1、前言
近年來，商用車逐漸向大型化、高速化和節(jié)能化方向發(fā)展，動力總成的安全診斷，特別是健康管理技術(shù)快速發(fā)展。變速器和驅(qū)動橋均屬商用車三大總成之一，其故障率與齒輪油污染密切相關(guān)。當(dāng)前采用的定周期或里程的保養(yǎng)模式存在齒輪油利用不充分的問題，易造成油品性能浪費(fèi)。另外，當(dāng)箱橋總成出現(xiàn)異常磨損時，齒輪油存在提前失效的風(fēng)險，從而帶來安全隱患。
在線監(jiān)測技術(shù)可為變速器和驅(qū)動橋提供主動性的潤滑保護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)故障并發(fā)出預(yù)警，從而根據(jù)齒輪油的實(shí)際劣化程度為用戶提供準(zhǔn)確的換油周期，降低傳動系總成故障風(fēng)險的同時避免因商用車的實(shí)際工況不同而造成的浪費(fèi)。現(xiàn)有的齒輪油在線監(jiān)測技術(shù)控制模型及功能過于單一，缺乏對換油指標(biāo)的反饋，未能反映齒輪油的劣化程度，影響了診斷結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，且存在技術(shù)成熟度低、電控系統(tǒng)成本高的問題，阻礙了其在商用車上的推廣應(yīng)用。
FPS2800 傳感器是當(dāng)前較為先進(jìn)的在線監(jiān)測傳感器，利用其特有的音叉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流體的溫度、密度、介電常數(shù)、粘度的實(shí)時監(jiān)測。音叉的主要材料是壓電晶體，晶體表面有電極，當(dāng)傳感器處于供電狀態(tài)時，音叉會以一定的頻率諧振。當(dāng)音叉浸沒在潤滑油中時，其表面所附油介質(zhì)的有效質(zhì)量發(fā)生變化，諧振頻率也隨之發(fā)生變化，利用密度與有效質(zhì)量的關(guān)系、有效質(zhì)量與諧振頻率偏差的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對油介質(zhì)密度的測量。隨著油品粘度的變化，音叉的等效電路的阻抗特性也會產(chǎn)生相應(yīng)的改變，通過電容值與介電常數(shù)之間的映射關(guān)系可測得油液的介電常數(shù)。潤滑油的溫度通過傳感器內(nèi)部的電阻式溫度計(jì)測得。FPS2800 系列傳感器基于控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線 的 J1939 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于與主控設(shè)備之間通信。
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本研究選用 FPS2800 油品品質(zhì)傳感器，實(shí)現(xiàn)對齒輪油粘度、密度、介電常數(shù)、溫度的多通道全方位監(jiān)測，從而分析齒輪油在運(yùn)行過程中的變化特性。
2、試驗(yàn)研究
根據(jù)重負(fù)荷車輛齒輪油換油指標(biāo)，造成油品失效的主要指標(biāo)有運(yùn)動粘度(100 ℃)變化率、水含量、Fe 含量、酸值等。運(yùn)動粘度(100 ℃)是齒輪油高溫性能的指標(biāo)，是流體動力潤滑最為重要的物理特性，粘度大則耐負(fù)荷能力強(qiáng)，但給循環(huán)潤滑帶來困難，增加運(yùn)動阻力，導(dǎo)致發(fā)熱和動力損失。因此，車輛齒輪油粘度需控制在合理范圍內(nèi)，使齒面溫度及摩擦熱量保持在合理的水平，確保對齒輪的有效保護(hù)，從而延長油品壽命。
水分會促進(jìn)齒輪油乳化，降低粘度和油膜強(qiáng)度，促使齒輪油氧化變質(zhì)，加重酸性物質(zhì)對齒輪表面的腐蝕，同時使油品中的添加劑失效。Fe 是齒輪油中常見的金屬成分，主要來源于齒輪的磨損， Fe 含量過高會導(dǎo)致齒輪表面出現(xiàn)鐵銹和磨損，鐵銹會沉淀在齒輪表面，影響潤滑效果，降低齒輪的使用壽命，監(jiān)測 Fe 含量可直觀反映出齒輪的磨損程度。酸值是保證齒輪不受腐蝕的指標(biāo)之一，在使用過程中，因氧化分解作用，酸值不斷提高，當(dāng)酸值過高時，齒輪油的腐蝕性會隨著酸值的提高而變大，傳動系統(tǒng)的損耗也會隨之增大，因此，應(yīng)及時更換新油。
本研究搭建了齒輪油在線監(jiān)測系統(tǒng)，分別對油樣進(jìn)行理化性能檢測和在線監(jiān)測，評價齒輪油衰變程度。實(shí)驗(yàn)室齒輪油在線監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、上機(jī)位等。當(dāng)油液流過傳感器時，完成數(shù)據(jù)的采集，再通過 CAN 總線發(fā)送到主板上，經(jīng)過主板上的 485 信號將數(shù)據(jù)傳到上機(jī)位，通過監(jiān)測軟件實(shí)時查看油液的狀態(tài)參數(shù)，如圖 1 所示。
