CN113640227B - 一种基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测方法 - Google Patents

一种基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于润滑油监测技术领域，提供了一种基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测方法。本发明的润滑油衰变的监测模型建立方法基于润滑油在衰变过程中的化学和结构演变，通过这种化学和结构演变产生的不同光热效应实现其衰变程度监测，比传统监测技术中的酸值和水分等指标更能反应润滑油的综合变化情况，所得监测模型的预测准确度高、可靠性强；且操作流程简便。

Description

一种基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测 方法
技术领域
本发明涉及润滑油监测技术领域，尤其涉及一种基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测方法。
背景技术
润滑油状态监测是设备润滑管理的重要基础，是现代大型、自动化、集成化和智能化等机械设备经济、可靠和持久运行的重要保障。同时，也为机械设备的视情维修提供了重要科学依据，为机械设备长时间无故障运行提供了有效途径。这一技术已广泛用于电力设施、矿山/冶金机械、船舶港口、民用飞机和军事装备等应用，产生了显著的经济和社会效益。
目前，润滑油状态监测主要通过理化性能分析技术、光谱分析技术、铁谱分析技术、颗粒以及PQ值分析技术等实现。对润滑油的酸值、水分和粘度等指标及其所携带的磨损和污染颗粒参数进行定期或实时地跟踪分析，是当前润滑油状态监测的基本手段。然而，由于润滑油的多样性、应用工况的复杂性以及油液信息的模糊性和不确定性，现有的润滑油状态监测技术在准确性、可靠性方面存在诸多问题，而且程序复杂、设备昂贵、对人员经验性依赖强，难以满足当前设备润滑管理的应用需求。针对这些问题，研究人员从技术优化、数据处理、专家诊断系统、实时在线监测等多个层面开展相关研究，但受限于监测指标的内涵和技术特点，相关技术通常很难实现实质性改观。因此，亟需发展新的指标和新型润滑油状态监测方法，以克服润滑油状态监测技术存在的问题，满足工业应用需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测方法。本发明利用监测模型对润滑油的衰变情况进行预测，准确度度高、可靠性强，且操作简单。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于光热效应的润滑油衰变的监测模型建立方法，包括以下步骤：
将润滑油标准品和还原铁粉混合，在相同的衰变模拟的条件下进行不同时长的处理，得到不同衰变程度的润滑油标准品；所述不同衰变程度的润滑油标准品的衰变程度的量化参数为处理时长；
对所述不同衰变程度的润滑油标准品进行辐照，获取不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差；
对所述不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差和衰变程度进行拟合，选取相关系数最大的拟合方程，作为监测模型。
优选地，所述还原铁粉的加入质量为润滑油标准品的质量的0.5～2.0％。
优选地，所述润滑油标准品包括美孚SN级0W-40汽车发动机油或美孚SN级汽车发动机油0W-30汽车发动机油。
优选地，所述衰变模拟的温度为180～220℃；所述衰变模拟在空气的氛围下进行；所述衰变模拟的处理时长分别为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h和32h。
优选地，所述不同衰变程度的润滑油标准品在样品池中进行辐照；所述辐照的过程中，所述辐照的光源垂直样品池表面；所述辐照的光源与样品池表面的距离≤2.0cm。
优选地，所述辐照的光源为近红外光，功率为2.0～4.0W，时间为30～200s。
优选地，辐照后不同衰变程度的润滑油标准品的温度≤80℃。
本发明还提供了一种利用上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型监测润滑油衰变的方法，包括以下步骤：
