航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油視情更換檢測(cè)技術(shù)探討論文
摘要：為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油視情更換，基于介電常數(shù)法研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油綜合分析技術(shù)，進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并基于正交試驗(yàn)表和三元回歸分析制定了潤(rùn)滑油更換閾值的試驗(yàn)和計(jì)算方案。采用電容／數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片ＡＤ７７４７可以顯著提高檢測(cè)精度和簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，與微型液晶顯示器ＬＣＤ１６０２配合，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的手持式設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，檢測(cè)結(jié)果精確，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的更換和剩余壽命確定提供可靠的量化依據(jù)。
關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑油；介電常數(shù)；視情更換；電容／數(shù)字轉(zhuǎn)換
對(duì)性能衰退到一定程度的潤(rùn)滑油進(jìn)行及時(shí)更換是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的重要條件。然而，由于我國(guó)一直缺乏可靠易行的潤(rùn)滑油衰退程度通用檢測(cè)技術(shù)［１］，導(dǎo)致目前主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行潤(rùn)滑油定期更換，而國(guó)外航空潤(rùn)滑油則采用視情更換。這種不合理的定期更換一方面導(dǎo)致多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油被提前更換，造成嚴(yán)重浪費(fèi)；另一方面使少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)因潤(rùn)滑油未能及時(shí)更換而減少壽命。進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油視情更換的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)一種便于外場(chǎng)使用的潤(rùn)滑油衰退度綜合分析儀，并合理確定潤(rùn)滑油更換指標(biāo)，對(duì)決定潤(rùn)滑油質(zhì)量的金屬磨粒含量、酸值和含水量等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行快速、綜合分析。目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油衰退分析技術(shù)主要為光譜分析、鐵譜分析和理化分析。其中，成本高昂的光譜分析和鐵譜分析的主要作用是監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的異常磨損，并不能檢測(cè)潤(rùn)滑油的氧化變質(zhì)和含水量；程序繁瑣的理化分析雖可以檢測(cè)氧化變質(zhì)（酸值）和含水量，但不能分析潤(rùn)滑油的金屬磨粒含量。因而，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的質(zhì)量檢測(cè)和更換時(shí)間確定等方面存在很多不便，并由此造成了大量潤(rùn)滑油被提前更換的現(xiàn)狀。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)外采用的是基于介電常數(shù)的潤(rùn)滑油質(zhì)量綜合分析技術(shù)，基于此技術(shù)較著名的儀器有美國(guó)北方儀器公司開(kāi)發(fā)的ＮＩ—２Ｂ型檢測(cè)儀［２］。而此類(lèi)檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)開(kāi)展得較少，相關(guān)硬件開(kāi)發(fā)還不夠成熟。本文基于介電常數(shù)法研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油綜合分析技術(shù)，進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并基于正交試驗(yàn)表和三元回歸分析制定了潤(rùn)滑油更換閾值的試驗(yàn)和計(jì)算方案，以期為實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油的視情更換提供檢測(cè)依據(jù)。
１介電常數(shù)法分析技術(shù)