3、試驗(yàn)結(jié)果及分析
不同溫度下齒輪油動力粘度與運(yùn)動粘度的關(guān)系
粘度是衡量齒輪油潤滑能力的一個重要指標(biāo)，當(dāng)油液流過齒輪表面時，持續(xù)的局部高溫會使油品氧化，機(jī)油的粘度變化是反映齒輪油質(zhì)量狀態(tài)及剩余壽命的重要指標(biāo)之一。實(shí)際應(yīng)用中，在線監(jiān)測的齒輪油粘度是某一工況溫度下的實(shí)時粘度，目前國標(biāo) GB/T 30034—2013《重負(fù)荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標(biāo)》是參照 100 ℃時的運(yùn)動粘度規(guī)定的，因此，需要把在線監(jiān)測的齒輪油實(shí)時粘度換算成 100 ℃時的運(yùn)動粘度。
由于 FPS2800 傳感器所測粘度為動力粘度，因此，需要研究不同溫度下齒輪油動力粘度與運(yùn)動粘度之間的關(guān)系。取不同溫度下的動力粘度與運(yùn)動粘度值，同一溫度點(diǎn)多次測量后取平均值，將二者的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算線性關(guān)系的回歸系數(shù)，如圖 2 所示。
由圖 2 可知，不同溫度下齒輪油的動力粘度與運(yùn)動粘度之間呈現(xiàn)很強(qiáng)的線性關(guān)系，線性擬合的回歸系數(shù) R2 達(dá)到 99.73%。因此，在后續(xù)粘度建模中可用動力粘度直接取代運(yùn)動粘度，降低在線監(jiān)測系統(tǒng)的計(jì)算量，提高了系統(tǒng)粘度測量的精確度。
100 ℃實(shí)時粘度測量
目前黏溫模型較多，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn) ASTM D341-17 Standard Practice For Viscosity-Temperature Charts For Liquid Petroleum Products 中 Walther 公式在在線監(jiān)測系統(tǒng)中有較強(qiáng)的通用性：
式中：v 為運(yùn)動粘度，T 為溫度，a、b 為常數(shù)。
當(dāng) FPS2800 傳感器在溫度 T1時測得粘度值 vT1 后，可得到第 1 組黏溫方程：
當(dāng) FPS2800 傳感器在溫度 T2時測得粘度值 vT2 后，可得到第 2 組黏溫方程：
由式(2)和式(3)可得 a、b 的值，記作 a1、b1，即式(1)換算為：
將 T=100 ℃代入式(4)中，即可得到 100 ℃時齒輪油油質(zhì)改變狀態(tài)下的粘度值 v1。
多次循環(huán)采用以上方法，即當(dāng)系統(tǒng) FPS2800 傳感器在溫度為 T3時測得粘度值 vT3，再將數(shù)值代入 Walther 公式，然后與上一溫度下的公式聯(lián)合求解即可得到新一組的 a、b 常數(shù)值，再將 T=100 ℃代入新得到的公式中，依此類推，即可得到 100 ℃時任意時刻齒輪油油質(zhì)改變狀態(tài)下的粘度值。
圖 3、圖 4 為 2 款換油里程為 20×104 km 的油品 A 與油品 B 新油黏溫曲線，均為某主機(jī)廠變速箱及車橋現(xiàn)生產(chǎn)使用油品。受限于 FPS2800 傳感器的粘度測量范圍，二者黏溫曲線的溫度范圍為 60～130 ℃，由圖 3、圖 4 可知，油品 A 與油品 B 的黏溫曲線變化趨勢大致相同，油品 A 的粘度略高于油品 B，與使用離線儀器所測的粘度結(jié)果相吻合。另外，在線所測新油粘度數(shù)據(jù)為后續(xù)行車油品粘度的判定提供了很好的參考，提高了粘度數(shù)據(jù)的可信度。
由于不同溫度下齒輪油的動力粘度和運(yùn)動粘度間呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，因此，可用動力粘度代替運(yùn)動粘度進(jìn)行判定。結(jié)合之前大量行車試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定系統(tǒng)粘度的預(yù)警值 PV和報警值 AV：
式中：v2為 100 ℃時齒輪油實(shí)時狀態(tài)下的粘度值，v1 為 100 ℃時齒輪油新油狀態(tài)下的粘度值。
齒輪油狀態(tài)參數(shù)對介電常數(shù)的影響
通過試驗(yàn)研究溫度對齒輪油介電常數(shù)的影響，將齒輪油從 50 ℃加熱至 100 ℃，采用 FPS2800 傳感器測得溫度和介電常數(shù)，繪制齒輪油介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，如圖 5 所示。
