油液磨粒傳感器綜合測試平臺的設(shè)計研究

王文瑾，馬 靜

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111)

磨損是摩擦副機械零件的高發(fā)失效形式之一，研究結(jié)果[1]表明：因齒輪、軸承異常磨損造成的航空發(fā)動機提前換發(fā)在全部故障中占比超過60%?；椭心p顆粒的特征參數(shù)中包含磨損程度、發(fā)生部位等運行狀態(tài)信息，對此進(jìn)行分析可做出設(shè)備的故障風(fēng)險預(yù)警，因此復(fù)雜機械系統(tǒng)的油液在線監(jiān)測和相應(yīng)磨粒傳感器技術(shù)引起了廣泛關(guān)注[2]。

目前正在研究和開發(fā)的在線磨粒監(jiān)測傳感器主要類型包括[3-4]：電磁型、導(dǎo)電型、電容型、光電型、超聲波型等。受靈敏度、精度、速度和環(huán)境適應(yīng)性等諸多技術(shù)局限，多數(shù)傳感器還處于研究階段，真正能投入現(xiàn)場使用的工業(yè)化產(chǎn)品很少。比較而言，以電磁感應(yīng)變化測量為基礎(chǔ)的磨粒傳感器結(jié)構(gòu)簡潔、響應(yīng)速度快、靈敏度高，具有較大的應(yīng)用潛力。在該類磨粒傳感器產(chǎn)品中，技術(shù)先進(jìn)成熟、應(yīng)用廣泛的典型產(chǎn)品有加拿大GasTOPS公司開發(fā)的MetalSCAN系列金屬顆粒傳感器、美國MACOM Technologies公司的 TechAlertTM10和英國Kittiwake公司的FG型在線磨粒傳感器[5]，其中MetalSCAN傳感器已成功應(yīng)用于美軍飛機。相比之下，國內(nèi)磨粒傳感器無論在性能還是應(yīng)用水平上都還存在較大差距。

測試技術(shù)是改善與提高傳感器性能水平的基礎(chǔ)，資料進(jìn)一步顯示[6]，目前國內(nèi)主要采用油液顆粒試驗臺和干式無油試驗裝置兩種測試手段，并無統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。油液試驗臺通過手動或自動方式在循環(huán)油路中加入制備的顆粒物并使其隨油液流動進(jìn)入被試傳感器進(jìn)行測試。雖然油液試驗臺的工況與實際應(yīng)用較為接近，但試驗臺操作維護(hù)較為復(fù)雜，且環(huán)境因素和二相流特性變化會給測試統(tǒng)計結(jié)果帶來不利影響。干式試驗一般采用柔性線帶作為顆粒載體，即將制備的顆粒物固定在線帶上，拖拽線帶使其在被試傳感器流道內(nèi)運動。盡管通油對比試驗顯示介質(zhì)對磨感電勢的測量并無影響，但拖拽運動較難精確控制，因此難以保證測試結(jié)果的一致性，應(yīng)用也因此受到限制。為了深入研究磨粒傳感器的諸如速度-粒度關(guān)系、顆?；殳B、振動耦合等多因素效應(yīng)和相應(yīng)弱信號提取、虛警抑制等技術(shù)，需要探索新的測試途徑和研究開發(fā)相應(yīng)的試驗設(shè)備。

1 測試平臺的構(gòu)成和要求

1.1 需求分析

文獻(xiàn)[7]給出了某航空發(fā)動機滑油監(jiān)測的一般需求：檢出的顆粒粒度在250～900 μm，顆粒最大長徑比為1∶7，檢出量總數(shù)為105量級，油液流量為0.5～50 L/min，溫度范圍為-55～190 ℃，短時可達(dá)240 ℃；環(huán)境振動為0.01g～2.5g。