将待测润滑油进行辐照，得到待测润滑油辐照前后的温度差；
将所述待测润滑油辐照前后的温度差代入上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型中，得到待测润滑油的衰变程度。
本发明提供了一种基于光热效应的润滑油衰变的监测模型建立方法，包括以下步骤：将润滑油标准品和还原铁粉混合，在相同的衰变模拟的条件下进行不同时长的处理，得到不同衰变程度的润滑油标准品；所述不同衰变程度的润滑油标准品的衰变程度的量化参数为处理时长；对所述不同衰变程度的润滑油标准品进行辐照，获取不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差；对所述不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差和衰变程度进行拟合，选取相关系数最大的拟合方程，作为监测模型。本发明的润滑油衰变的监测模型建立方法基于润滑油在衰变过程中的化学与结构演变，通过这种化学和结构演变产生的不同光热效应实现其衰变程度监测，比传统监测技术中的酸值和水分等指标更能反应润滑油的综合变化情况，所得监测模型的预测准确度高、可靠性强；且操作流程简便。
进一步地，监测模型建立过程中仅涉及近红外光辐照、样品池和温度测量，进而所用的装置结构简单，可以根据实际情况进行灵活设计。
本发明还提供了一种利用上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型监测润滑油衰变的方法，包括以下步骤：将待测润滑油进行辐照，得到待测润滑油辐照前后的温度差；将所述待测润滑油辐照前后的温度差代入上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型中，得到待测润滑油的衰变程度。本发明提供的预测方法操作简单。
附图说明
图1为808nm激光辐照60秒，美孚0W-40发动机油光热效应曲线；
图2为808nm激光辐照90秒，美孚0W-40发动机油光热效应曲线；
图3为980nm激光辐照180秒，美孚0W-40发动机油光热效应曲线；
图4为808nm激光辐照60秒，美孚0W-30发动机油光热效应曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种基于光热效应的润滑油衰变的监测模型建立方法，包括以下步骤：
将润滑油标准品和还原铁粉混合，在相同的衰变模拟的条件下进行不同时长的处理，得到不同衰变程度的润滑油标准品；所述不同衰变程度的润滑油标准品的衰变程度的量化参数为处理时长；
对所述不同衰变程度的润滑油标准品进行辐照，获取不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差；
对所述不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差和衰变程度进行拟合，选取相关系数最大的拟合方程，作为监测模型。
在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
本发明将润滑油标准品和还原铁粉混合，在相同的衰变模拟的条件下进行不同时长的处理，得到不同衰变程度的润滑油标准品。
在本发明中，所述润滑油标准品优选包括美孚SN级0W-40汽车发动机油或美孚SN级汽车发动机油0W-30汽车发动机油。
在本发明中，所述还原铁粉的纯度优选为98～99.5％；所述还原铁粉的粒径优选为0.5～50μm。在本发明中，所述还原铁粉的加入质量优选为润滑油标准品的质量的0.5～2.0％，进一步优选为1％。
在本发明中，所述衰变模拟的温度优选为180～220℃，进一步优选为190～210℃，更优选为200℃。在本发明中，所述衰变模拟优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为500～1000rpm。在本发明中，所述衰变模拟优选在空气的氛围下进行。在本发明中，所述衰变模拟的处理时长分别为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h和32h。在本发明中，所述不同衰变程度的润滑油标准品的衰变程度的量化参数为处理时长。
在本发明中，所述衰变模拟优选在样品池中进行；所述样品池的形状优选为长方体或圆柱状，进一步优选为长方体；所述样品池的尺寸优选≤1.5cm，容积优选≤2.0mL。
