一種新型可視鐵譜儀的靜磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃文杰， 左洪福(. 淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 3003； . 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 006)

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一種新型可視鐵譜儀的靜磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃文杰1， 左洪福2
(1. 淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003； 2. 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

以在線式全流量可視鐵譜儀為背景，對(duì)靜磁場(chǎng)的磁路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用軸向充磁，雙環(huán)異極嵌套安裝方式，兩環(huán)的間隙采用不導(dǎo)磁的材料做成的圓環(huán)作為襯套，并從磁荷模型出發(fā)，利用標(biāo)量磁位法，引入廣義二項(xiàng)式定理對(duì)同心雙環(huán)嵌套磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了解析計(jì)算。通過(guò)對(duì)比磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論值和實(shí)際測(cè)量值發(fā)現(xiàn)解析表達(dá)式很好地反映了靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律。將所設(shè)計(jì)的靜磁場(chǎng)應(yīng)用到某新型渦噴航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)中,對(duì)監(jiān)測(cè)到的磨粒進(jìn)行了分析。分析結(jié)果間接驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的靜磁場(chǎng)在潤(rùn)滑油高流速條件下吸附鐵磁顆粒的有效性。

在線式全流量鐵譜儀； 靜磁場(chǎng)； 磁路設(shè)計(jì)； 解析計(jì)算； 性能監(jiān)測(cè)

0 引 言

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的摩擦副工作在潤(rùn)滑油路中且在潤(rùn)滑油路中利用磁場(chǎng)便于收集磨粒，因此，磁場(chǎng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。以滑油中的磨粒監(jiān)測(cè)為例，早期的監(jiān)測(cè)設(shè)備以離線為主，如DMAS智能化鐵譜分析儀[1]、OLF-4鐵譜儀[2]等。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一批具有代表性在線全流量監(jiān)測(cè)傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其中應(yīng)用最廣泛的是加拿大GOSTOP公司生產(chǎn)的MetalSCAN油液磨損金屬監(jiān)測(cè)傳感器，它能夠全液流在線監(jiān)測(cè)鐵磁顆粒[3]。由于稀土永磁材料的加工水平與工藝不斷提高，合理設(shè)計(jì)的靜磁體可以產(chǎn)生各種強(qiáng)度和分布的磁場(chǎng)，并且具有無(wú)能耗、體積小、成本低、控制方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，尤其是環(huán)形磁體，因其便于在油路中安裝，易于產(chǎn)生均勻分布的磁場(chǎng)，在滑油磨粒監(jiān)測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，而靜磁體應(yīng)用的關(guān)鍵是對(duì)靜磁體磁場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)。在這方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)磁場(chǎng)分布的研究不斷深入。在國(guó)內(nèi)，運(yùn)用磁荷模型[4]、分子電流模型[5]給出了矩形靜磁場(chǎng)分布的解析表達(dá)式；在國(guó)外，在采用橢圓積分的基礎(chǔ)上[6-7]，或運(yùn)用磁荷模型對(duì)弧形靜磁場(chǎng)進(jìn)行研究[8-9]，或采用半解析方法計(jì)算環(huán)形靜磁場(chǎng)分布[10-11]，并采用該方法對(duì)使用永磁體的裝置進(jìn)行優(yōu)化[12]。通過(guò)對(duì)以往研究成果的分析，不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)矩形靜磁場(chǎng)分布的研究比較全面，雖然采用半解析方法計(jì)算了環(huán)形靜磁場(chǎng)分布，但是，缺少真實(shí)意義上的解析公式，嚴(yán)重制約了環(huán)形靜磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和分析。而環(huán)形靜磁場(chǎng)作為在線式全流量鐵譜儀的核心部件，其磁場(chǎng)的分布決定著儀器在實(shí)際工作中能否有效吸附鐵磁顆粒，從而能否準(zhǔn)確對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能作出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，真實(shí)意義上的解析公式的缺失阻礙了環(huán)形靜磁場(chǎng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)中使用和推廣。