待測磨粒傳感器是一類航空發(fā)動機金屬磨粒在線監(jiān)測用的三線圈結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)型傳感器，具有顆粒統(tǒng)計分析、磨損預(yù)測和壽命預(yù)警功能。傳感器流道管徑為20 mm，流道結(jié)構(gòu)長度不大于200 mm，要求鐵磁性材質(zhì)顆粒物當(dāng)量直徑的檢出能力優(yōu)于155 μm，非鐵磁性顆粒物優(yōu)于650 μm，工作溫度為-55～+200 ℃，最大壓力為0.5 MPa。

磨粒傳感器的性能參數(shù)測試要求制備顆粒物組合受控在振動環(huán)境下的待測傳感器探測區(qū)域運動，觸發(fā)待測傳感器的探測機制，顆粒物的高速運動需要精確控制并與傳感器所處的模擬環(huán)境振動相融合。

1.2 構(gòu)成原理

測試平臺的系統(tǒng)架構(gòu)主要由電磁振動臺系統(tǒng)、直線運動平臺及相應(yīng)的測控柜和功放柜等組成，如圖1所示。待測磨粒傳感器和卡具固定在振動臺上，隨工作臺面做垂直方向的環(huán)境模擬振動；標(biāo)準(zhǔn)顆粒物組合分布固定在探測桿內(nèi)，探測桿由直線機構(gòu)驅(qū)動沿水平方向運動穿過待測傳感器液池的探測區(qū)間；探測桿被結(jié)構(gòu)支撐，使其運動中保持與待測傳感器的位姿關(guān)系且能避免機構(gòu)間的運動干涉，從而實現(xiàn)模擬流體中顆粒物運動。

圖1 測試平臺系統(tǒng)組成架構(gòu)

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

(1) 直線運動。

參照需求，直線運動勻速段可控速度范圍設(shè)定為0.5～5 m/s，并盡可能擴展速率上限以滿足潛在的測試需要，勻速段速率控制精度優(yōu)于1%，探測區(qū)位置的勻速段行程不小于200 mm，加速度能力不小于40 m/s2，運動行程的直線度優(yōu)于0.2 mm。

直線運動控制包括點位、梯形速率軌跡、往復(fù)速率軌跡模式，運動速度可連續(xù)調(diào)整，并具有自動回位、起點選擇和運動軌跡參數(shù)設(shè)置功能。

平臺機構(gòu)的組合尺寸須最小化以適應(yīng)場地和安全要求，機構(gòu)的位姿可調(diào)整并能防止探測桿、振動臺、傳感器負(fù)載間出現(xiàn)運動干涉損傷。

(2) 振動模擬。

參照實際環(huán)境振動譜要求和產(chǎn)品型譜，振動臺的最大振動加速度設(shè)定為不小于10g，頻率范圍為2～3000 Hz，振動臺最大隨機推力不小于300 kgf，承載能力不低于100 kg，振動參數(shù)可遠(yuǎn)程設(shè)置，具有遠(yuǎn)程啟動/停止控制功能。

2 測試平臺的要素分析與實現(xiàn)

2.1 直線運動控制

基于整體結(jié)構(gòu)尺寸和高速、高動態(tài)運動控制的要求，測試平臺的直線運動采用高速滑動導(dǎo)向、直線電機驅(qū)動、光柵尺位移測量、數(shù)字式位置閉環(huán)伺服控制方式。直線電機與定向?qū)к壗?jīng)組合安裝在石基底座上，雙層結(jié)構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)實現(xiàn)底座的全方位姿態(tài)調(diào)整。4個電感式接近傳感器提供機械零位和限位標(biāo)記，柔性導(dǎo)線及拖鏈適應(yīng)高動態(tài)需要。

導(dǎo)向機構(gòu)選用igus公司的模塊化滑動導(dǎo)軌，最高理論速度為15 m/s，最大加速度能力為600 m/s2；兩根平行導(dǎo)軌各配兩個滑塊組成定向滑板機構(gòu)，滑板上固定電機動子、光柵和探測桿接頭部件。設(shè)計校驗結(jié)果表明：5 kg負(fù)載下，滑板機構(gòu)以180 m/s2加速度的運行情況良好，長期運行速度為5 m/s，質(zhì)心變化量不大于0.2 mm。