本发明通过控制衰变模拟的不同处理时长，获得不同衰变程度的润滑油；在实际的操作过程中，衰变模拟的过程中，每隔4h取样进行后续的操作。
得到不同衰变程度的润滑油标准品后，本发明对所述不同衰变程度的润滑油标准品进行辐照，获取不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差。
在本发明中，所述不同衰变程度的润滑油标准品优选在样品池中进行辐照；所述辐照的过程中，所述辐照的光源优选垂直样品池表面；所述辐照的光源与样品池表面的距离优选≤2.0cm。在本发明中，所述样品池的形状、尺寸和容积优选与上述技术方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述辐照的光源优选为近红外光，所述近红外光的波长优选为808nm和980nm。在本发明中，所述近红外光优选由近红外激光器提供。在本发明中，所述辐照的功率优选为2.0～4.0W。在本发明中，所述辐照的时间优选为30～200s。在本发明中，所述辐照衰变润滑油的温度≤80℃。
在本发明中，所述不同衰变程度的润滑油标准品在辐照前的温度优选为一样的，即不同衰变程度的润滑油在辐照前的温度是一样的；且所述不同衰变程度的润滑油标准品在辐照前的温度优选为室温。
本发明中，不同衰变程度的润滑油标准品内部的化学结构不同，且进行相同的辐照也会有不同的光热效应，即不同的温差变化，保证了该监测模型的成功建立。
在本发明中，测定温度的设备优选为接触型温度传感器或非接触型温度传感器。在本发明中，所述接触型温度传感器优选为热电偶型温度传感器或热电阻型温度传感器；所述非接触型温度传感器优选为红外测温仪。
得到不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差后，本发明对所述不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差和衰变程度进行拟合，选取相关系数最大的拟合方程，作为监测模型。
在本发明中，所述模拟的软件优选包括Matlab、CurveFitter、Curve Expert Pro和Origin。
本发明还提供了一种利用上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型监测润滑油衰变的方法，包括以下步骤：
将待测润滑油进行辐照，得到待测润滑油辐照前后的温度差；
将所述待测润滑油辐照前后的温度差代入上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型中，得到待测润滑油的衰变程度。
本发明将待测润滑油进行辐照，得到待测润滑油辐照前后的温度差。
在本发明中，所述辐照的参数优选与建立监测模型时的辐照参数一致在此不再赘述。
在本发明中，所述待测润滑油辐照前后的温度差的获取方式优选与上述技术方案一致，在此不再赘述。
得到待测润滑油辐照前后的温度差后，本发明将所述待测润滑油辐照前后的温度差代入上述技术方案所述的监测模型建立方法得到的监测模型中，得到待测润滑油的衰变程度。
本发明对所述代入的操作不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。
本发明获得所述待测润滑油的衰变程度后，优选还包括基于所述润滑油的使用时限，判断所述润滑油的剩余使用寿命。
在本发明中，所述润滑油的使用时限优选通过常规读取即可，即一般润滑油都会有各自的使用时限，直接采用即可。
在本发明中，所述剩余使用寿命优选为润滑油的使用时限与衰变程度的差值。
下面结合实施例对本发明提供的基于光热效应的润滑油衰变监测模型建立方法及监测方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例利用市售美孚SN级汽车发动机油0W-40，对本发明进行应用说明，其具体过程如下：
本实施例所用美孚SN级0W-40汽车发动机油通过高温氧化方法模拟了其应用衰变过程。具体衰变模拟条件为：在新购0W-40润滑油中加入质量分数1％的还原铁粉(纯度为99％，粒径为0.5～50μm)，在空气中200℃于800rpm搅拌加热，每间隔4小时取一次样品，对应的取样时间段分别是：0、4、8、12、16、20、24、28和32小时。随着加热时间的延长，润滑油逐渐变成黑色，与发动机中的衰变过程具有相似性。
步骤1、待测油样收集