本文以在線式全流量可視鐵譜儀為背景，引入廣義二項(xiàng)式定理對(duì)靜磁場(chǎng)的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)同心雙環(huán)嵌套磁體的磁場(chǎng)分布進(jìn)行解析計(jì)算，通過(guò)對(duì)比磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論值和實(shí)際測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)解析表達(dá)式很好地反映了靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，將所設(shè)計(jì)的靜磁場(chǎng)應(yīng)用到某新型渦噴航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)中，對(duì)監(jiān)測(cè)到的磨粒進(jìn)行了分析。

1 靜磁場(chǎng)磁路設(shè)計(jì)

磁體采用牌號(hào)為N35燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，其性能參數(shù)，剩磁Br=1.170～1.220 T，矯頑力HCB≥868 kA/m，內(nèi)稟矯頑力HCJ≥955 kA/m，磁能積BHmax=263～287 kJ/m3。采用軸向充磁、雙環(huán)異極嵌套安裝的方式，兩環(huán)間隙用不導(dǎo)磁材料做成的圓環(huán)作為襯套。

由矢量疊加原理，該磁體在空間任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可由內(nèi)圓環(huán)在該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與外圓環(huán)在同一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行矢量疊加。因此，可先計(jì)算任一圓環(huán)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，然后再進(jìn)行矢量疊加。同心雙環(huán)嵌套磁體的長(zhǎng)度為a，內(nèi)徑為d′，外徑為D′，取z軸為磁體的對(duì)稱軸，磁體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系Oxyz，如圖1所示。

根據(jù)磁荷模型[13]與高斯定律[14]，設(shè)φm為磁標(biāo)量勢(shì)；ρm為磁荷分布密度；μ0為真空磁導(dǎo)率，得：

(1)

令原點(diǎn)磁標(biāo)量勢(shì)φm(0,0,0)=0；d為點(diǎn)P到原點(diǎn)的距離；φm(x0,y0,z0)為點(diǎn)P的磁標(biāo)量勢(shì)，則由式(1)得出點(diǎn)P(x0,y0,z0)的標(biāo)量磁位F(x0,y0,z0)為

(a)裝配實(shí)物圖(b)示意圖

圖1 同心雙環(huán)嵌套磁體

F(x0,y0,z0)=φm(x0,y0,z0)-φm(0,0,0)=

(2)

(3)

(4)

積分區(qū)域?yàn)榉忾]的磁體表面S。采用圓柱坐標(biāo)系，令x=rcosφ,y=rsinφ,z=±a/2，并把場(chǎng)點(diǎn)取在φ=0的平面上，即x0=r0,y0=0,z0=z0，則式(4)可用圓柱坐標(biāo)系表示。對(duì)于強(qiáng)各向異性場(chǎng)的燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的磁體，退磁場(chǎng)徑向分量Hmr的作用可以忽略，磁化強(qiáng)度M可認(rèn)為始終是平行于軸線且均勻分布的。因此，用圓柱坐標(biāo)系表示的式(4)可用來(lái)描述磁場(chǎng)分布。但是，如果需要計(jì)算空間確定點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通常需要采用復(fù)雜的有限元分析，而本文在求解過(guò)程中利用廣義二項(xiàng)式定理[15]，將不可積因子轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞e因子，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算。

根據(jù)矢量疊加原理，同心雙環(huán)嵌套磁場(chǎng)所產(chǎn)生的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度Htmr(r0,z0)與軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度Htmz(r0,z0)分別為內(nèi)外環(huán)形磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度Himr(r0,z0)、Homr(r0,z0)與軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度Himz(r0,z0)、Homz(r0,z0)的疊加，即：

(5)

2 計(jì)算結(jié)果分析

為了驗(yàn)證建立的靜磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度解析表達(dá)式的正確性，使用Matlab[16]并利用3維高精度數(shù)字式特斯拉計(jì)對(duì)三種磁體沿徑向和軸向的磁場(chǎng)分量進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)對(duì)比理論值、測(cè)量值并結(jié)合場(chǎng)強(qiáng)分布圖，對(duì)解析表達(dá)式進(jìn)行分析。

同心雙環(huán)嵌套磁體尺寸規(guī)格為：里圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑分別為18 mm和24 mm，外圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑分別為36 mm和58 mm，軸向厚度7.5 mm。利用同心雙環(huán)嵌套磁體的解析表達(dá)式計(jì)算距離永磁環(huán)上(或下)表面一定距離處的磁場(chǎng)分布，選取高度為2 mm進(jìn)行計(jì)算。相應(yīng)地，在此高度上用三維特斯拉計(jì)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試。徑向和軸向磁場(chǎng)分量的測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 同心雙環(huán)嵌套磁體磁感分布

