納米晶體磁環(huán)對磨粒傳感器靈敏度的影響

鄭長松， 王旭， 于亮， 魏成思， 侯銳， 杜金波

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司,北京 100072；3.陸軍裝備部駐北京地區(qū)某軍事代表室,北京 100072)

磨損是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的固有現(xiàn)象，機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件的過度磨損可能會導(dǎo)致機(jī)械發(fā)生意外故障，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致重大事故的發(fā)生[1].因此，對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估可以有效降低機(jī)械發(fā)生意外故障的風(fēng)險，還可以避免因維修不足帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失[2].隨著機(jī)械設(shè)備復(fù)雜程度的日益增高，磨損監(jiān)測技術(shù)已逐步成為評估機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要手段.目前，常規(guī)的磨損監(jiān)測技術(shù)主要包括離線式監(jiān)測技術(shù)和在線式監(jiān)測技術(shù)兩種.其中，離線式磨損監(jiān)測技術(shù)因其具有較高的靈敏度仍被廣泛采用[3].然而，此類設(shè)備監(jiān)測結(jié)果的時效性較差，難以實時反應(yīng)機(jī)械設(shè)備的磨損狀態(tài)[4].因此，為了及時獲取機(jī)械設(shè)備的磨損狀況和運(yùn)行狀態(tài)，在線式磨損監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛研究并取得了快速發(fā)展.

在線式磨損監(jiān)測技術(shù)根據(jù)監(jiān)測原理的不同，可以分為超聲波類、光學(xué)類、電磁類等[5].超聲波類磨損監(jiān)測技術(shù)雖然靈敏度高，但由于不同金屬材料的磨損顆粒的超聲波反射系數(shù)基本相同，因此其無法區(qū)分磨損顆粒材料的差異，且系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易受到背景噪聲干擾和溫度變化的影響，因此不適用于復(fù)雜工況下大型機(jī)械設(shè)備的磨損監(jiān)測[6]；光學(xué)類磨損監(jiān)測技術(shù)一般可成功監(jiān)測直徑4 μm的磨損顆粒，但其監(jiān)測性能受油液潔凈度影響極其明顯.具體表現(xiàn)為：隨著機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時間的增長，潤滑油液透光度逐漸下降，此時磨損顆粒監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度也隨之下降[7]；電磁類磨粒監(jiān)測技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，逐漸成為在線磨損監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[8].為了滿足大型機(jī)械裝備初期異常磨損階段的有效監(jiān)測，國內(nèi)外學(xué)者對該類傳感器的靈敏度提高方法進(jìn)行了廣泛研究.任藝軍等[9]通過改善線圈探頭結(jié)構(gòu)和電壓模擬補(bǔ)償電路，有效改善了電磁式磨粒傳感器的監(jiān)測靈敏度、穩(wěn)定性及其抗干擾能力.黃祥官等[10]采用平面線圈結(jié)構(gòu)，有效提高了傳感器磨粒監(jiān)測區(qū)域中磁場的均勻性，并減弱了集膚效應(yīng)對傳感器監(jiān)測結(jié)果的影響，從而有效改善了傳感器的線性度和靈敏度.劉恩辰等[11]采用微流道結(jié)構(gòu)極大地縮小了待監(jiān)測顆粒與傳感器監(jiān)測線圈之間的距離，同時顯著增強(qiáng)了油液通道的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而有效提升了傳感器對微小磨粒的監(jiān)測能力.賈然等[12]將諧振原理應(yīng)用于傳感器的設(shè)計中，該方法可大幅提高傳感器對微小磨損顆粒的監(jiān)測效果，并實現(xiàn)直徑100 μm的鐵磁性顆粒和300 μm非鐵磁性顆粒的有效監(jiān)測.然而，機(jī)械設(shè)備在初期異常磨損階段產(chǎn)生的磨損顆粒粒度一般分布于50～100 μm[13].因此，為了在機(jī)械設(shè)備異常運(yùn)行初期便進(jìn)行有效的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，該類傳感器的監(jiān)測靈敏度和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高.

為了解決上述問題，文中設(shè)計了一種內(nèi)置納米晶體磁環(huán)的電磁式磨粒監(jiān)測傳感器，建立了傳感器內(nèi)部磁場分布及輸出感應(yīng)電動勢的數(shù)學(xué)模型，研究了感應(yīng)線圈磁環(huán)和激勵線圈磁環(huán)尺寸特征對傳感器靈敏度的影響；隨后，搭建了磨粒在線監(jiān)測實驗系統(tǒng)，驗證了理論模型的正確性，實驗結(jié)果表明：為傳感器各線圈內(nèi)置納米晶體磁環(huán)可以有效改善傳感器內(nèi)部磁場的均勻性并提高其監(jiān)測靈敏度.該方法為大流量式電磁磨粒監(jiān)測傳感器的靈敏度提高方法提供了新的研究思路.

