基于油液诊断与预报的机敏机器系统的概念与技术

2011-04-01 13:22:05来源: 互联网
1 引言

机器状态监控是指应用先进技术确定机器状态(诊断)和预报机器失效(预报)。机器油液分析是机器状态监控的重要技术,是确定机器和油液失效模式的有效工具。根据换油期与确定换油期的技术之间的关系看出,机器油液分析的发展趋势是研究、开发和应用基于传感器技术的随行式机器油液诊断与预报系统。

(1)固定换油期----昨天的技术

即根据里程、时间或工作环境确定换油期,偶尔也根据油液质量确定换油期。固定换油期是最早出现的基于油液“状态”的机器维修策略,其实施实际上不需要任何专门技术。

(2)间接灵活型换油期----今天的技术

通过对操作条件和机器状态的连续监控信息确定换油期,通常采用计算机模型或应用能够检测油液某些状态的随行式传感装置,通过仪表板显示方式告知操作者油液的某些特性,包括何时加注油液或何时更换油液。

“间接”的含义是:机器转速、工作温度和其它因素(如载荷、驾驶模式、道路状况等)决定着油液降解程度或换油期,根据机器工作参数与油液质量状态之间的统计关系(或计算机模型),通过监控机器工作参数可以判定油液降解状态,确定是否需要更换油液。通用汽车公司(GM)开发的“油液寿命系统(Oil Life System)”和克勒斯莱汽车公司(DaimlerChrysler AG)与壳牌石油公司(Shell)联合开发的“主动服务系统(ASSYST system或Flexible Service System)”是间接灵活型换油期技术的典型代表。

(3)直接灵活型换油期----明天的技术

应用随行式传感器连续监控和评价油液状态,通过仪表板显示信息告知操作者油液的状态,包括何时加注油液或何时更换油液。“直接”的含义是:通过原位、随行和连续监控油液的质量状态指示参数(indicator或marker),并与基于维修策略设定的允许值进行比较,确定油液质量状态和是否需要进行机器维修。

随着仪器制造的微型化(如芯片实验室)和智能化(如传感器技术和基于网络的计算机通讯技术)技术的出现与发展,将先进仪器制造和分析技术与随行式机器油液诊断与预报系统进行“整合”,可以开发具有不同商业用途和满足特殊军事目的的机敏机器油液诊断与预报系统或机敏机器系统。“润滑油与润滑脂”杂志对此作出了大胆预测:“随着油液传感器的出现以及它们的完整性和可靠性得到确定,并能够在各种车(船、机)队中得到广泛普及,则基于预感、广告或“我们一直就是这样做的”的换油期观念将成为历史。”

2 机器油液诊断与预报的新概念

最近,机器油液分析文献中出现了描述传统油液分析实验室时不多见的关于油液分析硬件、软件和系统的新词汇。一方面,这些新词汇反映着其它技术科学领域的发展成就对机器油液分析技术的巨大影响力;另一方面,这些新技术在机器油液分析领域中通过“整合”形成的机器油液诊断与预报系统从整体上提升了机器油液分析技术的“质量水平”,体现着机器油液分析技术的发展方向。

为了描述基于油液诊断与预报的机敏机器系统的概念与技术,下文介绍若干关于现代机器油液分析的基本概念。

2.1 机器(machinery)

现代机器定义指出,机器是由两个或两个以上相互联系配合的构件组成的联合体,……在人或其它智能体的操作和控制下,实现为之设计的某种或某几种功能。在机器油液分析的研究范畴里,“机器”一词泛指tribological fluid-dependent machinery,包括润滑系统和
液压系统,是vehicle,equipment,installation,plant,mechanical machinery的总称。

2.2 机器油液分析(machinery oil analysis,MOA)

MOA是一种机器状态监控概念和维修工具。与传统油液分析信息反映新油液(静态)质量属性不同,机器油液分析信息反映在用油液(动态)质量水平。MOA包含两个功能层次:(1)机器油液状态诊断,即确定油液的“洁净、干燥和健康(clean,dry,healthy)”状态或其“质量、碎片或元素(quality,debris or elemental)”,执行此功能需要实施三维机器油液分析:机器磨损,系统污染和油液化学。(2)机器油液状态预报,即根据机器油液状态的数字化信息与目标极限或老化极限(主动性维修),变化极限或统计极限(预防性维修)的比较分析,提出实施机器维修管理和油液维护管理的行动建议。

2.5 机器油液分析系统(MOA system)

