潤滑油品質檢測系統及檢測方法

專利類型

發明

專利國別 (專利申請國家)

中華民國

專利申請案號

109136431

專利證號

I 741845

專利獲證名稱

潤滑油品質檢測系統及檢測方法

專利所屬機關 (申請機關)

國立臺灣科技大學

獲證日期

2021/10/01

技術說明

1摘要 本研究結合油膜性質之理論基礎與測試，配合流體系統之模型建立，以自主研發之放電技術，設計與製作可即時監控油膜品質之流體機械。並於多變之速度與環境溫度下，觀測與量測油膜黏度之劣化與導電度對磨潤性之影響，進而推測油品的壽命。在主流測試(mainstream test)中，紀錄油膜溫度與黏度之變化，推導溫度參數與黏度值之關係式，建立油品劣化之門檻值。在演化測試(evolution test)中，觀察剪力對流體黏度造成劣化之關聯，回饋油品劣化後，油膜導電度與黏度之關聯。在驗證測試(validation test)裡，藉由控制油膜中之溫度、負載與速度，觀測油膜間之抗剪能力與導電度變化，並建立參數模型，以便預測油品之效能。綜合以上之實驗結果，油品劣化與導電度變化可歸納於三種因素，分別為油膜間之溫度、剪力效應以及極限添加成份。當控制轉速(120–210 rpm)與油膜溫度(40–90 °C)時，當溫度與裂解程度提升時，導電度隨之上升。經殘差分析檢驗後，預測油膜黏度之模型精度可達82.17–96.28%。驗證測試中，扭矩模型與導電度模型之擬合精度高達94.78%與90.13%，符合工業應用之需求。 2技術構想說明 本技術構想起始於探討油膜之物理性質與操作參數之關聯，呈現自主設計與製造之油膜品質監測系統，展示可控制油膜劣化之參數，並以多階段測試之實驗設計加以測試與分析。以控制基礎油品種類、油膜厚度、溫度，並於極間施予電壓，紀錄黏度值與導電度之變化，藉以觀測導電度之變化與油膜黏度之關聯。在分析過程中，以完全隨機區集設計之統計方法(random complete block design, RCBD)驗證殘差之隨機性與系統之穩定性。以變異數分析(analysis of variance, ANOVA)決策造成油膜品質劣化之顯著參數因子。本技術之構想可實現科學性與實務性，改善傳統油膜老化測試之冗長時程，並可延伸至流體機械、滑動與滾動對，做即時之油膜品質監控，達到潤滑之效果與節能之效益。 2.1 溫度、油膜厚度在油膜之黏度與導電度之效應 在基礎測試之實驗概念與陳列實驗陣列，以控制油品種類，油膜溫度(40–90 °C)及油膜間之負載，配合雷射位移計量測油膜厚度、黏度計量測油膜黏度值與電氣迴路紀錄導電度，建立參數與觀測指標之關係式進行驗證與轉換。在完成基礎測試後，可將油品劣化程度對應到電氣訊號，進行分析與特徵化。 2.2 流體速度之剪切效應對油膜黏度與邊界層之影響 當考慮油膜在系統中之流場變化及承壓狀態，因此對油品進行流力分析並計算系統中迴轉對之間隙，以便藉由流線間之速度差，產生剪力，進而催化油膜之分子鏈裂解，形成可帶電之游離基。在一微小流體元素於x方向受力之自由體圖裡，根據牛頓第二運動定律("F" ⃑=m"a" ⃑)整理，可推導得流體力學之運動方程式(motion equation)，亦即Navier – Stokes equation [8]，並簡化Navier – Stokes equation，由微小流體元素於x方向受力之自由體圖，流體動力於潤滑軸承間之運動行為，並推導油膜於間隙中流動之速度分布與微小流體元素之受力. 2.3 輝光放電之迴路設計 當油膜流動於設計之間隙裡，提高之速度與溫度可以提高滑動對間微小流體元素之剪力與降低油膜之黏度，進而加速剪力對流體黏度之劣化並提高油膜導電度，進而誘發油膜間之放電效應。當收集之電信號為電壓降、電流峰值、放電延遲效應與放電波形時，經過分析可以用來監測與辨識油品黏度之劣化程度。實驗中以穩定之15 V電壓，適當的絕緣設計使治具與旋轉軸形成短路，在經過油膜與示波器量測迴路形成開路，量測放電效應於油膜中所產生之電壓降、峰值電流值與放電波形，並即時監控導電度推測黏度值以便特徵化油品狀態。 2.4 創新的油膜品質監控方法 本研究之最大貢獻，即為整合上述三種物理效應，創新一可即時監測油膜溫度、導電度與油膜品質之系統。本實驗室以自主之實務技術，進行機構設計與製造，完成放電迴路之架設與原型機之製作。搭配測試以加速油膜厚度之減少或品質劣化，並藉由導電度的改變，透過放電行為來檢測油膜品質，建立油膜黏度值與導電度之關係。