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值模型

1.1 平行三線圈式磨粒監(jiān)測傳感器

所提出的內(nèi)置納米晶體磁環(huán)的平行三線圈式磨粒監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，激勵線圈1和激勵線圈2的匝數(shù)相同，繞制方向相反且距感應(yīng)線圈距離相同；感應(yīng)線圈可以感應(yīng)到磨粒通過時引起的磁通量變化并輸出感應(yīng)電動勢.在線圈與基體之間內(nèi)置由厚度為0.026 mm的納米晶帶材料(1K107)繞制而成的納米晶體磁環(huán).該材料具備較低的磁致伸縮系數(shù)、較高的磁導(dǎo)率以及在高頻磁場下較低的磁損耗特性，可以保證傳感器具備較低的電磁噪聲水平.線圈基體采用具有低熱導(dǎo)率的陶瓷材料，盡可能減小高溫油液對磨粒監(jiān)測結(jié)果的影響；屏蔽層可以有效減少外部電磁噪聲的干擾.傳感器詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 平行三線圈式磨粒監(jiān)測傳感器Fig.1 Parallel three-coil type wear particle monitoring sensor

表1 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 傳感器數(shù)值模型

為保證傳感器能對鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒進(jìn)行有效監(jiān)測，電磁式磨粒監(jiān)測傳感器通常工作于高頻交變磁場中(磁場頻率范圍100 kHz～3 MHz)[14].交變磁場下傳感器內(nèi)磁場分布滿足準(zhǔn)靜態(tài)方程[15]:

(1)

式中:A=?×B為磁矢勢;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;Js為源電流密度(僅在激勵線圈區(qū)域不為0);μ0為真空中的磁導(dǎo)率;μr為材料的相對磁導(dǎo)率;磁性納米晶體材料的μr=5000;磨損顆粒材料的μr=120(以碳鋼為例)[16].

在空間直角坐標(biāo)系中，式(1)可分解為

(2)

激勵線圈內(nèi)源電流密度為

(3)

式中:Ne為激勵線圈匝數(shù);I0為激勵電流;a為激勵線圈寬度;R2為激勵線圈外半徑;R1為激勵線圈內(nèi)半徑.

由于納米晶體磁環(huán)在高頻磁場中具有較低的磁損耗系數(shù)，可忽略其內(nèi)部的渦流損耗與磁滯損耗，故磁環(huán)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B可采用下式中的線性本構(gòu)方程進(jìn)行計算：

B=μ0μrH

(4)

通過綜合求解上述方程可計算得到磨損顆粒引起的傳感器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度擾動ΔBx，并進(jìn)一步得到激勵線圈磁通量變化為

Δφ=Ne?ΔBxds

(5)

式中:ΔBx為磨損顆粒引起的傳感器內(nèi)局部磁感應(yīng)強(qiáng)度變化;Δφ為磨損顆粒引起的激勵線圈磁通量變化.

但當(dāng)傳感器激勵線圈的寬度遠(yuǎn)大于磨損顆粒直徑時，由于磨損顆粒引起的磁場擾動只發(fā)生在顆粒所處位置的局部，因此采用式(5)計算磁通量會產(chǎn)生較大的計算誤差，為了準(zhǔn)確計算磨損顆粒引起的傳感器內(nèi)磁場的擾動，定義傳感器激勵線圈匝數(shù)的線密度為

(6)

當(dāng)磨損顆粒通過傳感器時，引起的單側(cè)激勵線圈磁通量變化可優(yōu)化為

Δφ=∑?γΔBxds=?γΔBxdsdl

(7)

由于激勵線圈與感應(yīng)線圈間存在一定程度的磁泄露，其會降低傳感器輸出感應(yīng)電動勢幅值的大小.故定義磁泄露系數(shù)為

(8)

式中:φ1為感應(yīng)線圈磁通量;φ2為激勵線圈磁通量.

此時，磨損顆粒通過傳感器時，傳感器的輸出感應(yīng)電動勢可表示為

(9)

式中:ω為角頻率;vp為磨損顆粒體積.

