基于ANSYS的在線屑末傳感器特性研究

馬 靜， 劉德峰， 王立清

(1.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111)

油液中金屬屑末的數(shù)量、尺寸、類(lèi)型等參數(shù)能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)上潤(rùn)滑部件的磨損情況，對(duì)潤(rùn)滑部件進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和壽命預(yù)估，為發(fā)動(dòng)機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

目前針對(duì)滑油中金屬屑末的監(jiān)測(cè)主要有兩類(lèi)方法：一種是離線取樣；另一種是在線監(jiān)測(cè)。離線取樣由于需要先取樣再分析，不僅費(fèi)力費(fèi)時(shí)、成本高、樣本易受污染，而且測(cè)定結(jié)果具有滯后性，取樣不能全面反映故障情況甚至還會(huì)造成故障信息丟失[1]。在線監(jiān)測(cè)又分為全流量和旁路監(jiān)測(cè)，旁路監(jiān)測(cè)由于取樣量的限制無(wú)法全面地反映系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)；在線式的全流量滑油在線屑末傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)油液中金屬屑末的變化，全面準(zhǔn)確地表征系統(tǒng)的磨損情況。

滑油在線屑末傳感器主要由測(cè)試線圈和激勵(lì)線圈共同組成。測(cè)試線圈位于兩個(gè)激勵(lì)線圈的中央，激勵(lì)線圈反向串聯(lián)，交流電驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生方向相反、大小相同的磁場(chǎng)。測(cè)試線圈所處位置的內(nèi)部磁場(chǎng)相互抵消，即接近于零磁場(chǎng)。金屬屑末在傳感器中流過(guò)時(shí)，這種平衡被打破，引起磁場(chǎng)變化，測(cè)試線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。全流量滑油在線屑末傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

本文基于空心圓柱線圈電磁感應(yīng)原理，推導(dǎo)鐵磁性、非鐵磁性金屬屑末的檢測(cè)機(jī)理。并利用ANSYS軟件建立滑油在線屑末傳感器中有金屬屑末通過(guò)的仿真模型，對(duì)金屬屑末引起的磁場(chǎng)變化進(jìn)行仿真分析。

圖1 全流量滑油在線屑末傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

1 理論模型

圖2 單個(gè)空心圓柱線圈

當(dāng)線圈中不存在金屬屑末時(shí)，只考慮磁場(chǎng)軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B(z):

(1)

式中，a1為線圈內(nèi)徑；a2為線圈外徑；2b為線圈的寬度；H為線圈下邊緣與金屬屑末中心距；ra為金屬屑末的半徑;μ0為真空磁導(dǎo)率；J為電流密度；z為軸線上一點(diǎn)與線圈中心的距離。

鐵磁性金屬屑末的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，故當(dāng)有鐵磁性金屬屑末通過(guò)傳感器時(shí)，鐵磁性金屬材料能夠把絕大數(shù)磁力線約束在自身內(nèi)，而使通過(guò)測(cè)試線圈的磁通量增加，因此鐵磁性金屬屑末是通過(guò)磁通量的變化引起測(cè)試線圈的感應(yīng)電壓，在忽略傳感器中的渦流損耗、磨粒損耗和耦合電容等的影響時(shí)[1]，可得鐵磁性金屬屑末引起的感應(yīng)電壓E0：

(2)

式中，N0為測(cè)試線圈匝數(shù)；μr為金屬屑末相對(duì)磁導(dǎo)率；ω為交流激勵(lì)角速度；B0為金屬屑末所在位置無(wú)金屬屑末時(shí)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

非鐵磁性金屬屑末的相對(duì)磁導(dǎo)率接近1，當(dāng)它放置在交變磁場(chǎng)中時(shí)，金屬屑末中的感應(yīng)渦流產(chǎn)生一個(gè)反作用磁場(chǎng)，阻礙原磁場(chǎng)的變化，磁通密度的減小導(dǎo)致激勵(lì)線圈的電感和感抗的降低，其下降的幅度取決于非鐵磁性金屬顆粒的電導(dǎo)率、激勵(lì)頻率及金屬屑末與激勵(lì)線圈的距離[3]。應(yīng)用文獻(xiàn)[4]的理論，可得非金屬屑末中的渦流在激勵(lì)線圈兩端產(chǎn)生的阻抗變化：