完成MOA的硬件和软件的总称。MOA系统的目的是获取并将油液分析数据转化为某种形式的信息,信息再转化为支持维修决策(行动)的知识。各类机器油液分析系统的目的均是对机器油液进行诊断,对机器失效状态和油液质量水平作出预报,因此机器油液分析系统亦为机器油液诊断(Diagnostic)与预报(Prognostic)系统。

2.5.1 随行(on-board)

根据油液样品采集方式和分析地点的不同与关系,机器油液分析仪器或系统可以划分为三种基本形式(如图1所示):

· 嵌入式(in-line)或原位型(in-situ),连续分析系统中的全部循环油液。嵌入式机器油液分析技术的优点是对全部油液进行分析并立即提供分析结果,分析过程不受外部因素影响,但嵌入式机器油液分析实施困难,而且可能对油液系统带来影响。

· 在线式(on-line),连续或间歇地分析部分循环油液。在线式机器油液分析技术对机器油液流动状态的影响小,能够提供直接结果且几乎不受外部因素影响,缺点是如果样品采集量较少时,在线分析结果可能丧失代表性。

· 离线式(off-line),以现场(on-site,应用便携式油液分析仪器)和非现场(off-site,应用基本配置或完全配置油液分析实验室)两种模式分析周期或非周期性方式采集的代表性油液样品。离线式机器油液分析的缺点是分析结果受油液样品采集、运输和实验过程中多种因素的影响。


图1 机器油液分析方式

嵌入式和在线式机器油液分析仪器或系统具有实时(real-time,包括true real time和near real time,真实时系统直接置于系统油路中进行连续实时诊断,近实时系统实际上是将机器油液分析实验室程序移至现场进行快速分析)功能,使用便携式分析仪器(portable kit)的机器油液分析是在设备现场(on-site)或车间(in-shop)进行的,分析精度和准确度低于非现场机器油液分析实验室,主要用于现场快速判定机器油液质量状态,确定“临界”油液样品并将其送至基本配置(通常包括原子光谱仪、红外光谱仪、粘度计和黑色金属密度测定仪或铁谱仪)或完全配置(基本配置仪器和油液理化性质分析仪器,如TAN/TBN滴定仪,KF水分析仪)的非现场机器油液分析实验室进行全面和准确分析。

与嵌入式和在线式机器油液分析相比,离线式机器油液分析的主要缺点在于实验室分析费时较长(需要采集、传送、处理样品和等待分析结果)和污染环境,在此较长时间里,机器系统可能由于油液质量迅速变差而损坏。统计分析表明,50%的离线分析未能发现问题,只有5%检测出严重问题,其余45%的离线分析显示失效即将发生。在某些军事应用场合,90%以上的油液样品其分析结果并未给出值得采取“维修行动”的发现。基于此及对离线分析时样品代表性、“洁净性”和试验经济性的考虑,迫切需要具有全时监控功能的实时油液分析传感器技术。

综上所述,“随行”概念的两层含义是:其一,机器油液分析系统成为机器系统的组成部分,与机器系统共同构成所谓的机敏机器系统,此时机器油液分析采用嵌入式(通常使用各类传感器);其二,机器油液分析系统独立于机器系统,此时机器油液分析可以是在线式或离线式,后者 在功能上相当于现场微型实验室(on-site minilab)。通常,对随行式机器油液分析系统的要求包括硬件功能和元件功能两个部分,前者执行机器油液诊断功能,提供机器油液物理化学状态的数字化信息,后者通过对这些信息进行分析、识别,预报机器和油液状态,提供可以执行的机器和油液的管理与维护(修)建议。

2.6 机敏设备(Smart equipment)

机敏设备是由以失效模式和剩余有用寿命为评价参数,能够连续监控设备“健康”状态的元器件构成的,元器件包括传感器、数据传送装置、计算机硬件和软件、MMI装置等。 机敏设备能够预测油液降解和机器潜在失效,通知用户是否需要进行维修或对机器系统的操作状态进行调整。

具备上述功能的随行式机器油液分析系统也称为随行式智能润滑诊断与预报系统。根据这一工作定义,机敏设备的运行需要在设备水平上配置在线传感器,并完成信号处理、数据熔合和自动推理过程。工业上目前主要在传感器层次上实现‘机敏’功能,然后通过无线通讯系统将低带宽信息向高层次传送。

3 机器油液分析:从实验室到随行系统

机器油液分析在许多商业部门和军事机构已经非常普遍,当前的努力方向是推动传统油液分析概念和技术向实时油液分析领域过渡。实时机器油液分析是非常重要的机器状态监控概念和维修工具,其对机器管理和油液使用的直接贡献是:预报机器失效,减少机器停车,延长机器寿命;发挥油液潜力,优化油液使用,降低油液消耗。