本研究之技術特點與實務性同為一創新之機構設計與電信號之實驗設置，可以進行油膜品質測試之量化平台與系統。此系統可以控制油膜之運動速度、負載、動作溫度與電氣信號中之輝光放電，長時間監控油膜之黏度變化、抗剪能力與電導能力。 2.5 電氣訊號與油膜品質之關聯 透過調整油膜溫度(40–90 °C)，於油品不同的劣化程度下，藉由示波器觀測電氣導通迴路計算導電度，以黏度計量測油膜黏度值，並建立兩者之關係式。將黏度值以導電度代換，判斷導電度於迴轉運動中對機件磨潤狀態之影響。在基礎測試中，於控制之多階溫度下，使用黏度計量測K85複級機油、CXL冷凍極壓油、PM礦物油之黏度，並藉由電源供應器提供極間電壓，與運動對間產生電離通道之實驗設置。在電離通道對油膜分子不產生破壞之情況下，量測油品之導電度，並建立其關係式。 2.6 油膜性能之即時監控 在演化測試(evolution test)中，觀察剪力對流體黏度造成劣化之程度，並藉由滑動對間之放電效應，回饋油品劣化後，紀錄油膜導電度與油膜黏度之關聯。油膜劣化使導電度提升，電壓較易突破油膜絕緣環境，亦即油膜黏度值已低於預設標準。在驗證測試(validation test)之設置，實驗中透過控制線速度與油膜溫度，觀測油膜間之抗剪能力、黏度值與導電度變化，建立統計模型與進行誤差評估、參數最佳化，以便預測油膜使用壽命，進而可以控制運動系統之潤滑效果。 3成果與討論 3.1 溫度、油膜厚度在油膜之黏度與導電度之效應 油品於基礎測試(baseline test)中，實驗數據所顯示之導電度、黏度與溫度之影響與效應。由實驗結果可以推論，隨著溫度的提升，黏度因分子鏈的破壞而下降，其可能產生游離基的離子區塊(ionic clusters)，使油膜之導電度升高。其中更發現PM礦物油在70 °C時，可能油品分子鏈已大量破壞，導致導電度急遽上升，形成電良導體。分析基礎測試於不同油膜中，黏度與導電度對於溫度之變化與相依關係。得到驗證測試中在全因子操作參數下所量測之扭矩值。隨著溫度提升使油膜黏度下降，當轉速為180 rpm，油膜溫度由40 °C提升至80 °C時，扭矩量測值大幅降低約91%。相似地，油膜溫度40 ℃提高至70 °C時，導電度會從0.82×10-4 S/s上升至49.61×10-4 S/s，但當溫度持續提升時，導電度轉為呈現下降趨勢，並在油膜溫度80 °C達到最低之量測值2.51×10-4 S/s。 3.2 流體速度之剪切效應對油膜黏度之影響 在驗證測試中扭矩及馬達輸出功之實驗結果(yij)，並以統計模型之適切性方法(model adequacy)推演出之擬合值(y ̂_ij)及信賴區間(confidence interval, CI)之範圍，對所建構之磨潤監測系統進行穩定度之評估。在95%之信賴區間下，36組全因子驗證測試中，結果皆顯示油膜經扭矩所產生之剪力作用劣化後，僅有一參數組合(70 ℃, 120 rpm)遠離模型擬合曲線，並落在信賴區間之曲線外，為模型中之離群點。在殘差隨機分配之半域圖(Daniel half-normal plots)裡，驗證測試中，觀測油膜劣化後可承受扭矩、量測與參數之誤差皆以隨機分布，不集中於任一測試中。當排除參數組合之兩殘差點(70 ℃, 120 rpm)與(70 ℃, 180 rpm)時，擬合精度從83.86%上升至94.78%，亦即此油膜品質之即時監控系統為一穩健設計。 3.3 流體速度之剪切效應對油膜導電度之影響 考慮驗證測試中導電度之實驗結果(yij)，在95%之信賴區間下，36組全因子驗證測試之導電度實驗值之分布。結果顯示，導電度實驗結果中，僅有一參數組合(70 ℃, 210 rpm)遠離模型擬合曲線，並落在信賴區間之曲線外，為模型中之離群點。並判定殘差分配之隨機性，當排除參數組合之六個離群點(70 ℃, 210 rpm)、(70 ℃, 120 rpm)、(60 ℃, 120 rpm)、(60 ℃, 210 rpm)、(70 ℃, 150 rpm)與(65 ℃, 120 rpm)時，擬合精度從52.92%上升至90.13%。導電度之模型適切性分析中，所有測量值均在信賴區間內，亦即所建構之放電即時監控油膜品質系統之穩定度極高，導電度之量測系統亦為一穩健系統。 4.結論 本研究已建構一套新型油膜品質之即時監控系統，兼具設計理論與實務應用。藉由量測油膜中之傳導扭矩、黏度與放電信號來推測油品的黏度與壽命。以統計方法確認系統之穩定性，並決策造成油膜品質劣化之顯著參數因子。

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