本实施例所用油样收集装置为透明玻璃材质样品池，其尺寸为：10mm×10mm×40mm。取1mL热处理的0W-40润滑油样品加入样品池进行测量，辐照处理前样品处于相同初始温度T0，本实施例中所有油样的辐照处理前温度均为环境温度，即T0＝23.2℃。
步骤2、红外辐照处理
对步骤1中所取的油样进行红外辐照处理，本实施例中用于辐照处理的激光器可以是各种市售或者自主设计的红外激光器，本实施例以长春新产业光电技术有限公司生产的FC-W-808nm激光器为辐射源，该激光器的功率可在0～10W之间连续可调，本实施例中所用功率为3.0W。激光源与样品池表面间的距离为10mm，激光束垂直于样品池表面，辐照处理60s。
步骤3、温度记录
本实施例中利用热电偶温度计记录了不同处理阶段油样温度，热电偶温度测量范围：-15℃至300℃。所记录温度为步骤2所述辐照处理后的样品温度，与步骤1中的处理时间相对应，最终记录的样品温度分别为：T0＝23.0℃，T4＝26.8℃，T8＝29.0℃，T12＝31.2℃，T16＝34.3℃，T20＝37.8℃，T24＝42.3℃，T28＝46.8℃，T32＝50.2℃。扣除样品初始温度，测得的不同润滑油样品温度变化为：ΔT0＝0℃，ΔT4＝3.8℃，ΔT8＝6.0℃，ΔT12＝8.2℃，ΔT16＝11.3℃，ΔT20＝14.8℃，ΔT24＝19.3℃，ΔT28＝23.8℃，ΔT32＝27.2℃
步骤4、数据分析
根据步骤3记录的样品温度变化数据ΔT，以温度变化ΔT为y轴，热处理时间为x轴，建立润滑油衰变过程的光热效应曲线及方程，如图1所示，拟合得曲线方程为：
y＝a×(1-bx)；
其中，a＝-35.6，b＝1.02，R2＝0.996。
以此曲线方程为参照曲线，若ΔT32代表0W-40润滑油的失效节点，则在实际应用中，通过本发明所述方法测量润滑油的温度，将所测温度值代入建立得光热效应方程，求取x数值，对照ΔT32对应的x32值，可以判断润滑油的衰变程度，预测润滑油的剩余使用寿命(x32–x)。
实施例2
本实施例利用市售美孚SN级汽车发动机油0W-40，润滑油衰变模拟处理方法的具体过程同实施例1。
本实施例中，具体步骤1至步骤4同实施例1，将步骤2中“辐照处理60s”更改为“辐照处理90s”。步骤3所记录的温度值为：T0＝25.0℃，T4＝28.6℃，T8＝30.8℃，T12＝33.8℃，T16＝37.5℃，T20＝42.5℃，T24＝48.0℃，T28＝53.7℃，T32＝58.5℃。扣除样品初始温度，测得的不同润滑油样品温度变化为：ΔT0＝0℃，ΔT4＝3.6℃，ΔT8＝5.8℃，ΔT12＝8.8℃，ΔT16＝12.5℃，ΔT20＝17.5℃，ΔT24＝23℃，ΔT28＝28.7℃，ΔT32＝33.5℃
根据步骤3记录的样品温度变化数据ΔT，按实施例1步骤4所述方法建立润滑油衰变过程的光热效应曲线及方程。如图2所示，拟合得曲线方程为：
y＝a×(1-bx)；
其中，a＝-22.5，b＝1.03，R2＝0.998。
以此曲线方程为判据，按实施例1步骤4可进行润滑油衰变程度监测润，预测其剩余使用寿命。
实施例3
本实施例依然利用市售美孚SN级汽车发动机油0W-40，润滑油衰变模拟处理方法的具体过程同实施例1。
本实施例中，具体步骤1至步骤4同实施例1，将步骤2中“FC-W-808nm激光器”替换为“FC-W-980nm激光器”“辐照处理60s”更改为“辐照处理180s”。步骤3所记录的温度值为：T0＝28.3℃，T4＝31.6℃，T8＝35.5℃，T12＝37.3℃，T16＝42.2℃，T20＝50.8℃，T24＝59.1℃，T28＝68.0℃，T32＝73.9℃。扣除样品初始温度，测得的不同润滑油样品温度变化为：ΔT0＝0℃，ΔT4＝3.3℃，ΔT8＝7.2℃，ΔT12＝9.0℃，ΔT16＝13.9℃，ΔT20＝22.5℃，ΔT24＝29.8℃，ΔT28＝41.7℃，ΔT32＝45.6℃
根据步骤3记录的样品温度变化数据ΔT，按实施例1步骤4所述方法建立润滑油衰变过程的光热效应曲线及方程。如图3所示，拟合得曲线方程为：
y＝a×(1-bx)；
其中，a＝-16.7，b＝1.04，R2＝0.991。
以此光热效应曲线方程为判据，如实施例1步骤4所述方法进行监测润滑衰变程度，预测其剩余使用寿命。
实施例4
