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在線監測機油實時黏度和其100℃參考溫度時黏度轉化

時間:2019-01-04 14:37:36          來源:

(1.  海軍裝備研究院,北京 100161;2. 河南機電學校  河南鄭州,451191. 3. 深圳市先波科技有限公司 深圳 518057) 摘要:柴油機機油黏度實時在線監測是設備狀態監測與故障診斷的重要發展方向,實際應用中,在線監測到的實時黏度需要通過機油的黏溫曲線換算成標準100°C參考溫度時的黏度。而且機油的黏溫曲線隨著油液的污染在動態變化。本文通過對不同污染度的機油黏溫關系的實驗,分析了機油污染對其黏溫曲線的影響規律,并提出一種將實時黏度轉換為標準100°C參考溫度時的黏度的一種計算方法。 關鍵詞: 在線監測;機油黏度;黏溫曲線;黏溫方程 On-line  Monitoring Oil real-time viscosity and its viscosity transformation at100 C° Liu Qiang1   Zhao xiao 2    Zhang Feng3 ( 1, Naval academy of armament, Beijing 100161, China; 2. Henan Mechanical Electrical Secondary School, Henan Zhengzhou,451191 China; 3 , Frontwave Technology Inc., Shenzhen, 518057 China;) Abstract: Diesel engine oil viscosity real-time online monitoring is a very important direction to the equipment condition monitoring and fault diagnosis, in the practice application, the real-time viscosity of the oil need to convert the standard viscosity which the temperature is 100 C by the oil viscosity-temperature curve.  Also the oil viscosity-temperature curve is dynamic change with the contamination. Based on the different contamination oil viscosity-temperature experiment and analysis, this paper poses a calculate method which convert the real-time viscosity to the standard the standard viscosity which the temperature is 100 C.Keyword: on-line monitoring; oil viscosity; viscosity-temperature curve; viscosity-temperature equation 黏度是衡量機油潤滑能力的一個重要指標。當機油經過被潤滑的運動副表面時,局部的高溫高壓會使機油氧化,同時各種雜質的摻入也會降低機油的流動性,導致黏度升高。因此,實時監測機油的黏度變化能反映機油的質量狀態及剩余壽命【1】【2】。實際應用中,在線監測的機油黏度是某一工況溫度下的實時黏度,而目前國標規定的柴油機機油的換油標準是依據100°C參考溫度時的機油運動黏度做出的,因而需要把在線監測的機油實時黏度換算成100°C參考溫度時的運動黏度。通常的方法是根據給定的或者實驗所得的機油黏溫曲線方程來換算。柴油機機油的污染形式通常是金屬磨粒、氧化物、油泥、結碳、水分、沉淀物、燃油以及氫、氯、熱、電、空氣等造成的污染。油液污染后其物理或化學性能都會發生變化,特別是黏溫曲線隨著油液污染度的增加而變化,如果僅依據一個確定的黏溫方程將實時監測的機油黏度換算成100°C參考溫度時的運動黏度值,誤差將會很大,不能滿足實際應用的要求。本文就潤滑過程常見的氧化污染,柴油混入機油中等現象對黏溫方程的影響進行了實驗室實驗,并對整個齒輪疲勞磨損實驗過程不同時期的油樣的黏溫方程進行了測定。分析了機油的黏溫方程隨著油液的氧化和外來污染的變化規律,提出一種將任意溫度下的實時黏度轉換為標準100°C參考溫度時的黏度的一種簡易計算方法。 1 黏溫方程確定1.1黏溫方程選擇考慮到黏溫關系模型較多,為了便于計算和通用,本文采用美國材料與試驗協會ASTM(American Society for Testing and Materials Petroleum Products) 的標準ASTM D341等的液體石油產品黏度-溫度關系曲線圖采用的Walther公式:

上式中,n:機油運動黏度(mm2/s);T:機油溫度(°C);a、b為常數。1.2  黏溫方程中a、b確定方法(離線測試確定,可作為參考)1) 取任何1種機油樣,測定恒溫T1 的運動黏度:n1(mm2/s),根據式(1),有:

2) 升溫機油樣,測定恒溫T2 的運動黏度:n2(mm2/s),根據式(1),有:

3)聯解方程(2)、(3)即可求得黏溫方程系數a、b,從而得到被測試機油黏度與溫度關系。2 試驗方法本實驗采用選定的實驗油樣,按照GB/T265-88規定的方法,通過測試實驗油樣在不同溫度下的運動黏度數據來反映機油黏溫曲線的的變化規律。試驗油樣如表1所示:

3 試驗結果與討論實際應用中,柴油機冷卻水和燃油時常泄露而造成機油黏度下降,因此實驗過程中在柴油中混入機油,檢驗由此引起的機油黏度下降對其黏溫曲線的影響。圖1顯示的是機油黏度下降對其黏溫曲線的影響,圖2顯示的是柴油機機油污染后對機油黏溫曲線的影響,圖3顯示的是齒輪油在齒輪疲勞磨損實驗過程不同時期對其黏溫曲線的影響,




根據以上圖中機油黏度隨溫度變化關系,各時刻按照Walther公式擬合,擬合相關系數平方R2優于0.999。從圖1中可以看出,當污染使得機油黏度下降時,其黏溫曲線向下逐步偏離標準的黏溫曲線(新油),且在小于40ºC偏差較大,100ºC偏差較小。既:當溫度升高時,污染后的機油黏溫曲線與標準黏溫曲線的偏差逐漸減小。從圖2、3中可以看出,當污染使得機油黏度增加時,其黏溫曲線向上逐步偏離標準的黏溫曲線(新油),且在小于40ºC偏離較大,100ºC偏離較小。既:當溫度升高時,污染后的機油黏溫曲線與標準黏溫曲線的偏差逐漸減小。4 在線測試黏度值轉換為100°C參考溫度時的黏度算法(用于在線黏度變化計算機編程)由于在線監測過程中,考慮機油黏度變化遠遠大于機油密度變化,在線測試黏度值轉換過程中,把被測試機油的密度作為定值,通常機油密度r=0.7~1.2g/cm3,礦物油密度的典型值為0.85 g/cm3。(1) 在線黏度監測裝置在溫度傳感器測得溫度T1時的運動黏度值Vt1(mm2/s),根據式(1),得到第一組黏溫方程,如下式(4):

(2)當在線黏度監測裝置第2次記錄溫度為T2時的運動黏度值Vt2(mm2/s),根據式(1),得到第二組黏溫方程,如下式(5):

(4) 根據方程(6),代人T=100°C,即可計算得到機油在改油質狀況下的100°C參考溫度時的運動黏度值V1(5) 當在線黏度監測裝置第3次記錄溫度為T3時的運動黏度值Vt3(mm2/s),再根據式(1),得到第三組黏溫方程,如下式(7):


(6) 聯解方程(5)和(7),得到第二組a、b常數值a2、b2,方程如下


(7) 根據方程(8),代人T=100°C,即可計算得到機油在改油質狀況下的100°C參考溫度時的運動黏度值V2(8) 同樣的方法,以此類推。表2 記錄的是在溫度80±0.1℃時,機油中混入不同比例的柴油,使用深圳市先波科技有限公司FWS-2在線粘度傳感器測的實時粘度和根據ASTM黏溫方程計算為100°C參考溫度黏度以及按照GB/T265-88規定方法的實測油樣100°C溫度下的運動黏度數據。結果誤差不大于±1 mm2/s,驗證了提出的計算方法具有很好的準確性,可以滿足在線監測機油黏度的使用要求。
表2 實時黏度轉換成100°C參考溫度時的黏度數值和實測數據比較

5 結論通過上述實驗表明,機油黏溫曲線隨著機油液污染的增加而逐步偏離標準黏溫曲線,當污染使得機油黏度下降時,其黏溫曲線逐步向下偏離標準的黏溫曲線;當污染使得機油黏度增加時,其黏溫曲線逐步向上偏離標準的黏溫曲線;而且污染的機油隨著溫度的升高,其黏溫曲線偏離標準黏溫曲線的偏差量逐步減少。實驗結果表明,本文提出的將任意溫度下的實時黏度轉換為標準100°C參考溫度時的運動黏度的計算方法簡單、準確、可靠,可以滿足在線實時監測機油黏度裝置的應用。  1. 李樹生,萬德玉.中高速大功率柴油機故障診斷與排除[M]。遠方出版社, 20032. 李生華, 金元生. 以機器狀態為目的的油液分析原理[J], 設備維修與管理, 1999, (5):21-25 作者簡歷:劉強(1978-)。山東臨沂人 博士, 工程師 主要研究方向為內燃機故障監測與診斷. 
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