介電常數(shù)法是將油液及其中的污染物作為電介質(zhì)，當(dāng)潤(rùn)滑油變質(zhì)時(shí)，油中部分碳?xì)浠衔锓肿颖谎趸�，生成過(guò)氧化物、酸和其他化學(xué)物質(zhì)，使分子極化。隨著氧化產(chǎn)物和熱降解產(chǎn)物的積累，外來(lái)污染物的.不斷增加，油中極化分子也不斷增多，這樣會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的介電常數(shù)發(fā)生變比；同時(shí)，由于摩擦和磨損，磨損的金屬粒子和其他導(dǎo)電性強(qiáng)的化合物也會(huì)使?jié)櫥偷慕殡姵?shù)發(fā)生變化［３］；另外，潤(rùn)滑油與空氣接觸，吸收空氣中的水分，產(chǎn)生Ｈ＋、ＯＨ－等離子，也會(huì)引起介電常數(shù)增加。由此可見(jiàn)，潤(rùn)滑油的介電常數(shù)取決于基礎(chǔ)油、添加劑及污染物的成分和含量。基于該原理，可通過(guò)比較新油與舊油介電常數(shù)來(lái)確定潤(rùn)滑油的衰退程度，從而判斷其是否需要更換。
２檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
�。玻睓z測(cè)系統(tǒng)的組成和工作原理
檢測(cè)系統(tǒng)主要由電容傳感器、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和液晶顯示等４個(gè)部分組成（見(jiàn)圖１）。系統(tǒng)的控制核心是８０５１Ｆ４１０單片機(jī)，該單片機(jī)是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型ＭＣＵ，具有高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的８０５１兼容的微控制器核。其主頻可達(dá)５０ＭＩＰＳ，與標(biāo)準(zhǔn)的８０５１結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度提高了８倍以上。其能夠進(jìn)行全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試，體積微小（９ｍｍ×９ｍｍ），非常適合微型檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)工作原理是電容傳感器將檢測(cè)介質(zhì)（潤(rùn)滑油）的電容信號(hào)輸入電容／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，該模塊在單片機(jī)控制下，將電容值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算后轉(zhuǎn)換為潤(rùn)滑油的介電常數(shù)，再將介電常數(shù)輸入微型液晶顯示器顯示。
２．２電容傳感器設(shè)計(jì)
本文選擇圖２所示的圓筒式共軸柱面電容傳感器進(jìn)行電容檢測(cè)，其中，實(shí)心內(nèi)極柱作為電容器的一極，外極筒作為電容器的另一極。內(nèi)、外極柱通過(guò)塑料圓盤(pán)固定后，分別通過(guò)２根焊接在兩極上的屏蔽電纜引出，然后兩極柱再用絕緣塑料薄膜粘貼，以防止?jié)櫥偷母g。若內(nèi)極柱半徑為ｒ，外極筒半徑為Ｒ，長(zhǎng)度為Ｌ，則當(dāng)Ｌ＞Ｒ－ｒ時(shí)，兩端的邊緣效應(yīng)可以忽略。根據(jù)電磁學(xué)的相關(guān)理論可得電容器的電容值為：
�。ǎ保┦街�，ε０為真空介電常數(shù)。當(dāng)電容器內(nèi)充滿(mǎn)介電常數(shù)為εｘ的均勻電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容為：Ｃｘ＝εｘＣ
�。ǎ玻└鶕�(jù)以上兩式，只要分別測(cè)量出有無(wú)電介質(zhì)（潤(rùn)滑油）時(shí)的電容Ｃ和Ｃｘ，即可計(jì)算出潤(rùn)滑油的介電常數(shù)εｘ。
�。玻常粒模罚罚矗方涌陔娐吩O(shè)計(jì)及工作原理
選用ＡＤ公司最新高精度電容檢測(cè)芯片ＡＤ７７４７作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片分辨率高達(dá)２４位，精確度可達(dá)±８．０ｆＦ（出廠(chǎng)標(biāo)定）。該芯片采用－Δ技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)－Δ調(diào)制器，通過(guò)切換固定的電容，平衡可變電壓輸入和固定基準(zhǔn)電壓輸入之間的電荷，即可實(shí)現(xiàn)高精度電容檢測(cè)。該芯片可通過(guò)Ｉ２Ｃ總線(xiàn)在單片機(jī)控制下進(jìn)行被測(cè)電容的模數(shù)轉(zhuǎn)換。ＡＤ７７４７是為浮地電容傳感器設(shè)計(jì)的，故被測(cè)電容應(yīng)一端直接連接到ＡＤ７７４７的輸入端，另一端接地［４］。單片機(jī)與ＡＤ７７４７的接口電路如圖３所示。其工作原理如下：首先在時(shí)鐘脈沖控制下，Ｃ８０５１Ｆ４１０單片機(jī)通過(guò)Ｉ２Ｃ總線(xiàn)向ＡＤ７７４７發(fā)送寫(xiě)入初始化設(shè)置命令，使ＡＤ７７４７做好模數(shù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備；然后當(dāng)ＡＤ７７４７通過(guò)Ｉ２Ｃ總線(xiàn)收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的讀數(shù)據(jù)命令后，即可將２４位的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果（電容測(cè)量值）通過(guò)ＳＤＡ引腳（引腳１６）發(fā)給單片機(jī)的Ｐ０．