圖2中：曲線1表示磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度理論值；曲線2表示磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值；曲線3表示磁體的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值；曲線4表示磁體的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度理論值；曲線5表示磁體的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度理論值；曲線6表示磁體的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值。由圖2可知，在原點(diǎn)處軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，然后逐漸減弱，在內(nèi)圓環(huán)外邊緣處減少到最小，即約21 mm處，而徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度則由于嵌套的原因在17 mm處由0變至最大，而后逐漸減小，在24 mm處達(dá)到最小。

3 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

將所設(shè)計(jì)的磁體放入在線式可視鐵譜儀的鐵磁磨粒收集器中,并把在線式可視鐵譜儀放置在圖3所示的試驗(yàn)系統(tǒng)中。由圖3可知，潤(rùn)滑油從油箱中被泵出后進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)，然后再進(jìn)入在線式全流量可視鐵譜儀的鐵磁磨粒收集器。在鐵磁磨粒收集器中有觀測(cè)區(qū)，環(huán)形嵌套磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)覆蓋該區(qū)域，當(dāng)一次監(jiān)測(cè)完成時(shí), 在線式全流量可視鐵譜儀的收集器清洗機(jī)構(gòu)開始工作，清除觀測(cè)區(qū)沉積的鐵磁磨粒，以待下一次監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)時(shí),采用長(zhǎng)城4010號(hào)合成航空潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油流速1.376 m/s，被監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為某新型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為16 h為一時(shí)間段。采用南京航空航天大學(xué)航空安全與保障技術(shù)研究所研制的改進(jìn)型DMAS II對(duì)第5時(shí)間段采集的圖像進(jìn)行分析,分析結(jié)果如表1所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在第5時(shí)間段中共收集到22顆磨粒,絕大多數(shù)磨粒尺寸小于10～15 μm，屬于正常磨損。雖然有嚴(yán)重滑動(dòng)產(chǎn)生的磨粒和切削磨粒，但是數(shù)量很少,這說(shuō)明該航空發(fā)動(dòng)機(jī)處于磨合期，產(chǎn)生少量的此類磨粒是正常的,而且這與該新型發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況是相符合的。

圖3 油液在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

表1 磨粒統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究主要有以下結(jié)論：對(duì)新型的在線式可視鐵譜儀的靜磁場(chǎng)磁路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，該靜磁場(chǎng)能夠在高流速下吸附鐵磁性磨粒。采用廣義二項(xiàng)式定理對(duì)靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了解析計(jì)算。仿真結(jié)果表明，解析表達(dá)式具有較高的計(jì)算精度。進(jìn)行了某新型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)研究，監(jiān)測(cè)結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況相符合。

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Design and Application of Magnetic Field of a New Online Ferrograph

HUANGWen-jie1,ZUOHong-fu2
(1．Transportation College，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China; 2．Civil Aviation College，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the background of a new online full flow visual ferrograph, a magnetic circuit of the static magnetic field is designed, it is axial magnetized, dual-rings nested assembly with different poles, and is filled with non-magnetic materials as the bush between the rings. Starting with the magnetic charge model, combining with the scalar magnetic potential method and using the generalized binomial theorem, the magnetic inductions of the concentric nested dual-rings are respectively analytically calculated. Comparing the theoretical value of magnetic induction with the actual measured value shows that the analytical expression well reflects the rules of magnetic induction in the static magnetic field. On this basis, the designed static magnetic field is used to monitor the performance of a new turbojet aero-engine, and then the collected debris is analyzed. The analytical result indirectly verifies that the static magnetic field can effectively adsorb ferromagnetic particles under the condition of the high volume of lubricant oil flow.

online full flow ferrograph; static magnetic field; magnetic circuit design; analytical calculation; monitoring performance

2014-04-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60939003)

黃文杰(1977-)，男，江蘇淮安人，講師，主要從事設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究。Tel.:0517-83559165；E-mail:huangwj@hyit.edu.cn

V 263.6

A

1006-7167(2015)02-0054-03