于大海 曹国栋 窦同豪 朱艳姝 王景 王玉洁

摘要：针对已有油液在线监测产品（单一参数或集成多个单一参数的油液监测）的缺陷与不足，提出了一种齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM（Prognostics and health management，故障预测与健康管理）系统，运用了多参数多维度的监测方法，初步采用通用的经验数据模型，通过实验验证模型的可行性及可靠性。给出多参数多维度的综合评判标准，降低误报率，为机械动力设备故障监测与寿命预测提供理论支撑，为油液在线监测技术的研究、应用和推广提供更可靠的方法。

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.

關键词：齿轮箱;润滑油;在线监测;PHM

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

中图分类号：U46                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0082-04

0  引言

随着机械设备结构和功能日益复杂和自动化程度日益提升，使用者对设备安全和可靠性的要求越来越高，事后维修和定期维修在很多领域已经不能满足维修保障要求。故障预测与健康管理（Prognostics and health management，PHM）技术可以维护机械设备的安全性、可靠性，节约维修保障成本。从20世纪70年代，PHM（故障预测和健康管理）系统逐步在工程中应用，其中A-7E飞机的发动机监测系统是早期PHM技术工程应用的典型案例。采用PHM技术后飞机的故障不可复现率减少82%，维修人力减少20～40%，后勤规模减小50%，出动架次率提高25%，飞机的使用与保障费用比过去的机种减少了50%以上，而使用寿命达8000飞行小时[1]。统计数据充分证明了PHM系统在降低维修保障成本，提高武器装备安全性、可用度与完好性，确保任务成功性，提升作战效能方面的重要作用[2-3]。

随着润滑油和液压油参与工作循环的次数增多，油液会因设备磨损产生的铁磁颗粒的混入而污染。在设备磨损的中后期，铁磁颗粒的生成速度很快，若不能及时获知油液污染水平处于高位，并据此启动油液清洗工作或设备停机检修的工作，则将存在因为润滑油或液压油在油箱内静置不充分或磁塞饱和而导致铁磁颗粒随油液再次进入到设备的润滑间隙或工作间隙的风险。而一旦铁磁颗粒再次进入到设备的润滑间隙或工作间隙，则可能导致恶性的设备停机事故或设备提前失效事故，造成极大的经济损失[4]。

目前，通常在油箱上设置取样口或在润滑管路中设置取样口，并定期在取样口处对油液取样。将获得的油液样本在实验室进行分析，从而得到油液中铁磁颗粒的形状和数量信息。这种油液品质检测方法不能及时反映油液污染情况，处理流程长，且涉及到设备管理部门和实验室部门间的协作，响应慢，效果差[4]。调查表明对于已经存在严重磨损问题的设备进行离线油样分析的结果为：50%没有发现问题，45%显示失效即将发生，仅5%检测出现严重问题[5]。离线检测消耗了大量的人力物力，也很难保证数据的时效性，无法及时的诊断故障。

另一方面，除铁磁颗粒含量之外，油液品质参数还包括介电常数，水分含量，酸性氧化物质总量，电导率和腐蚀性硫含量等理化指标。相比于铁磁颗粒，这些指标的老化过程长，随油液使用时间的变化较慢。通常是在实验室，按照石化行业的相关标准，对获得的油液样本针对不同检测项目分别进行测试，从而得到这些理化指标。这种方式耗时长，且不同检测项目的检测周期难以一致，不同检测项目获得的数据难以进行纵向对比，从而难以获得全局性的老化趋势[4]。因而，一种切实可行的齿轮箱润滑油在线监测PHM系统是十分必要的，既能给出齿轮箱、液压设备或是电机故障分析，亦能给出油液或机械动力设备的寿命预测。

1  已有的油液在线监测传感技术分析

1.1 磨损颗粒在线监测传感技术分析

美国MACOM Technologies公司开发的TechAlertTM10型（如图1）、加拿大GasTops公司开发的MetalSCAN磨粒传感器（如图2）和英国KittiWake开发的FG型在线磨粒量传感器（如图3）。国内有广研检测生产的齿轮箱油液在线检测仪，监测磨损颗粒、油液黏度，污染水分三个参数，北京航峰科伟装备技术股份有限公司生产的在线油液污染度检测仪（图4）。