2 納米晶體磁環(huán)對傳感器監(jiān)測性能影響分析

2.1 感應(yīng)線圈磁環(huán)對監(jiān)測性能的影響

考慮傳感器感應(yīng)線圈無磁環(huán)、內(nèi)置外徑12 mm及18 mm磁環(huán)3種工況，研究直徑為75 μm的球形鐵磁性磨粒沿軸線通過傳感器時引起的磁通量及感應(yīng)電動勢變化.圖2給出了上述3種工況下各匝線圈磁通量均值的變化情況.當(dāng)75 μm球形磨粒沿軸線通過傳感器時，無磁環(huán)工況下各匝線圈磁通量均值的峰峰值為2.0×10-5Wb；當(dāng)磁環(huán)外徑增加至12 mm和18 mm時，磁通量的峰峰值分別增長為3.7×10-5Wb和7.5×10-5Wb，相比無磁環(huán)工況，增幅倍數(shù)分別為1.85倍和3.75倍.該現(xiàn)象說明了：內(nèi)置納米晶體磁環(huán)可有效放大磨粒引起的磁通量變化，增強(qiáng)傳感器對微小磨粒的監(jiān)測能力，且增幅能力與磁環(huán)外徑尺寸有關(guān).

圖2 磁環(huán)尺寸對傳感器磁通量的影響Fig.2 Effect of the magnetic ring size on the magnetic flux of sensor

圖3給出了不同工況下75 μm球形磨粒引起的輸出感應(yīng)電動勢變化.3種工況下的傳感器輸出感應(yīng)電動勢峰值分別為4.0，20和65 μV.為感應(yīng)線圈添加納米晶體磁環(huán)顯著提升了輸出感應(yīng)電動勢峰值，最高可達(dá)16.25倍，顯著地提升了傳感器的監(jiān)測靈敏度.納米晶體磁環(huán)尺寸對傳感器的監(jiān)測靈敏度影響很大，內(nèi)置18 mm磁環(huán)工況輸出感應(yīng)電動勢峰值比內(nèi)置12 mm磁環(huán)工況高3.25倍.

圖3 磁環(huán)尺寸對傳感器感應(yīng)電動勢的影響Fig.3 Effect of the magnetic ring size on the induced electromotive force of sensor

為了系統(tǒng)地研究感應(yīng)線圈磁環(huán)厚度對傳感器檢測效果的影響，對納米晶體磁環(huán)外徑分別為12，14，16，18 mm 4種工況下直徑分別為50，75，100，150，200，250 μm的球形磨損顆粒通過傳感器時引起的輸出感應(yīng)電動勢進(jìn)行仿真研究，結(jié)果如圖4所示.可見，同一尺寸磨粒在不同工況下引起的感應(yīng)電動勢幅值有顯著差異，且輸出感應(yīng)電動勢幅值與磁環(huán)尺寸成正比；磁環(huán)外徑相同時，輸出感應(yīng)電動勢幅值隨磨粒直徑增大而增大.為了準(zhǔn)確定義不同尺寸納米晶體磁環(huán)對輸出感應(yīng)電動勢的增幅能力，引入增益倍數(shù)φ，φ=A/A0,其值為添加磁環(huán)后的感應(yīng)電動勢A與未添加磁環(huán)的感應(yīng)電動勢A0的比值.表2列出了納米晶體磁環(huán)對不同尺寸磨粒引起的感應(yīng)電動勢的增益倍數(shù).可見，各尺寸磁環(huán)對磨損顆粒引起的傳感器輸出感應(yīng)電動勢均有較好的增幅效果，且外徑18 mm的磁環(huán)具有最佳的增益倍數(shù).該工況下，納米晶體磁環(huán)對150 μm磨粒的增益效果最好，其增益倍數(shù)達(dá)到12.81；對50 μm磨粒的增益效果最弱，但其增益倍數(shù)仍可達(dá)到3.23，顯著地加強(qiáng)了傳感器對微小磨粒的監(jiān)測能力.

