负责人:武通海、王硕
所在学院：机械工程学院
一、项目简介
面向机械装备视情维护的需求，本项目提供了一种应用于高端机械装备油液健康状态监测的磨粒图像分析技术，可实现机械装备关键摩擦副宏观磨损状态与微观磨损机理的多层次分析，为机械装备的磨损故障检测及预警提供技术保障。
磨粒图像分析技术
本项目依托单位是中国最早开展在线铁谱技术研究的单位，在基础理论研究和传感器研制上都取得了丰富的成果。经过长期研发，在在线铁谱传感器设计领域先后申请了20 余项国家发明专利。根据分析时磨粒所处状态，可将所研发的磨粒图像分析技术分为静态、运动两种模式。
1静态磨粒图像分析技术
本项目提出了一种新型的在线铁谱监测系统，通过高梯度磁场从润滑油液收集并分析设备磨损产生的铁磁性磨粒，如图1所示为该系统的工作原理示意图，其实质就是将离线铁谱分析中磨粒分离的流程融合为一体，借助计算机在较短的时间内自动完成一个分析周期。
图1在线铁谱监测系统示意图
2.运动磨粒图像分析技术
上述静态磨粒图像分析技术实现了磨粒群统计信息的提取，但是因借助于磁场力吸附磨粒，致使铁谱图像中磨粒呈链状分布，无法实现单磨粒精准分析。并且，该技术仅能提供磨粒单侧表面信息，无法探究背向显微镜一侧的磨粒表面。磨粒沉积的随机性易导致包含表征典型磨损机理的磨粒表面形貌丢失。针对此问题，本项目创新性地提出了第二代磨粒图像分析技术，即基于磨粒随机运动的多视角图像分析方法。本项目基于固液两相流理论分析了无磁场作用下磨粒在微流道内的运动特性，确定磨粒翻滚力矩与其粒径和流道结构的关系，促使磨粒在流场力作用下周期性滚动。
（二）系统集成与研发
1.磨粒图像分析系统
以上述磨粒图像分析技术为核心，结合微量泵、油路、嵌入式自动控制系统本项目研发了在线磨粒图像监测系统，使用 VS2008 开发了上位机采集软件，包括串口数据的接收发送、USB 视频接收显示、磨粒图像处理分析、数据库管理等功能，如图2所示。
c）上位机采集软件
图2磨粒图像分析系统
该系统突破了嵌入式磨粒显微成像、典型磨粒类型分层辨识以及磨损状态监测与趋势分析等关键技术，可以快捷地分析不同油样，具备20-500 微米磨粒的自动检测能力。该系统不仅能提取磨粒的浓度信息，还能运用图像处理算法对磨粒链进行分割，统计 0-20µm、 20-40µm、40-60µm、60-80µm、大于 80µm 的磨粒数量以及最大磨粒的等效直径。此外，该系统能够自动地将所采集的磨粒特征存储于特定的数据库中，并生成随时间变化的趋势线，从而判断机械装备的磨损状态与磨损趋势。
所研发的系统通过分析润滑油样进行机械装备摩擦副磨损机理判断与失效预警。该系统降低了长期以来磨损检测行业对分析铁谱仪的依赖，同时具有分析速度快、操作简便、检测费用低等特点，达到了国际同类产品的标准，是第三方检测机构及工业现场油液检测实验室的理想选择。
2.润滑油在线监测系统
单一磨损指标监测技术在装备状态监测领域取得了不错的工程效果，但是对于复杂机械设备而言，依靠磨粒数量和尺寸信息仅仅能给出磨损剧烈程度，而无法给出润滑剂性能衰变程度以及磨损故障的诱因。因此，本项目研发了一套润滑油在线监测系统，从摩擦学系统角度，提出了从磨损、理化、污染三个方面表征机械装备磨损和润滑状态的监测方法，通过可测性分析建立基于磨粒、粘度、水分、油温、介电常数、污染度指标的集成监测技术。此外，通过机械装备全寿命监测数据采集，开发数据清理及趋势分析等算法，为机械装备提供失效预警。
图3润滑油在线监测系统
二、产品性能优势
经研发，该系统已形成了集磨粒分析、油液理化、污染监测监测等功能的完整油液分析体系并通过传感器级联设计、嵌入式采集及远程数据传输技术实现机械装备摩擦学状态的全信息实时监测，包括：磨粒浓度、磨粒尺寸分布、油液粘度、水分含量、油液温度、油液密度以及污染度等多种指标。同时，该系统能够采用网络通信协议，实现远程监测。该系统实现了在线的全信息获取，能够定位磨损故障并为换油提供维护建议，对于降低机械装备的摩擦学故障及延长整机寿命具有重要的工程意义
本项目研发产品主要针对高端机械装备的关键摩擦副（如风电齿轮箱、航空发动机轴承等）进行健康状态分析。油液监测的市场正在快速增长，每年参与油液监测大会的公司与产品种类均在快速增长，涉及中国石油、广研检测、国联质检等等。这表明：工业界逐渐意识到油液监测的重要性。但是，其中90%以上产品是集成国外的传感器，5%产品是仿造国外的产品，只有本项目的磨粒图像分析技术具有完全自主的知识产权。
目前国内在售产品仅有美国一家企业，产品售价约50 万人民币/台。与该产品相比，本项目研发产品可获得表面形貌、颜色等更多的磨粒表征信息，因而在磨损机理判别与失效预警方面更具优势。本项目产品价格估算仅为进口产品的 30％-40％，可替代/超越进口产品，填补国内市场空白。
三、市场前景及应用
上述磨粒图像分析系统与润滑油在线监测系统均采用一体式设计，具有安装方便、操作简单的显著优势。上述系统既可作为实验室油样离线检测设备在实验室分析油样，也可作为便携式设备在工业现场检测，提高油样分析效率。同时，上述系统可作为机械装备运行状态实时监测设备，仅利用进出油口与机械装备回油管路连接（如图4 所示），通过网络通信协议与上位机软件实现数据传输，就可以实现机械装备全寿命周期运行状态的多指标监测与失效预警。
图4油液在线监测系统实际使用现场
所开发系统先后获得军队科技进步二等奖、陕西高等学校科学技术二等奖、工业博览会一等奖等多项科研奖励，并且在船舶、石化、风电等高端装备中已经试用，具体包括：矿用刮板输送机减速器，南海救护船和南通挖泥船的动力滑油监测系统，独山子石化挤压造粒机的油液集成在线监测系统，大唐风电场风机的油液在线监测系统等。
图5救护船的动力滑油监测系统
图6挤压造粒机的油液集成在线监测系统
综上所述，本项目提供了一项面向机械装备磨损状态监测的关键技术，具有离线检测、便携式与在线监测三种应用模式，可用于航空发动机、风力发电机、矿用机械、化工机械、电力机械等多种设备的日常维护中。可见，本项目产品类型多样、应用范围广泛，商业前景良好，适合推广。
四、技术成熟度
□概念验证 □原理样机 □工程样机 □中试 √产业化
五、合作方式
□联合研发 □技术入股 □转让 □授权（许可）√面议