６引腳，單片機(jī)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行處理和分析后，送至顯示器顯示。單片機(jī)與ＡＤ７７４７之間的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，應(yīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始和結(jié)束。開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)都是由單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ４１０產(chǎn)生。在開(kāi)始信號(hào)以后，Ｉ２Ｃ總線(xiàn)即被認(rèn)為處于忙狀態(tài)，其他器件不能再產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)。單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ４１０在結(jié)束信號(hào)以后退出主器件角色，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，總線(xiàn)才被認(rèn)為是空閑的。Ｉ２Ｃ總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送格式是在Ｉ２Ｃ總線(xiàn)開(kāi)始信號(hào)傳輸后，送出的第１個(gè)字節(jié)用來(lái)選擇從器件地址，其中，前７位是地址碼，第８位為方向碼（Ｒ／Ｗ）。數(shù)據(jù)傳送方式采用時(shí)鐘脈沖逐位串行傳送方式。
３更換閾值的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與回歸分析
潤(rùn)滑油衰退到需要更換時(shí)的介電常數(shù)值稱(chēng)為更換閾值，該值是確定視情更換的依據(jù)。由于國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了潤(rùn)滑油必須更換時(shí)的酸值、水分含量和金屬磨粒含量的臨界值，因而可以根據(jù)潤(rùn)滑油的理化分析結(jié)果（臨界酸值和水分含量）以及光譜分析和鐵譜分析結(jié)果（臨界金屬磨粒含量）計(jì)算出更換閾值。為確定更換閾值的計(jì)算公式，本文確定了以正交試驗(yàn)表Ｌ９（３３）（三水平、三因素）為依據(jù)，三元回歸分析的計(jì)算方案，即將水分含量Ｘ１、酸值Ｘ２和金屬磨粒含量Ｘ３作為影響介電常數(shù)的三因素，將每個(gè)因素的變化水平設(shè)計(jì)為３個(gè)，結(jié)果可得到９組試驗(yàn)結(jié)果，再對(duì)這９組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三元回歸分析。試驗(yàn)方案見(jiàn)表１，表１中，Ｘ１Ｃ、Ｘ２Ｃ、Ｘ３Ｃ分別為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的潤(rùn)滑油臨界水分含量、酸值和金屬磨粒含量。表１影響介電常數(shù)的因素、水平表水平影響因素水分含量／％酸值／ｍｇＫＯＨｇ－１金屬磨粒含量／μｇｇ－１１１３Ｘ１ｃ１３Ｘ２ｃ１３Ｘ３ｃ２２３Ｘ１ｃ２３Ｘ２ｃ２３Ｘ３ｃ３Ｘ１ｃＸ２ｃＸ３ｃ對(duì)表１所得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三元回歸分析，可得介電常數(shù)計(jì)算公式如下：ε＝ａ０＋ａ１Ｘ１＋ａ２Ｘ２＋ａ３Ｘ３（３）式中，ａ０、ａ１、ａ２和ａ３為回歸系數(shù)�？梢�(jiàn)，只要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定出Ｘ１ｃ、Ｘ２ｃ和Ｘ３ｃ，即可計(jì)算出潤(rùn)滑油的更換閾值，作為視情更換的理論依據(jù)。
４結(jié)語(yǔ)
通過(guò)檢測(cè)易于測(cè)量的潤(rùn)滑油介電常數(shù)來(lái)綜合反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的衰退程度，可以在許多場(chǎng)合替代工序繁多、操作復(fù)雜的潤(rùn)滑油理化分析和成本高昂的鐵譜和光譜分析，為潤(rùn)滑油的更換提供重要的參考依據(jù)。采用電容／數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片ＡＤ７７４７可以顯著提高檢測(cè)精度，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，與微型液晶顯示器ＬＣＤ１６０２配合，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的手持式設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，檢測(cè)結(jié)果精確，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的更換和剩余壽命確定提供可靠的量化依據(jù)。
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