这类在线监测传感技术是安装在设备润滑系统上的实时采集流经摩擦副后的油液中所含磨损颗粒量信息并提供超限报警功能的在线监测技术。原理采用的都是电感线圈法，其关键技术是正确区分润滑油中进入的一些非铁磁性颗粒以及气泡等。但以上几种传感器技术存在一定的缺陷，他们能监测的最小铁磁性颗粒也是40um以上，非铁金属颗粒最小也得是100um以上。机械动力设备开始发生异常磨损的磨粒尺寸是10um，但不是说磨损颗粒在这个尺寸就一定出现磨损故障，需要一定累积的过程;同时，对机械设备磨损故障来讲，小尺寸颗粒的监测同样重要，油液中的微米级小颗粒具有时间的发展趋势特性，其大量的产生对油品氧化物、油泥、漆膜等会起到催化效应，进而引发非一般性磨损故障。如油路过滤网堵塞、液压阀件卡阻等，而这些信息对磨损故障机制评价似乎并不具有价值，但它却又引发摩擦学故障。

1.2 油液黏度在线监测传感器技术分析

美国精量MEAS公司的FPS2800系列油液在线监测黏度传感器（如图5），利用石英音叉技术，通过检测油液中石英音叉的机械谐振特性与油液物理参数的关系，通过专用解算算法，可同时测量油液的粘度、密度、介电常数和温度参数四种品质参数，能够从多方面综合评价油液的品质。但粘度监测范围只有0.5-50cp。

但是单一粘滞度参数来评判油液的好坏，并不是在线监测油液的一个可靠参数。油液氧化和齿轮箱磨损的参数变化，会导致粘滞度上升或者下降。综合结果粘滞度经常是不变。然而实际情况是粘滞度不变的时候，油液也许被氧化的很严重，齿轮箱磨损也很严重。所以单一从粘滞度参数来评判油液的品质，并不科学。

1.3 油液多参数在线监测传感器技术分析

美国精量MEAS公司的FPS2800系列油液在线监测传感器（如图5），可同时测量油液的粘度、密度、介电常数和温度四种油液品质参数，能够从多方面综合评价油液的品质，但对更能准确反映油液品质的铁磁颗粒含量、水分含量、酸碱度等关键指标，并未涉及。

英国KittiWake开发的集成在线传感器（如图6），集成了铁屑含量传感器、水分含量传感器和颗粒含量传感器，可监测油液品质的铁屑含量、水分、和金属颗粒含量等三个参数。防护等级IP65，最大工作压力10Bar，最大黏度350cst@40℃。模拟信号输出4-20mA。该产品集成了文中1.1介紹的磨损颗粒在线传感器技术，同样存在不能监测小的磨损颗粒的问题。另外模拟量输出给后台采集及数据分析带来很大的干扰。

2  关于齿轮箱润滑油在线监测PHM系统分析与研究

针对以上现有油液在线监测传感器技术，并不能完全满足齿轮箱油液状态监测与诊断的实际需要，针对不同时速齿轮箱、不同润滑油的油液多参数在线监测PHM系统（如图7）被研发出来。

2.1 齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统基本原理及构成

2.1.1 监测参数

该系统实时监测4个参数：铁磁颗粒、介电常数、导电率和温度。

2.1.2 基本构成

该系统是独立研发的1款全新的兼具现有磁栓功能，具有感知能力的新磁栓。该磁栓通过头部感知功能，监测运行中齿轮箱润滑油参数数据的变化趋势和数据突变，实现对齿轮箱磨损状况、润滑油品质的实时在线监测。

2.1.3 基本原理

采用LCR设计原理，详细原理图如图8。

2.2 齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统监测方法

反映油液品质的参数包括粘滞度，润滑度、总酸度、总碱数量、水分含量、金属颗粒含量、碳颗粒含量、介电常数、交流阻抗等等。通常的国内和美国油品质的判定都是以每一个参数是否达到临界点为判断标准，如果有一个参数达到临界点，油品质量就很差，需要更换该油品。但是事实上，通过大量的、几十年的、几十万台的长期观察，人们经常发现，在没有任何一个参数达到临界点时，油品也已经失去相应功能，需要进行更换。即油品的质量并不能从多参数的每个参数的独立一维临界点作为判断油品质量的标准。