本实施例利用市售美孚SN级汽车发动机油0W-30对本发明做进一步说明。润滑油的衰变实验在航天巴山小型汽油发动机(BS170F)中进行，发动机总运行时间96h，润滑油取样时间分别是8、16、26、36、46、56、66、76、86和96h。
本实施例中，具体测量步骤1至步骤4同实施例1，将步骤2中“激光源与样品池表面间的距离为10mm”替换为“激光源与样品池表面间的距离为15mm”。步骤3所记录的温度值为：T0＝31.5℃，T8＝48℃，T16＝53.6℃，T26＝57.8℃，T36＝60℃，T46＝61.6℃，T56＝63℃，T66＝64.3℃，T76＝65.6℃，T86＝66.2℃，T96＝67℃。扣除样品初始温度，测得的不同润滑油样品温度变化为：ΔT0＝0℃，ΔT8＝16.5℃，ΔT16＝22.1℃，ΔT26＝26.3℃，ΔT36＝28.5℃，ΔT46＝30.1℃，ΔT56＝31.5℃，ΔT66＝32.8℃，ΔT76＝34.1℃，ΔT86＝34.7℃，ΔT96＝35.5℃。
根据步骤3记录的温度数据，以温度为y轴，润滑油服役时间为x轴，建立润滑油衰变过程的光热效应曲线及方程，如图4所示，拟合得曲线方程为：
y＝abx1-c/(1+bx1-c)；
其中，a＝47.4，b＝0.131，c＝0.318，R2＝0.999。
以此光热效应曲线方程为判据，如实施例1步骤4所述方法在实际应用中进行监测润滑衰变程度，预测其剩余使用寿命。
实施例5
取使用过一段时间的美孚SN级汽车发动机油0W-30样品4份S1、S2、S3和S4，按照实施例4中的步骤2的方法进行辐照，得到辐照待测润滑油；获取所述辐照润滑油的温度变化数据如表1所示，代入实施例4所得的曲线方程中，得到待测润滑油的衰变程度表1所示。
表1待测润滑油的温度变化数据和衰变程度
样品 S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub>
温度变化ΔT 30.2 30.5 30.2 30.4
预测衰变程度h 45.0 46.8 45.0 46.2
实际运行时间h 45 45 45 45
通过询问车主，得知该车运行时长为45h，与预测的衰变程度相近，说明本发明建立的模型预测准确度高、可靠性强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光热效应的润滑油衰变的监测模型建立方法，包括以下步骤：
将润滑油标准品和还原铁粉混合，在相同的衰变模拟的条件下进行不同时长的处理，得到不同衰变程度的润滑油标准品；所述不同衰变程度的润滑油标准品的衰变程度的量化参数为处理时长；
对所述不同衰变程度的润滑油标准品进行辐照，获取不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差；
对所述不同衰变程度的润滑油标准品辐照前后的温度差和衰变程度进行拟合，选取相关系数最大的拟合方程，作为监测模型。
2.根据权利要求1所述的监测模型建立方法，其特征在于，所述还原铁粉的加入质量为润滑油标准品的质量的0.5～2.0％。
3.根据权利要求1或2所述的监测模型建立方法，其特征在于，所述润滑油标准品包括美孚SN级0W-40汽车发动机油或美孚SN级汽车发动机油0W-30汽车发动机油。
4.根据权利要求1所述的监测模型建立方法，其特征在于，所述衰变模拟的温度为180～220℃；所述衰变模拟在空气的氛围下进行；所述衰变模拟的处理时长分别为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h和32h。
5.根据权利要求1所述的监测模型建立方法，其特征在于，所述不同衰变程度的润滑油标准品在样品池中进行辐照；所述辐照的过程中，所述辐照的光源垂直样品池表面；所述辐照的光源与样品池表面的距离≤2.0cm。
6.根据权利要求1所述的监测模型建立方法，其特征在于，所述辐照的光源为近红外光，功率为2.0～4.0W，时间为30～200s。
7.根据权利要求1或5或6所述的监测模型建立方法，其特征在于，辐照后不同衰变程度的润滑油标准品的温度≤80℃。
8.一种利用权利要求1～7任一项所述的监测模型建立方法得到的监测模型监测润滑油衰变的方法，包括以下步骤：
将待测润滑油进行辐照，得到待测润滑油辐照前后的温度差；
将所述待测润滑油辐照前后的温度差代入权利要求1～7任一项所述的监测模型建立方法得到的监测模型中，得到待测润滑油的衰变程度。
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