由圖 5 可知，介電常數(shù)隨溫度的升高緩慢減小。在溫度小幅度變化時，介電常數(shù)變化較小，可忽略溫度的影響。當(dāng)溫度變化較大時，對介電常數(shù)和溫度進(jìn)行線性擬合，利用關(guān)系式將不同溫度下的介電常數(shù)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換即可。
當(dāng)車輛在潮濕環(huán)境中行駛時，因存在熱呼吸，停車氣溫降低，吸入的水分冷凝在齒輪表面，造成齒輪表面銹蝕和添加劑損失。水的介電常數(shù)比齒輪油的介電常數(shù)大，如果齒輪油中混入少量水分，會引起介電常數(shù)的明顯變化。采用 FPS2800 測得齒輪油介電常數(shù)與水含量的關(guān)系如圖 6 所示。
由圖 6 可知，隨著水含量的增大，齒輪油的介電常數(shù)增大。當(dāng)水含量小于 0.5% 時，介電常數(shù)隨水含量的增長而急劇增長，二者基本上呈線性增長關(guān)系。當(dāng)水含量大于 0.5% 時，隨著水含量的增長，介電常數(shù)的增長趨勢逐漸變緩。FPS2800 傳感器對水含量的靈敏度很高，水含量的微小增加就會造成傳感器介電常數(shù)讀數(shù)的迅速增大。
隨著車輛行駛里程的增加，齒輪表面的摩擦磨損不斷加劇，從而造成齒輪油中 Fe 含量的不斷上升。Fe 是影響齒輪油性能的重要污染因素，其以 Fe 離子的形式分布在齒輪油中，造成介電常數(shù)的改變。齒輪油介電常數(shù)與 Fe 含量的關(guān)系如圖 7 所示。
由圖 7 可知，隨著強(qiáng)導(dǎo)電性的 Fe 元素含量增大，齒輪油的介電常數(shù)呈上升趨勢。與水相比，F(xiàn)e 含量對介電常數(shù)的影響并不明顯，這是由于雖然 Fe 為良性導(dǎo)體，但其擴(kuò)散能力和表面的附著能力都遠(yuǎn)不如水。另外，隨著齒輪油中 Fe 含量的增加，介電常數(shù)的增加趨勢有所放緩。
變速器和車橋在運(yùn)行過程中，齒輪油中的部分碳?xì)浠衔锓肿颖谎趸伤?，添加劑也被逐漸消耗，使得油中的游離酸含量增加，加重了對齒輪表面的腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品老化，不利于其正常工作。隨著齒輪油中游離酸含量增加，在外電場作用下，酸中的 H+和 RCOO- 離子發(fā)生離子極化，形成內(nèi)電場抵消外電場強(qiáng)度，從而對齒輪油的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。齒輪油介電常數(shù)與酸值含量的關(guān)系如圖 8 所示。
由圖 8 可知，隨著齒輪油酸值的上升，齒輪油的介電常數(shù)呈緩慢上升趨勢。雖然酸值同樣造成介電常數(shù)的增大，但相對水含量和 Fe 含量，酸值對介電常數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。FPS2800 傳感器對酸值的靈敏性不高，酸值的上升并不會引起介電常數(shù)的明顯升高。
通過上述試驗(yàn)分析，確定了齒輪油介電常數(shù)與常用理化性能指標(biāo)之間的變化規(guī)律，驗(yàn)證了齒輪油水含量、Fe 含量以及酸值與齒輪油介電常數(shù)變化趨向的一致性，證明了用介電常數(shù)作為評價齒輪油衰變程度的綜合指標(biāo)是可行的，可采用容錯率好的反向傳播(Back Propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對齒輪油品質(zhì)進(jìn)行綜合判斷。在本模型中，第 1 級建立 4 個子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別將校正后的粘度、酸值、Fe 含量和水含量作為輸入?yún)?shù)，第 2 級是對不同類型參數(shù)進(jìn)行特征提取與 FPS2800 傳感器實(shí)測參數(shù)建立映射關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)得到的閾值進(jìn)行正常、預(yù)警、報警 3 個等級劃分，從而得到齒輪油品質(zhì)的判定結(jié)果。
4、結(jié)論
a. 不同溫度下齒輪油的動力粘度與運(yùn)動粘度之間呈現(xiàn)強(qiáng)線性關(guān)系，粘度計(jì)算的過程中可以用動力粘度取代運(yùn)動粘度，大幅降低在線監(jiān)測系統(tǒng)的計(jì)算量。
b. 隨齒輪油水含量、Fe 含量和酸值升高，介電常數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，三者對介電常數(shù)的影響程度依次為：水含量、Fe 含量、酸值含量。
c. 齒輪油水含量、Fe 含量以及酸值與介電常數(shù)的變化趨向一致，證明了用介電常數(shù)作為評價齒輪油衰變程度的綜合指標(biāo)是可行的。
參考文獻(xiàn)略.