(3)

可得非鐵磁性金屬屑末引起的感應(yīng)電壓E0：

資源保障方面。主要有四類(lèi)指標(biāo)，一是基礎(chǔ)指標(biāo)，該指標(biāo)指包含外文期刊總量、紙刊量、電刊量、凈刊量和OA刊量的數(shù)量指標(biāo)，涉及出版社、集成商和數(shù)據(jù)庫(kù)的來(lái)源指標(biāo)以及提要索引類(lèi)的類(lèi)型指標(biāo)；二是核心指標(biāo)，主要包括學(xué)校一級(jí)學(xué)科與二級(jí)學(xué)科外文期刊總保障率以及學(xué)校核心期刊與學(xué)院核心期刊保障率；三是拓展指標(biāo)，包含ESI、JCR、SNIP、SJR總保障率、分學(xué)科保障率和高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文引文保障率；四是包含區(qū)域、行業(yè)以及學(xué)科領(lǐng)域的合作指標(biāo)。

(4)

式中，L0為激勵(lì)線圈自感。

由于Zsc<

(5)

2 仿真分析

為了驗(yàn)證金屬屑末通過(guò)傳感器引起的測(cè)試線圈感應(yīng)電壓的變化趨勢(shì)，利用ANSYS Electric軟件建立模型，由于傳感器的結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，為了降低計(jì)算的復(fù)雜度，采用二維軸對(duì)稱(chēng)建模方法進(jìn)行建模如圖3所示[5]。

圖3 傳感器有限元模型

考慮到全流量設(shè)計(jì)，傳感器線圈的內(nèi)徑為16 mm，激勵(lì)線圈為42匝，測(cè)試線圈為51匝，兩個(gè)激勵(lì)線圈相距16 mm，激勵(lì)信號(hào)頻率為19 kHz，金屬屑末用標(biāo)準(zhǔn)球體等效，金屬屑末的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠豘軸做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

2.1 鐵磁性金屬屑末分析

令金屬屑末的材料為鐵，激勵(lì)線圈電流為0.25 A，當(dāng)金屬屑末為鐵磁性金屬材料時(shí)在仿真中不考慮渦流效應(yīng)，不同大小的鐵磁性金屬屑末的感應(yīng)電壓變化曲線如圖4所示。傳感器的中心位置為金屬屑末的零點(diǎn)，金屬屑末從-20～20 mm沿Z軸做直線運(yùn)動(dòng)。

圖4 ra=200～500 μm的鐵磁性屑末感應(yīng)電壓變化曲線

由圖4可知鐵磁性金屬屑末在Z軸正半軸和負(fù)半軸產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小相等，方向相反。金屬屑末引起的感應(yīng)電壓隨著金屬屑末與測(cè)試線圈的距離變小而變大，當(dāng)感應(yīng)電壓絕對(duì)值達(dá)到最大值后隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的變小而變小，最終在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的位置達(dá)到零點(diǎn)。不同金屬屑末在通過(guò)傳感器時(shí)引起的感應(yīng)電壓峰值如表1所示。

表1 鐵磁性金屬屑末感應(yīng)電壓峰值

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可得：

(6)

2.2 非鐵磁性金屬屑末分析

令金屬屑末的材料為鋁，激勵(lì)線圈電流為0.25 A，當(dāng)金屬屑末為非鐵磁性金屬材料時(shí)再仿真采用渦流效應(yīng)，不同大小的非鐵磁性金屬屑末的感應(yīng)電壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可知非鐵磁性金屬屑末在Z軸正半軸和負(fù)半軸產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小相等，方向相反。金屬屑末引起的感應(yīng)電壓峰值如表2所示。