直線電機選用ACCEL公司無鐵芯分裝結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品，峰值推力為1300 N，連續(xù)推力為325 N；三段定子拼接組合后總長度為1260 mm，動子板長度為199 mm，質(zhì)量為2.2 kg，標(biāo)稱反電勢系數(shù)為26 V/m/s，推力系數(shù)為78 N/A。

電機驅(qū)動器選用CopleyControl公司的數(shù)字式伺服驅(qū)動器，峰值輸出電流36 A，最大供電電壓240 V/3相，內(nèi)部數(shù)字伺服算法，最大3 kHz位置更新頻率。

光柵尺選用REINISHAW公司RGS20-S系列反射式增量編碼光柵尺和數(shù)字讀數(shù)頭，標(biāo)稱線性精度為±3 μm/m，測量分辨率為5 μm，最高理論測量速度為12 m/s。

運動伺服采用速率前饋復(fù)合控制方式。伺服驅(qū)動器對接入的光柵位置增量脈沖進(jìn)行編碼并解算形成數(shù)字反饋參量，實現(xiàn)位置伺服三閉環(huán)反饋控制。運動行程是決定測試平臺整體空間尺寸和最大速度實現(xiàn)的重要參數(shù)。導(dǎo)軌全行程長度應(yīng)滿足：Lg≥Ls+Lb，其中：Ls為機構(gòu)動子板運動行程；Lb為動子板在運動方向的長度，這里是200 mm。梯形速率軌跡運動行程計算公式為

(1)

式中，Vcm為勻速段速度(m/s)；A為運動過程的控制加/減速度(m/s2)。圖2顯示了勻速段速度分別為5 m/s、7 m/s和10 m/s時加速度與運動行程的關(guān)系。

圖2 行程與加速度關(guān)系

經(jīng)計算：在5 m/s和10 m/s勻速段，當(dāng)加速度為42 m/s2和180 m/s2時的運動行程加上動子板長度小于1 m，可滿足導(dǎo)軌全行程范圍要求。同時計算得到180 m/s2加速度時的動子板機構(gòu)需要的電機峰值驅(qū)動推力為1046 N，所選電機可以滿足要求。

測試平臺的主控計算機配置串、并行和網(wǎng)絡(luò)接口與伺服驅(qū)動器、振動控制儀通信連接?？刂朴嬎銠C軟件利用Microsoft VC6.0平臺開發(fā)，交互式軟件控制界面提供對直線運動單元的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示和所有操作管理?；贑opley Motion Objects(CMO)軟件實現(xiàn)運動控制功能的開發(fā)。

2.2 振動環(huán)境模擬

根據(jù)要求，選擇隨機推力為300 kgf的振動臺系統(tǒng)。其主要參數(shù)為：頻率范圍2～4000 Hz，最大速度2 m/s，位移范圍25.4 mm，動圈質(zhì)量3 kg，最大載荷120 kg，傳感器卡具及載物桿支撐與臺面配套定制。8通道振控儀具有135 dB動態(tài)范圍，80 kHz分析帶寬，采用2個ICP加速度計實現(xiàn)振動測量和控制。圖3給出了振動試驗的振動譜要求，兩個窄帶隨機振動譜的基頻分別為f01=17.4 Hz和f02=57 Hz。

圖3 振動環(huán)境要求

經(jīng)分析計算，振動臺總載荷為10 kg，與隨機振動總均方根加速度相對應(yīng)的隨機推力分別為87.4 kgf和107.2 kgf，按式(2)估算的隨機振動最大位移分別為15.9 mm和2.68 mm，能夠滿足要求并為探測桿接頭設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。

(2)

