自动润滑油氧化安定性试验器的研究



自动润滑油氧化安定性试验器的研究

0引言

润滑油氧化安定性是润滑油产品抵抗大气或氧气的作用且保持其性质不发生永久变化的能力，是润滑油出厂最重要的性能指标之一[1-2]。旋转氧弹法通过模拟润滑油在高温、高压、氧气充足等加速氧化的条件下的氧化过程，判断样品的抗氧化能力[3]。

传统润滑油氧化安定性试验器(旋转氧弹法)，在恒温浴方面采用大量硅油作为恒温介质，不但价格昂贵，而且环保性能差[4-6]；在旋转机构方面，传统仪器接触式传动机构需浸没在油浴中，不但运行过程中噪声大，而且有受热膨胀后易卡死等缺陷[7]。所以，研究全新的自动润滑油氧化安定性试验器很有必要。

1仪器设计方案

自动润滑油氧化安全性试验器的外形结构如图1所示。金属浴外面包裹加热带进行试验过程的恒温，加热至恒温点速度快，控制容易，且控温精度高。在传动方面，由主动磁力座带动被动磁力套件进行旋转，整个机构安静运转。仪器采用单片机和8英寸(1英寸=25.4 mm)彩色液晶触摸屏进行控制，节约成本且能很好地实现所需功能。

控制系统的研究包括硬件设计和软件设计两方面。硬件设计主要包括温度和压力的采集与控制，充氧和放氧电磁阀控制，电机和打印机的驱动等模块。软件设计方面做到人机界面大方美观，操作简便；自动恒温、自动判断泄漏、自动记录试验数据并实时显示曲线、自动判断试验拐点和自动结束试验；RS-232通信实现LIMS功能。一般含抗氧剂的油样氧化时间都在1 000 min(16 h)以上，所以仪器使用双金属浴装置，且单独控制，一次试验即能验证油样的重复性，极大地节约了时间成本。

图1　仪器外形结构图

2控制系统硬件设计原理

2.1主控板及电源设计

主控板电路原理如图2所示，主要涉及与彩色触摸屏和温控仪通信，以及与驱动板相连的I/O接口。单片机(MCU)通过MAX3232ESE芯片，与彩色触摸屏之间建立RS-232通信，负责显示图片、文字、曲线和坐标传递等。MCU与温控仪之间通过ADM2582E芯片连接，采用RS-485通信，主要用于设置温控仪PID参数。试验开始时启动温控仪，实时读取温度值和实验；结束时，关闭温控仪控温。在打印方面，采用热敏打印机，通过74LVC4245A电平转换芯片与MCU相连，接口形式为并口TTL电平；在试验结果存储方面，与EEPROM之间采用I2C通信。之所以将主控板与驱动板分开设计，是为了让主控板成为通用板，其他仪器根据功能的不同，只设计驱动板即可。

整个控制电路电源包含3.3 V、5 V和12 V这3种电源，5 V和12 V电源由开关电源直接给出，3.3 V由电源转换芯片得出。数字地和模拟地之间采用片式铁氧体普通磁珠连接，可抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力[8-10]。

图2　主控板电路原理图

2.2驱动板电路设计

驱动板电路原理如图3所示，主要包括压力采集，以及电机、电磁阀和冷却风扇等的控制。在压力采集电路方面，因被测试气体经气压传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，所以必须对这些模拟电信号进行放大处理。气压传感器采用MEAS公司的US300系列压力传感器，该传感器输出4～20 mA电流信号，压力范围为0～16 Bar，稳定可靠，性价比高。电磁阀和风扇的控制采用DC-AC的固态继电器，经电平转换后直接由I/O接口控制。对于电机的控制，因仪器在整个实验过程都需要旋转，为了减轻MCU的负担，采用配套电机驱动器的调速电机。电机驱动器与I/O接口的连接主要涉及MCU监控电机的转速和报警信号，以及发送使能和启停信号，而电机的转速和加速度控制可以通过调节驱动器上对应的电位器来实现。

图3　驱动板电路原理图

3控制系统软件设计分析

后台程序框图如图4所示。其主要包括MCU引脚、定时器、触摸屏和A/D转换等几个方面的初始化，以及主循环部分，包括电磁阀状态判断、自动充放氧功能、温控仪通信、温度与压力曲线处理、温度与压力实时显示和试验结果处理。自动充放氧功能：先读取温控仪中金属浴的温度，然后控制电磁阀的通断调节进气量的大小，达到试验标准要求的对应温度下的氧气压力，相比手动仪器，极大地提高了初始压力的准确性和效率。温度与压力的处理与显示： MCU与AD芯片之间采用SPI通信方式，实时读取压力值，与温度值一起向触摸屏发送指令，显示温度与压力曲线。试验结果处理：MCU与EEPROM之间采用I2C通信，存取每条试验结果，并可以按照热敏打印机的时序发送数据打印结果。

图4　后台程序框图

前台程序主要包括5个定时器中断和2个UART(通用异步收发器)中断。5个定时器中断的作用分别为温控仪RS-485通信发送数据、触摸屏RS-232通信发送数据、监测试验状态和曲线显示、LIMS发送数据和监测电机转速(仪器调试时使用)。2个UART中断的作用为温控仪RS-485通信接收数据处理和触摸屏RS-232通信接收数据处理。

