航空发动机润滑油视情更换检测技术研究

张 涛，王东锋

(空军工程大学 航空机务士官学校，河南 信阳 464000)

对性能衰退到一定程度的润滑油进行及时更换是保证航空发动机安全工作的重要条件。然而，由于我国一直缺乏可靠易行的润滑油衰退程度通用检测技术[1]，导致目前主要依靠经验进行润滑油定期更换，而国外航空润滑油则采用视情更换。这种不合理的定期更换一方面导致多数发动机的润滑油被提前更换，造成严重浪费；另一方面使少数发动机因润滑油未能及时更换而减少寿命。进行航空发动机润滑油视情更换的关键在于开发一种便于外场使用的润滑油衰退度综合分析仪，并合理确定润滑油更换指标，对决定润滑油质量的金属磨粒含量、酸值和含水量等关键指标进行快速、综合分析。

目前，我国航空发动机润滑油衰退分析技术主要为光谱分析、铁谱分析和理化分析。其中，成本高昂的光谱分析和铁谱分析的主要作用是监测发动机的异常磨损，并不能检测润滑油的氧化变质和含水量；程序繁琐的理化分析虽可以检测氧化变质(酸值)和含水量，但不能分析润滑油的金属磨粒含量。因而，在航空发动机润滑油的质量检测和更换时间确定等方面存在很多不便，并由此造成了大量润滑油被提前更换的现状。针对这一问题，国外采用的是基于介电常数的润滑油质量综合分析技术，基于此技术较著名的仪器有美国北方仪器公司开发的NI—2B型检测仪[2]。而此类检测技术在我国开展得较少，相关硬件开发还不够成熟。本文基于介电常数法研究了航空发动机润滑油综合分析技术，进行了检测系统设计，并基于正交试验表和三元回归分析制定了润滑油更换阈值的试验和计算方案，以期为实现润滑油的视情更换提供检测依据。

1 介电常数法分析技术

介电常数法是将油液及其中的污染物作为电介质，当润滑油变质时，油中部分碳氢化合物分子被氧化，生成过氧化物、酸和其他化学物质，使分子极化。随着氧化产物和热降解产物的积累，外来污染物的不断增加，油中极化分子也不断增多，这样会导致润滑油的介电常数发生变比；同时，由于摩擦和磨损，磨损的金属粒子和其他导电性强的化合物也会使润滑油的介电常数发生变化[3]；另外，润滑油与空气接触，吸收空气中的水分，产生H+、OH-等离子，也会引起介电常数增加。由此可见，润滑油的介电常数取决于基础油、添加剂及污染物的成分和含量。基于该原理，可通过比较新油与旧油介电常数来确定润滑油的衰退程度，从而判断其是否需要更换。

2 检测系统设计

2.1 检测系统的组成和工作原理

检测系统主要由电容传感器、电容数字转换电路、单片机和液晶显示等4个部分组成(见图1)。系统的控制核心是8051F410单片机，该单片机是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，具有高速、流水线结构的 8051 兼容的微控制器核。其主频可达 50 MIPS，与标准的 8051 结构相比，指令执行速度提高了8倍以上。其能够进行全速、非侵入式的在系统调试，体积微小(9 mm×9 mm)，非常适合微型检测系统的开发。

图1 检测系统的组成

系统工作原理是电容传感器将检测介质(润滑油)的电容信号输入电容/数字转换模块，该模块在单片机控制下，将电容值转换为数字信号送给单片机，经简单计算后转换为润滑油的介电常数，再将介电常数输入微型液晶显示器显示。

2.2 电容传感器设计

本文选择图2所示的圆筒式共轴柱面电容传感器进行电容检测，其中，实心内极柱作为电容器的一极，外极筒作为电容器的另一极。内、外极柱通过塑料圆盘固定后，分别通过2根焊接在两极上的屏蔽电缆引出，然后两极柱再用绝缘塑料薄膜粘贴，以防止润滑油的腐蚀。若内极柱半径为r，外极筒半径为R，长度为L，则当L>R-r时，两端的边缘效应可以忽略。