研发的齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统借鉴发明专利（一种多参数的多维度油品质量监测方法及系统201410350414.7）采用多参数多维度的监测方法，评判标准也是综合参数来评判，打破传统单一的每个参数的阈值来评判。系统从设备早期开始就进行实时监测，不受颗粒大小的限制，含有经验综合评判曲线（适用通用场合），再根据不同的应用环境、监测不同的油品，进行跑合，重新校准综合评判曲线，使其更好的获得同种应用环境，同一油品品质监测综合评判曲线及寿命预测。

2.3 齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统模拟测试与分析

齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统监测铁磁颗粒、介电常数、导电率和温度等4个参数，此处给出铁磁颗粒、介电常数2个参数的模拟测试与分析，模拟装置如图9。

铁磁颗粒模拟测试：准备3种浓度的油样（编号KRG75W-80润滑油进行配样），即铁磁颗粒浓度0PPM油样100mL、铁磁颗粒浓度2000PPM油样100ml、铁磁颗粒浓度10000PPM油样100ml。共进行6次添加油样，添加顺序见表1，6次添加油样实时监测结果如图10。

6次添加油样，每次传感器稳定值，与理论添加铁粉含量比较，如表2。

分析实时监测铁粉含量与理论添加铁粉含量这两组数据的相关性为0.999644，相关度较好。

介电常数模拟测试：准备3种不同种类的油，分别是编号KRG75W-80润滑油新油、食用调和油、蓖麻子油。每种油取3ml分别加在传感器表面，实时监测结果如图11。

油液的氧化和齿轮箱的磨损都会导致油液介电常数增加，不同的氧化程度或者磨损情况会使介电常数上升的速率不同，所以监测介电常数的实时变化，也是在线监测油品质量或机械动力设备磨损的重要指标。

以上给出齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统中4个参数的2个参数的模拟验证，根据以上模拟测试结果分析，该系统的监测方法及监测手段是可行的，灵敏度及精度也较高。

2.4 齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统台架试验情况数据分析

图12中所示1#、2#、3#、4#为四个进行了台架跑合实验后的传感器柱面及头部铁磁性颗粒的状态分布。

各传感器在齿轮箱上试验阶段的部分實时数据曲线，如图13。（横坐标：齿轮箱实时运行时间，左纵坐标：数值，右纵坐标：温度）

台架试验跑合数据曲线，与模拟数据趋势吻合，证明了该系统的监测方法及监测手段是可行的，在线监测可及时准确的掌握齿轮箱中油液的实时状态，给设计及维护人员提供更便捷的数据支撑。

3  结论

齿轮箱润滑油多参数在线监测PHM系统及采用的多参数多维度的油品质量监测方法是一种新型的在线油液监测手段，根据多参数变化的趋势来进行综合评判，经过不同应用场合及不同种类油品的验证校准，可以给出更精准的多参数多维度的综合评判曲线模型，降低误报率。这一打破传统油液在线监测方法的PHM技术，亦可应用在其他机械动力设备上，为机械动力设备故障监测与寿命预测提供理论支撑，为油液在线监测技术的研究、应用和推广提供更可靠的方法。

参考文献：

[1]张宝珍.国外综合诊断、预测与健康管理技术的发展及应用[J].计算机测量与控制，2008，16（5）：591-594.

[2]Ferrell B L. JSF prognostics and health management [A]. Aerospace Conference， 1999. Proceedings. 1999 IEEE [C]. IEEE， 1999.

[3]Byington C S， Roemer M J， Galie T. Prognostics enhancements to diagnostic systems for improved condition-based maintenance [ military aircraft ] [A]. Aerospace Conference Proceedings， 2002. IEEE [C].IEEE，2002： 6-2815-6-2824.

[4]詹姆斯·刘.在线油液品质传感器：中国，201610340688.7[P].2016-07-27.

[5]黎琼玮.新型油液在线监控技术[J].测控技术，2005，24（4）：6-7.