圖4 感應(yīng)電動勢峰值隨磨粒直徑的變化Fig.4 Variation of the induced electromotive force with diameter of wear particle

表2 磁環(huán)對不同尺寸磨粒的增益倍數(shù)

2.2 激勵線圈磁環(huán)對監(jiān)測性能的影響

為探究激勵線圈磁環(huán)對傳感器監(jiān)測性能的影響，考察為感應(yīng)線圈添加外徑18 mm磁環(huán)，激勵線圈無磁環(huán)，內(nèi)置厚度為1，2 mm納米晶體磁環(huán)的3種工況，研究直徑為75 μm的球形磨損顆粒通過傳感器時引起的感應(yīng)電動勢，所得結(jié)果如圖5所示.可見相比于激勵線圈無磁環(huán)的方案，為激勵線圈同時添加納米晶體磁環(huán)進(jìn)一步提高了傳感器的輸出感應(yīng)電動勢.為激勵線圈添加1，2 mm厚度磁環(huán)兩種工況，其輸出感應(yīng)電動勢峰值分別為88.2，166.1 μV，相比激勵線圈無磁環(huán)工況的感應(yīng)電動勢增幅約為28.6%和142.5%.

圖5 激勵線圈內(nèi)置磁環(huán)后感應(yīng)電動勢的變化Fig.5 Variation of the electromotive force after adding magnetic ring to excitation coil

為了進(jìn)一步探究激勵線圈磁環(huán)厚度對傳感器輸出感應(yīng)電動勢的影響，分別考慮激勵線圈內(nèi)置厚度為0.5，1.0，1.25，1.5，1.75，2.0 mm磁環(huán)6種工況，研究當(dāng)直徑為75 μm的球形磨損顆粒通過傳感器時引起的感應(yīng)電動勢變化，所得結(jié)果如圖6所示.可見，在一定范圍內(nèi)增加激勵線圈磁環(huán)厚度會增強(qiáng)傳感器的輸出感應(yīng)電動勢，當(dāng)磁環(huán)厚度為1.5 mm時，感應(yīng)電動勢達(dá)到最大值；而后隨著激勵線圈磁環(huán)厚度的進(jìn)一步增加，磨損顆粒引起的感應(yīng)電動勢迅速衰減.造成該現(xiàn)象原因可能在于：當(dāng)激勵線圈磁環(huán)厚度小于1.5 mm時，隨著磁環(huán)厚度的增加，激勵線圈和感應(yīng)線圈間的磁耦合強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，進(jìn)而降低了線圈間的磁泄露量；而當(dāng)激勵線圈磁環(huán)厚度進(jìn)一步增加(大于1.5 mm時)，傳感器內(nèi)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇下降，從而導(dǎo)致磨損顆粒引起的磁場擾動較弱.

此外，傳感器內(nèi)部磁場的均勻性和監(jiān)測結(jié)果的一致性也是衡量傳感器監(jiān)測性能的重要指標(biāo).故提取傳感器激勵線圈內(nèi)不同徑向位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx，并以傳感器軸線位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度為基準(zhǔn)，處理得到磁感應(yīng)強(qiáng)度沿徑向位置的絕對變化趨勢.所得結(jié)果如圖7所示，可見為激勵線圈添加磁環(huán)(厚度為1.5 mm)后，傳感器內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度差異較無磁環(huán)情況得到明顯改善.因此，添加納米晶體磁環(huán)有效地改善了傳感器內(nèi)部磁場分布的均勻性，降低了磨損顆粒通過時位置差異對監(jiān)測結(jié)果一致性的干擾，可有效提高傳感器監(jiān)測結(jié)果的可靠性.

圖6 感應(yīng)電動勢隨激勵線圈磁環(huán)厚度的變化Fig.6 Variation of the induced electromotive force with the thickness of the magnetic ring of excitation coil

圖7 磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向均勻程度Fig.7 Uniformity of the magnetic induction intensity in the radial direction

3 實驗驗證與數(shù)據(jù)分析

3.1 電磁式磨粒在線監(jiān)測實驗系統(tǒng)

如圖8所示，所搭建的實驗系統(tǒng)包括激勵及檢測單元、直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集與處理單元和控制器.激勵及監(jiān)測單元為激勵線圈供給高頻交流電，并集成了對傳感器感應(yīng)電動勢信號的采集及放大功能；直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)保證磨粒運(yùn)動路徑與速度等變量的一致可控；數(shù)據(jù)采集與處理單元具備即時采集、自動存儲、即時顯示的功能.實驗過程中傳感器系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)與數(shù)值模擬過程中參數(shù)一致.

為驗證感應(yīng)線圈磁環(huán)和激勵線圈對傳感器監(jiān)測性能的影響，選取如圖9所示直徑分別為75，100，150 μm的鐵磁性球形磨粒作為監(jiān)測對象，將其固定在直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)上以相同速度通過傳感器，并記錄傳感器輸出信號的幅值變化，具體實驗工況如表3所示.