人机交互界面示意图如图5所示。

①号区域为功能按键区，通过点击区域中6个按键，分别触发仪器的6个功能模块：仪器设置、试验程序、仪器调试、压力校正、温度校正和结果查询。仪器设置：可以设置系统时间，根据不同的油品选择不同的控制温度点。试验程序：可以输入油样编号，开始一个新的试验，整个试验过程全自动完成，实时刷新压力、温度曲线，并保存试验结果。仪器调试：在未试验状态下，可以调试电机、风扇和电磁阀，实现自动和手动充放氧功能，以及系统测漏功能。压力校正：仪器使用3个月左右，需使用配套的精密压力表对压力传感器重新标定和校正，以保证试验结果的准确性。温度校正：可以分别校正左右弹体的温度。结果查询：能浏览或删除历史记录结果，还可以选择打印功能，以及使用LIMS上传数据。

③号区域为工况显示区，用于显示仪器的实时工况。工况内容包括左/右弹压力、左/右弹温度、充/放氧电磁阀状态。

图5　人机交互界面示意图

4结束语

自动润滑油氧化安定性试验器，是集单片机处理、无接触传动、自动控制、传感器测控、通信系统等多项技术领域的综合系统。仪器具备手动/自动充放氧气、试验结果查询/打印、历史/实时试验曲线显示、全自动试验判断等功能，符合ASTM2272标准，控温精度为±0.1 K。经过多次测试，仪器的硬件和软件运行稳定可靠，试验结果的重复性和再现性均符合标准，达到了预期的目标。仪器的成功研制，打破了国外同类仪器的垄断地位，在国内同行业中处于领先地位。

参考文献

[1] 左凤,马兰芝.润滑油氧化安定性评价方法及与PDSC的相关性研究[J].现代科学仪器,2012,30(3):19-23.

[2] 陈晓旭.有机钼抗氧剂的合成以及改进氧化安定性测定方法的探索[D].上海:华东理工大学,2012.

[3] 曹国超.加氢润滑油基础油的结构组成与氧化安定性的关系研究[D].天津:天津大学,2007.

[4] 张燕,张金芳.加氢变压器油和环烷基变压器油抗氧化性能的评价[J].合成润滑材料,2010,35(3):60-64.

[5] 李建明,仇建伟,薛卫国,等.不同来源润滑油基础油对抗氧剂的感受性研究[J].润滑油,2009,30(6): 185-189.

[6] 李秀峰.含氮长链烷基苯硼酸胺盐衍生物润滑油添加剂的合成及其摩擦学性能的研究[D].上海:上海交通大学,2014.

[7] 谭秀峰,张国伟,谢里阳,等.齿轮传动系统的动力学研究与展望综述[J].机电工程,2014,34(5):206-210.

[8] 史建华,钱振宇.片式铁氧体磁珠及其应用[J].电源技术应用,2009,35(7):86-91.

[9] 张剑,王仕娇,岳振星.叠层片式铁氧体磁珠的数值分析与计算机仿真[J].电子元件与材料,2006,30(10):134-138.

[10]王继红,王志鹏.磁珠在开关电源EMC设计中的应用[J].通信电源技术,2004,32(5):201-205.

Research on the Automatic Control System of Lube Oil Oxidation Stability Tester

杨小峰1罗争光2顾怡3

(上海理工大学机械工程学院1，上海200093；中科院研究生院软件学院2， 北京100190；东华大学机械工程学院3，上海201620)

摘要：针对传统油浴恒温清洗不便、油浴体积大、热容较大、能耗高等特点，研究了新型自动润滑油氧化安定性试验器。采用金属浴进行加热，使用磁力传动代替机械传动，降低了试验过程中的噪声。整个系统运用单片机和彩色触摸屏进行控制，对硬件和软件设计原理进行了分析。通过对不同油品的多次测试，验证了该仪器良好的重复性和再现性，具备一定的应用前景。

关键词：润滑油氧化安定性分析仪器压力传感器单片机人机界面电路设计

Abstract：In view of the disadvantages of traditional constant temperature oil bath,e.g.,inconvenient cleaning,big volume of oil bath,larger heat capacity,and high energy consumption,etc.,the new type of automatic tester for oxidation stability of lubricating oil is researched.Using the metal bath for heating,and using the magnetic transmission to replace mechanical transmission,the noise is decreased in the testing.The whole system is controlled by single chip computer and color touch screen,and the design principles of hardware and software are analyzed.Many times of tests with different oil verify that the repeatability and reproducibility of instrument are good; and it has occupied a certain degree of marketing.

Keywords:Lube oilOxidation stabilityAnalytical instrumentPressure sensorMCUHuman machine interfaceCircuit design

中图分类号：TH89;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604024

修改稿收到日期：2015-10-15。

第一作者杨小峰(1986-)，男，2013年毕业于上海理工大学机械电子工程专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事石油产品分析仪器的研究。