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可得鋁屑末引起的感應(yīng)電壓的最大值Emax和屑末半徑ra之間的關(guān)系：

(7)

圖5 ra=300～600 μm的非鐵磁性屑末感應(yīng)電壓變化曲線

金屬屑末半徑ra/μm感應(yīng)電壓峰值Vp/μV金屬屑末半徑ra/μm感應(yīng)電壓峰值Vp/μV30013.37635026.78440047.65845079.899500126.496550190.515600266.421

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

金屬屑末監(jiān)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)由滑油在線屑末傳感器、連接電纜和數(shù)據(jù)處理單元組成如圖6所示。將固定有標(biāo)準(zhǔn)金屬顆粒的塑封棒沿傳感器油液流動(dòng)的方向穿過(guò)[6]，每種顆粒測(cè)試20次，記錄金屬屑末引起的感應(yīng)電壓值，計(jì)算平均值作為數(shù)據(jù)擬合的輸入。

圖6 滑油在線屑末監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器的輸出信號(hào)，當(dāng)鐵磁性金屬屑末通過(guò)時(shí)傳感器輸出如圖7所示。

鐵磁性金屬屑末選取經(jīng)過(guò)計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)球體，標(biāo)準(zhǔn)顆粒尺寸為254 μm、305 μm 、360 μm、505 μm、762 μm試驗(yàn)，非鐵磁性金屬顆粒選取標(biāo)準(zhǔn)顆粒尺寸為508 μm、706 μm 、904 μm試驗(yàn)，通過(guò)曲線擬合得到鐵磁性金屬屑末特性方程為

(8)

非鐵磁性金屬屑末特性方程為

圖7 鐵磁性金屬顆粒信號(hào)

(9)

式中,K1、K2為與驗(yàn)證系統(tǒng)相關(guān)的常數(shù)

當(dāng)有多個(gè)屑末同時(shí)經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)是多個(gè)金屬屑末感應(yīng)電壓的疊加。當(dāng)兩個(gè)屑末距離縮小至首尾相接時(shí)，通過(guò)波形不能分辨出2個(gè)屑末，但是產(chǎn)生的幅值顯著增大[7]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，當(dāng)兩個(gè)金屬屑末的距離為2倍的激勵(lì)線圈的距離時(shí)，疊加的感應(yīng)信號(hào)能夠區(qū)分。感應(yīng)電壓的大小與金屬屑末的形狀、尺寸、通過(guò)傳感器時(shí)的形態(tài)等因素相關(guān)。

相同尺寸與形狀的兩個(gè)不同類(lèi)型屑末(一個(gè)鐵磁性，一個(gè)是非鐵磁性)同時(shí)經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，鐵磁性金屬屑末引起的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)大于非鐵磁性金屬屑末的感應(yīng)電壓，傳感器的輸出為鐵磁性金屬屑末。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鐵磁性金屬屑末和非鐵磁性金屬屑末通過(guò)全流量滑油在線屑末傳感器時(shí)引起的測(cè)試線圈感應(yīng)電壓進(jìn)行理論推導(dǎo)和計(jì)算，并借助ANSYS Electric軟件建立二維有限元仿真分析模型。通過(guò)求解有限元方程可知鐵磁性金屬屑末和非鐵磁性金屬屑末的相位相反。金屬屑末引起的感應(yīng)電壓與金屬屑末半徑的冪成正比，鐵磁性金屬屑末引起的感應(yīng)電壓的峰值與它的半徑成三次方關(guān)系，非鐵磁性金屬屑末引起的感應(yīng)電壓的峰值與它的半徑及電導(dǎo)率相關(guān)。

通過(guò)以上研究獲取傳感器感應(yīng)特性，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金屬顆粒與測(cè)試線圈感應(yīng)電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立傳感器標(biāo)定曲線，為傳感器的標(biāo)定建立了理論依據(jù)。