圖8 電磁式磨損顆粒在線監(jiān)測實驗系統(tǒng)Fig.8 Electromagnetic wear particle on-line detection experimental system

圖9 磨損顆粒微觀尺寸特征Fig.9 Micro-size characteristics of wear particles

表3 實驗工況

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1磁環(huán)對傳感器監(jiān)測性能的影響

圖10給出了感應(yīng)線圈無磁環(huán)和內(nèi)置外徑18 mm磁環(huán)兩種工況下，直徑為100 μm的磨粒通過傳感器時引起的輸出信號變化.為感應(yīng)線圈內(nèi)置磁環(huán)后，傳感器輸出信號的峰值由5.2 mV提升至15.3 mV，增幅達(dá)194%.實驗結(jié)果充分證明了為感應(yīng)線圈內(nèi)置納米晶體磁環(huán)可有效提高磨粒通過時引起的微小擾動，增強(qiáng)電磁式磨粒傳感器對微小磨粒的監(jiān)測能力.

圖10 感應(yīng)線圈磁環(huán)對傳感器輸出信號的影響Fig.10 Influence of the magnetic ring of induction coil on output signal

圖11給出了感應(yīng)線圈內(nèi)置外徑18 mm磁環(huán)，激勵線圈無磁環(huán)和內(nèi)置1.5 mm厚磁環(huán)兩種工況下，直徑為100 μm的磨粒通過傳感器時引起的輸出信號變化.激勵線圈無磁環(huán)工況下，傳感器輸出信號峰值為15.3 mV，為激勵線圈添加1.5 mm厚磁環(huán)后，傳感器輸出信號峰值提升為32.5 mV，增幅達(dá)112%.實驗結(jié)果充分證明激勵線圈磁環(huán)可以有效減少激勵線圈與感應(yīng)線圈的磁泄露量，使感應(yīng)線圈輸出感應(yīng)電動勢增大，從而提高了傳感器的監(jiān)測靈敏度.

圖11 激勵線圈磁環(huán)對傳感器輸出信號的影響Fig.11 Influence of the magnetic ring of excitation coil on output signal

3.2.2內(nèi)置磁環(huán)傳感器對不同尺寸磨粒的增益效果

為了驗證激勵線圈和感應(yīng)線圈同時內(nèi)置磁環(huán)對不同尺寸磨粒引起的傳感器輸出信號的增益效果.設(shè)置感應(yīng)線圈內(nèi)置18 mm磁環(huán)，激勵線圈內(nèi)置1.5 mm厚磁環(huán)工況，記錄直徑為75，100，150 μm的球形磨粒通過時傳感器輸出信號的變化，實驗結(jié)果如圖12所示.可見為傳感器各線圈內(nèi)置磁環(huán)顯著提升了各尺寸磨粒通過時引起的輸出信號峰值，其增益倍數(shù)分別可達(dá)4.97，5.41，7.15.另外，無磁環(huán)情況下，當(dāng)磨損顆粒直徑為75 μm時，傳感器輸出信號的信噪比明顯降低，磨粒信息提取難度增大.內(nèi)置磁環(huán)后，傳感器輸出信號的信噪比明顯提高，降低了磨粒信號的提取難度，提高了傳感器監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖12 磁環(huán)對各尺寸磨損顆粒監(jiān)測信號的影響Fig.12 Influence of magnetic ring on detection signal of wear particles with different sizes

4 結(jié) 論

文中提出了一種內(nèi)置納米晶體磁環(huán)的電磁式磨粒監(jiān)測傳感器，并研究了納米晶體磁環(huán)尺寸和添加位置對傳感器監(jiān)測靈敏度的影響規(guī)律.仿真和實驗表明，內(nèi)置納米晶體磁環(huán)增強(qiáng)了傳感器中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度并改善了傳感器內(nèi)部磁場的均勻性，在增強(qiáng)磨粒引起磁場擾動的同時還提高了傳感器監(jiān)測結(jié)果的一致性.為感應(yīng)線圈添加納米晶體磁環(huán)，可以有效提高磨粒引起的感應(yīng)電動勢，且增幅效果與添加磁環(huán)尺寸成正比；為激勵線圈附加納米晶體磁環(huán)，傳感器靈敏度得到進(jìn)一步提高，但增益效果隨激勵線圈磁環(huán)厚度增加呈先增加后減小的趨勢.對于直徑為75～100 μm的磨粒，納米晶體磁環(huán)的增益倍數(shù)可達(dá)4～7倍，該方法可以有效提高傳感器對微小磨粒的監(jiān)測能力.