），集成了鐵屑含量傳感器、水分含量傳感器和顆粒含量傳感器，可監測油液品質的鐵屑含量、水分、和金屬顆粒含量等三個參數。防護等級IP65，最大工作壓力10Bar，最大黏度350cst@40℃。模擬信號輸出4-20mA。該產品集成了文中1.1介紹的磨損顆粒在線傳感器技術，同樣存在不能監測小的磨損顆粒的問題。另外模擬量輸出給后臺采集及數據分析帶來很大的干擾。

2 ?關于齒輪箱潤滑油在線監測PHM系統分析與研究

針對以上現有油液在線監測傳感器技術，并不能完全滿足齒輪箱油液狀態監測與診斷的實際需要，針對不同時速齒輪箱、不同潤滑油的油液多參數在線監測PHM系統（如圖7）被研發出來。

2.1 齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統基本原理及構成

2.1.1 監測參數

該系統實時監測4個參數：鐵磁顆粒、介電常數、導電率和溫度。

2.1.2 基本構成

該系統是獨立研發的1款全新的兼具現有磁栓功能，具有感知能力的新磁栓。該磁栓通過頭部感知功能，監測運行中齒輪箱潤滑油參數數據的變化趨勢和數據突變，實現對齒輪箱磨損狀況、潤滑油品質的實時在線監測。

2.1.3 基本原理

采用LCR設計原理，詳細原理圖如圖8。

2.2 齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統監測方法

反映油液品質的參數包括粘滯度，潤滑度、總酸度、總堿數量、水分含量、金屬顆粒含量、碳顆粒含量、介電常數、交流阻抗等等。通常的國內和美國油品質的判定都是以每一個參數是否達到臨界點為判斷標準，如果有一個參數達到臨界點，油品質量就很差，需要更換該油品。但是事實上，通過大量的、幾十年的、幾十萬臺的長期觀察，人們經常發現，在沒有任何一個參數達到臨界點時，油品也已經失去相應功能，需要進行更換。即油品的質量并不能從多參數的每個參數的獨立一維臨界點作為判斷油品質量的標準。

研發的齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統借鑒發明專利（一種多參數的多維度油品質量監測方法及系統201410350414.7）采用多參數多維度的監測方法，評判標準也是綜合參數來評判，打破傳統單一的每個參數的閾值來評判。系統從設備早期開始就進行實時監測，不受顆粒大小的限制，含有經驗綜合評判曲線（適用通用場合），再根據不同的應用環境、監測不同的油品，進行跑合，重新校準綜合評判曲線，使其更好的獲得同種應用環境，同一油品品質監測綜合評判曲線及壽命預測。

2.3 齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統模擬測試與分析

齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統監測鐵磁顆粒、介電常數、導電率和溫度等4個參數，此處給出鐵磁顆粒、介電常數2個參數的模擬測試與分析，模擬裝置如圖9。

鐵磁顆粒模擬測試：準備3種濃度的油樣（編號KRG75W-80潤滑油進行配樣），即鐵磁顆粒濃度0PPM油樣100mL、鐵磁顆粒濃度2000PPM油樣100ml、鐵磁顆粒濃度10000PPM油樣100ml。共進行6次添加油樣，添加順序見表1，6次添加油樣實時監測結果如圖10。

6次添加油樣，每次傳感器穩定值，與理論添加鐵粉含量比較，如表2。

分析實時監測鐵粉含量與理論添加鐵粉含量這兩組數據的相關性為0.999644，相關度較好。

介電常數模擬測試：準備3種不同種類的油，分別是編號KRG75W-80潤滑油新油、食用調和油、蓖麻子油。每種油取3ml分別加在傳感器表面，實時監測結果如圖11。

油液的氧化和齒輪箱的磨損都會導致油液介電常數增加，不同的氧化程度或者磨損情況會使介電常數上升的速率不同，所以監測介電常數的實時變化，也是在線監測油品質量或機械動力設備磨損的重要指標。

以上給出齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統中4個參數的2個參數的模擬驗證，根據以上模擬測試結果分析，該系統的監測方法及監測手段是可行的，靈敏度及精度也較高。

2.4 齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統臺架試驗情況數據分析

圖12中所示1#、2#、3#、4#為四個進行了臺架跑合實驗后的傳感器柱面及頭部鐵磁性顆粒的狀態分布。

各傳感器在齒輪箱上試驗階段的部分實時數據曲線，如圖13。（橫坐標：齒輪箱實時運行時間，左縱坐標：數值，右縱坐標：溫度）

臺架試驗跑合數據曲線，與模擬數據趨勢吻合，證明了該系統的監測方法及監測手段是可行的，在線監測可及時準確的掌握齒輪箱中油液的實時狀態，給設計及維護人員提供更便捷的數據支撐。

3 ?結論

齒輪箱潤滑油多參數在線監測PHM系統及采用的多參數多維度的油品質量監測方法是一種新型的在線油液監測手段，根據多參數變化的趨勢來進行綜合評判，經過不同應用場合及不同種類油品的驗證校準，可以給出更精準的多參數多維度的綜合評判曲線模型，降低誤報率。這一打破傳統油液在線監測方法的PHM技術，亦可應用在其他機械動力設備上，為機械動力設備故障監測與壽命預測提供理論支撐，為油液在線監測技術的研究、應用和推廣提供更可靠的方法。

參考文獻：

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