式中，f0為下限頻率(Hz)；W0為下限頻率處的PSD(g2/Hz)。

2.3 粒物和探測桿組裝結(jié)構(gòu)

探測桿選擇低摩擦自潤滑材的桿料Iglidur J加工制作，兩根拼接至長度1960 mm，直徑通過成形磨工藝加工至φ9.4-0.1mm。材料的使用溫度為-55～+90 ℃，彈性模量為2400 MPa，抗拉/壓強度為73/60 MPa，體電阻為1013Ω/cm3,密度為1.49 g/cm3，輕載荷下磨損速率優(yōu)于0.5 μm/km，材料表面直線速度限制為8 m/s。探測桿具有足夠的強度和剛度，可以避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，三維建模和實踐還表明，探測桿的柔性關(guān)節(jié)接頭結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)水平直線運動和垂直振動耦合關(guān)系的需要，有效防止運動干涉。探測桿測試端按兩個正交方向50 mm間隔交錯分布加工各8個M2×7 mm螺孔，雙方向共16個間距25 mm的螺孔可按測試需要利用護(hù)套將金屬顆粒固定在桿內(nèi)不同位置，如圖4所示。

3 測試平臺性能試驗

為了驗證測試平臺的設(shè)計效果和評價性能，現(xiàn)場條件下對測試平臺的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測試，測試項目包括：速率范圍、勻速段速率精度、勻速段行程、運動直線度、回零(回位)精度，測試結(jié)果如表1～表4所示。

圖4 探測桿連接結(jié)構(gòu)

表1 速率控制性能測試結(jié)果

表2 加速能力測試結(jié)果

表3 回位重復(fù)性精度測試結(jié)果

表4 運動直線性測試結(jié)果

4 傳感器測試驗證

為了模擬發(fā)動機滑油中顆粒存在的狀態(tài)，試驗中采用了單顆粒通過傳感器和組合顆粒通過傳感器的多種測試方案。試驗前，對探測桿進(jìn)行了徹底的清理，經(jīng)過反復(fù)清理、測量，確保測試前的探測桿中不含有金屬碎屑?xì)埩?，以免影響試驗的正確性。

4.1 單顆粒測試

在探測桿的螺孔內(nèi)分別安裝不同尺寸、不同性質(zhì)的金屬顆粒，以固定的速度運動，驗證磨粒傳感器是否能準(zhǔn)確測量出穿過傳感器敏感區(qū)的動態(tài)金屬顆粒的尺寸和性質(zhì)。試驗中分別使用350 μm鐵磁性、500 μm鐵磁性、800 μm鐵磁性、800 μm非鐵磁性、900 μm非鐵磁性顆粒進(jìn)行測試，測試結(jié)果為磨粒傳感器檢出率為90%以上。

4.2 單顆粒速度特性測試

傳感器輸出的波形如圖5所示，波形的周期、頻率、幅值與顆粒尺寸、運動速度成比例對應(yīng)關(guān)系。

圖5 傳感器輸出的波形

單顆粒運動速度與傳感器微弱信號提取速度具有很大的關(guān)系，與傳感器微處理器采樣速率的關(guān)系如式(3)～式(5)所示。

(3)

(4)

f采>20f

(5)

式中，T為產(chǎn)生波形的周期；k為周期與運動速度的對應(yīng)系數(shù)；d為傳感器中激勵線圈的距離；v為顆粒運動速度；f為產(chǎn)生波形的頻率；f采為A/D采樣頻率。

測試表明：采樣速率由硬件A/D采樣率決定，能夠識別的流速范圍是固定的，如果提高A/D采樣率，可以提高檢測的流速范圍，但需要改變微處理單元處理速率，在整體設(shè)計中，傳感器的功率會增加，產(chǎn)品能耗提高、可靠性下降。所以從工程實現(xiàn)的綜合能力分析，明確傳感器實際需求是設(shè)計傳感器的功能參數(shù)的關(guān)鍵要素。