3.1 机器油液分析实验室的现代概念

传统油液分析的目的包括两个基本方面:油液质量控制和油液品质识别。为满足各种不同的使用目的和要求,目前油液分析实验室大抵采取如下三种组织形式:

(1)商业油液分析实验室(或后方基地油液化验室)
(2)野战油液化验室(车)
(3)便携式简易油液化验箱

一般地,由商业油液分析实验室(或后方基地油液化验室)执行的离线式非现场机器油液分析比较普遍,其在实际应用方面的主要特征是:

· 油液样品采集和得到分析结果之间存在较长的时间间隔;
· 油液样品的采集和检测需手动操作完成;
· 油液分析数据的解释存在困难,即不能提供机器管理和油液使用的明确行动建议。

离线式非现场机器油液分析基本上仍然采用传统的油液理化性质指标,除了作为生产和质量管理的控制参数外,它们不能完全反映油液的使用性能和内在质量变化,因而在机器状态和油液品质之间缺乏必要的联系方式和手段。机器油液分析参数和机器油液分析系统能够建立这种联系。根据应用目的和场合不同,现代机器油液分析实验室具有不同的技术内涵和配置形式,其基本特征表现为:

(1) 机器油液分析实验室正在向着能够提供实时和在线服务的生产现场(商业机器油液分析)或一线战场(军事机器油液分析)推进,这对油液分析仪器的微型化、集成化和智能化提出了全新要求;
(2) 机器油液分析仪器功能多样化和执行过程自动化;
(3) 机器油液分析信息处理智能化和信息共享网络化。

3.2 机器油液分析实验室的管理形式

美军建立了比较完备的军用机器油液分析实验室管理形式。国防部成立了联合油液分析计划技术支持中心(Joint Oil Analysis Program-Technical Support Center, 简称为JOAP-TSC),负责协调陆军油液分析计划(Army Oil Analysis Program,简称为AOAP)、海军油液分析计划(Navy Oil Analysis Program,简称为NOAP)和空军油液分析计划(Spectroscopic Oil Analysis Program,简称为SOAP)。在JOAP-TSC的协调和指挥下,依靠基层和基地油液化验室的支持,美军正在建立具有各个军种自身特色的油液分析计划,并期望以此为基础最终建立统一和完善的三军联合油液分析计划,其实施过程的主要内容包括:

(1) 建立油液分析计划的概念体系;
(2) 实现油液分析计划的框架概念;
(3) 筹划建立包含报警极限值的油液分析数据库系统和数据通讯系统。

3.3 机器油液分析实验室的技术指向

现代机器油液分析实验室以新油液、在用油液和更生油液的组成与性质分析为基本任务,其终极目标是建立数字化机器油液分析系统(硬件和软件)或e-机器油液诊断与预报系统,包括:

(1) 建立快速、智能化机器油液分析仪器或分析系统;
(2) 建立机器油液质量规格体系,包括质量控制规格和质量识别规格;
(3) 建立机器油液分析信息提取和处理的智能化系统;
(4) 建立机器油液分析信息接收、发送与管理的计算机管理与网络化系统。

4 实时油液分析传感器

4.1 实时油液分析传感器的设计要求

对实时油液分析传感器的要求因使用方式而不同,如要求嵌入式传感器能够全时感受油液循环系统的全部实际物理化学变化,而对在线式传感器则不要求其能够感受油液循环系统实际物理化学变化的真实值。一般地,实时油液分析传感器设计的核心问题是:(1)电路系统和构造简单、可靠、体积小,不受机器震动的影响。(2)由于所设计的传感器与油液过滤器、发动机机体、油液储器和循环油路联接,应当容易在任何发动机、齿轮箱或液压系统上安装,且不需要对机器系统做出改动;(3)使用过程中容易进行重新组合;(4)能够满足不同OEM各自的要求。

为了满足原位油液诊断与预报的要求,在技术上应当考虑以下方面:

· 根据平台/系统观点考虑需要性;
· 将预报学方法引入整个系统或平台;
· 制造更加机敏、便宜和耐用的传感器;
· 在合适和可行情况下,增加功能强化的传感器;
· 应用传感器熔合技术组合来自多个传感器的数据。

可以看出,传感器的制造和应用是建立机敏型机器油液诊断与预报系统的关键方面。

4.2 商品化真实时油液分析传感器

真实时油液分析传感器具有多种形式,它们采用不同的技术确定油液状态,因此检测油液的能力各不相同。表1列举了数种具有不同工作原理和诊断功能的商品真实时油液分析传感器。

[1] [2] [3]

关键字:机器油液诊断与预报  机敏机器系统  机器状态监控  机器维修  油液应用与管理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0401/article_1065.html
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