图2 圆筒式电容传感器示意图

根据电磁学的相关理论可得电容器的电容值为：

(1)

式中，ε0为真空介电常数。当电容器内充满介电常数为εx的均匀电介质时，电容器的电容为：

Cx=εxC

(2)

根据以上两式，只要分别测量出有无电介质(润滑油)时的电容C和Cx，即可计算出润滑油的介电常数εx。

2.3 AD7747接口电路设计及工作原理

选用AD公司最新高精度电容检测芯片AD7747作为模数转换芯片，该芯片分辨率高达24位，精确度可达±8.0 f F(出厂标定)。该芯片采用Σ-Δ技术，采用标准Σ-Δ调制器，通过切换固定的电容，平衡可变电压输入和固定基准电压输入之间的电荷，即可实现高精度电容检测。 该芯片可通过I2C总线在单片机控制下进行被测电容的模数转换。AD7747是为浮地电容传感器设计的，故被测电容应一端直接连接到AD7747的输入端，另一端接地[4]。单片机与AD7747的接口电路如图3所示。

图3 单片机与AD7747的接口电路

其工作原理如下：首先在时钟脉冲控制下，C8051F410单片机通过I2C总线向AD7747发送写入初始化设置命令，使AD7747做好模数转换准备；然后当AD7747通过I2C总线收到单片机发来的读数据命令后，即可将24位的模数转换结果(电容测量值)通过SDA引脚(引脚16)发给单片机的P0.6引脚，单片机对该结果进行处理和分析后，送至显示器显示。

单片机与AD7747之间的数据传送过程中，应确认数据传送的开始和结束。开始和结束信号都是由单片机C8051F410产生。在开始信号以后，I2C总线即被认为处于忙状态，其他器件不能再产生开始信号。单片机C8051F410在结束信号以后退出主器件角色，经过一段时间，总线才被认为是空闲的。I2C总线的数据传送格式是在I2C总线开始信号传输后，送出的第1个字节用来选择从器件地址，其中，前7位是地址码，第8位为方向码(R/W)。数据传送方式采用时钟脉冲逐位串行传送方式。

3 更换阈值的正交试验方案设计与回归分析

润滑油衰退到需要更换时的介电常数值称为更换阈值，该值是确定视情更换的依据。由于国家有关标准已规定了润滑油必须更换时的酸值、水分含量和金属磨粒含量的临界值，因而可以根据润滑油的理化分析结果(临界酸值和水分含量)以及光谱分析和铁谱分析结果(临界金属磨粒含量)计算出更换阈值。为确定更换阈值的计算公式，本文确定了以正交试验表L9(33)(三水平、三因素)为依据，三元回归分析的计算方案，即将水分含量X1、酸值X2和金属磨粒含量X3作为影响介电常数的三因素，将每个因素的变化水平设计为3个，结果可得到9组试验结果，再对这9组试验结果进行三元回归分析。试验方案见表1，表1中，X1C、X2C、X3C分别为标准中规定的润滑油临界水分含量、酸值和金属磨粒含量。

表1 影响介电常数的因素、水平表

对表1所得试验结果进行三元回归分析，可得介电常数计算公式如下：

ε=a0+a1X1+a2X2+a3X3

(3)

式中，a0、a1、a2和a3为回归系数。可见，只要通过试验测定出X1c、X2c和X3c，即可计算出润滑油的更换阈值，作为视情更换的理论依据。

4 结语

通过检测易于测量的润滑油介电常数来综合反映航空发动机润滑油的衰退程度，可以在许多场合替代工序繁多、操作复杂的润滑油理化分析和成本高昂的铁谱和光谱分析，为润滑油的更换提供重要的参考依据。采用电容/数字转换芯片AD7747可以显著提高检测精度，简化电路设计，与微型液晶显示器LCD1602配合，实现了检测系统的手持式设计。试验结果表明，该检测系统运行可靠，检测结果精确，可为航空发动机润滑油的更换和剩余寿命确定提供可靠的量化依据。