4.3 多顆粒測試

多種顆粒測試組合測試是此次試驗的重要測試，試驗中，將顆粒分別放置在探測桿的螺孔內(nèi)，分別在a1=25 mm和b1=50 mm間進(jìn)行了測試，測試時顯示的曲線如圖6所示。當(dāng)金屬顆粒相距不足a1時，相鄰的金屬顆粒的信號會發(fā)生交叉，信號的重疊降低了金屬顆粒的檢出率。當(dāng)相鄰的金屬顆粒相距超過a1時，相鄰的金屬顆粒的信號不會發(fā)生重疊，傳感器能夠識別出兩個金屬顆粒。

圖6 多金屬顆粒測試曲線

4.4 振動環(huán)境復(fù)合測試

振動環(huán)境下考核傳感器工作狀態(tài)對所要求的振動譜的敏感性，綜合考慮因素包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否牢靠、傳感器內(nèi)的組件是否有敏感因素。在振動環(huán)境復(fù)合測試中，未發(fā)生測試平臺和傳感器工作異常情況，達(dá)到測試目的。

5 討論

測試平臺開發(fā)過程中嘗試了5 m/s以上速率試驗后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有直線電機實際反電動勢系數(shù)高于標(biāo)稱值若干倍，在高速運動中電機過高的端電壓限制了驅(qū)動器的功率輸出，使直線機構(gòu)的最高運動速度限制在5.2 m/s以內(nèi)，這是下一步工作中需要注意和改進(jìn)的問題。

多類型粒徑組合的識別目前嘗試了5種組合，速率由0.1～5 m/s變化。試驗發(fā)現(xiàn)高速率測試下粒徑檢出率低于低速率測試的粒徑檢出率，同時對于低速率的多類型粒徑組合識別率也是今后工作中重點關(guān)注的問題。

6 結(jié)束語

機械系統(tǒng)滑油磨粒包含了機器是否正常運行、異常工作及失效風(fēng)險的大量信息，通過磨粒在線監(jiān)測和分析可以對設(shè)備的運行狀態(tài)、壽命及潛在的故障風(fēng)險做出評估和預(yù)測，對提高設(shè)備可靠性和節(jié)約運行成本有重要意義。近年來各國各行業(yè)都對油液的在線監(jiān)測和相應(yīng)的磨粒傳感器技術(shù)十分重視，一些產(chǎn)品相繼投入使用，新原理新技術(shù)不斷出現(xiàn)。大量研究和實踐發(fā)現(xiàn)，為了提升磨粒傳感器檢測能力和探究細(xì)微技術(shù)環(huán)節(jié)的影響，深入研究和開發(fā)高性能傳感器將十分依賴高質(zhì)量的測試和試驗設(shè)備。目前國內(nèi)在磨粒探測相應(yīng)的測試技術(shù)方面與先進(jìn)技術(shù)相比尚有不小差距，還沒有形成相對統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)，因此迫切需要加強磨粒傳感器的測試技術(shù)研究。針對一類先進(jìn)航空發(fā)動機項目用的磨粒傳感器開發(fā)需求，本文提出了一種綜合了環(huán)境振動的干式無油測試平臺方案并得到實現(xiàn)，通過直線電機、精密導(dǎo)軌、光柵反饋和數(shù)字控制技術(shù)的具體應(yīng)用，獲得了較高的控制精度和動態(tài)特性；利用多自由度關(guān)節(jié)連接和柔性非金屬桿狀構(gòu)件作為標(biāo)準(zhǔn)顆粒物組的運動載體和特殊設(shè)計的支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可防止測試中兩向運動的干涉，并為不同測試目標(biāo)提供了靈活選擇。實驗結(jié)果表明：測試平臺的結(jié)構(gòu)和控制性能達(dá)到設(shè)計要求，能夠有效地為磨粒傳感器研究開發(fā)提供一種新的測試手段。