磨粒形態(tài)對(duì)滑油屑末監(jiān)測(cè)器輸出特性的影響

黃 炎， 馬 靜， 張梅菊， 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)

潤(rùn)滑油普遍應(yīng)用于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中，為了對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，需要分析油液中磨粒的尺寸、數(shù)量、種類和增長(zhǎng)速率等，從而判斷機(jī)械設(shè)備的使用情況，并可以對(duì)其壽命進(jìn)行預(yù)判[1-2]。

目前，油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括電磁法、靜電法、超聲波檢測(cè)法和光散射法[3-6]等。國(guó)外，加拿大Gastops公司研制出MetalSCAN滑油顆粒監(jiān)測(cè)傳感器，是目前應(yīng)用最為廣泛的大型旋轉(zhuǎn)部件在線顆粒監(jiān)測(cè)傳感器產(chǎn)品，其安裝在滑油系統(tǒng)回油路上，有多種不同型號(hào)。傳感器探頭內(nèi)由3組線圈組成:兩個(gè)線圈反向繞制，由交流電源驅(qū)動(dòng)，形成激勵(lì)線圈，它們各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，在兩個(gè)線圈之間的中點(diǎn)相互抵消，位于傳感器探頭中部的感應(yīng)線圈用于感應(yīng)金屬顆粒通過(guò)激勵(lì)線圈時(shí)造成的磁場(chǎng)擾動(dòng)，磁通量的變化被轉(zhuǎn)換為電壓值，用于確定顆粒的尺寸；而相位的變化用于確定顆粒性質(zhì)(鐵磁性或非鐵磁性)。

目前，許多學(xué)者通過(guò)顆粒數(shù)量的統(tǒng)計(jì)與分析等方法確定監(jiān)測(cè)對(duì)象磨損狀態(tài)和故障預(yù)測(cè)[7-13]。本團(tuán)隊(duì)目前研制出12 mm、12.7 mm、18 mm、20 mm管徑的發(fā)動(dòng)機(jī)在線顆粒監(jiān)測(cè)傳感器產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)100 μm以上鐵磁性微顆粒、450 μm以上非鐵磁性微顆粒在線測(cè)試。上述產(chǎn)品可耐受最高180 ℃介質(zhì)溫度和170 ℃探頭環(huán)境溫度，并且通過(guò)溫度、振動(dòng)、電磁兼容性等多項(xiàng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，在研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)顆粒形態(tài)對(duì)傳感器輸出有較大影響。本文基于COMSOL建立了滑油屑末傳感器模型，分析平衡磁場(chǎng)下退磁因子對(duì)不同圓柱磨粒和橢球磨粒磁化場(chǎng)的影響，并聯(lián)合ANSYS Maxwell仿真和試驗(yàn)研究不同圓柱顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)的輸出特性，為滑油屑末監(jiān)測(cè)器進(jìn)一步提高精度提供參考依據(jù)。

1 滑油在線屑末監(jiān)測(cè)器工作原理

滑油在線屑末監(jiān)測(cè)器由傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成如圖1所示，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)滑油中金屬磨粒性質(zhì)、數(shù)目、大小等參數(shù)，根據(jù)輸出信號(hào)的不同反映出發(fā)動(dòng)機(jī)部件磨損情況，并提供給上位機(jī)。傳感器安裝在滑油系統(tǒng)油路上，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)油路中一定尺寸范圍內(nèi)金屬屑末通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的特征信號(hào)，特征信號(hào)包含能夠區(qū)分鐵磁性金屬屑末和非鐵磁性金屬屑末信息、屑末數(shù)量信息和屑末尺寸、換算質(zhì)量或體積信息。特征信號(hào)能夠由配套的信號(hào)傳輸電纜傳輸，并由數(shù)據(jù)處理單元處理分析得出金屬屑末性質(zhì)、數(shù)量、尺寸等重要參數(shù)。

圖1 滑油在線屑末監(jiān)測(cè)器

2 不規(guī)則磨粒輸出特性分析

2.1 不同形態(tài)磨粒退磁因子理論

當(dāng)金屬顆粒在磁場(chǎng)H0中被磁化后，其兩端出現(xiàn)正、負(fù)磁場(chǎng)，所產(chǎn)生的磁荷會(huì)在顆粒內(nèi)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)Hd，其方向與H0方向相反，故顆粒內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

H=H0-Hd

(1)

其中附加磁場(chǎng)Hd與顆粒形態(tài)與磁化強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)磁化強(qiáng)度為定值時(shí)，附加磁場(chǎng)Hd只與顆粒形態(tài)有關(guān),附加磁場(chǎng)Hd表達(dá)式為

Hd=-NdM

(2)

式中，M為磁化強(qiáng)度;Nd為退磁因子。

圓柱磨粒在外部均勻磁場(chǎng)中磁化是不均勻的，受到退磁因子的影響，磁化強(qiáng)度是一個(gè)位置函數(shù)。設(shè)圓柱磨粒長(zhǎng)度為L(zhǎng)，半徑為r，軸線上任意一點(diǎn)到底面圓心的距離為z，定義

(3)

圓柱磨粒軸線的退磁因子為

(4)

橢球磨粒在外部均勻磁場(chǎng)中磁化也是不均勻的，設(shè)橢球的方程為

(5)

令橢球軸長(zhǎng)a、b、c之比為

(6)

同時(shí)，設(shè)橢球?yàn)橐詙軸為對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)橢球，即n=m。

橢球磨粒退磁因子為

(7)

2.2 磨粒磁化場(chǎng)分析

根據(jù)退磁因子理論，不同形態(tài)磨粒退磁因子不同。首先建立滑油屑末傳感器磁場(chǎng)微平衡系統(tǒng)，分析鐵磁性顆粒經(jīng)過(guò)微平衡磁場(chǎng)時(shí)顆粒內(nèi)部和外部磁場(chǎng)變化。

基于COMSOL有限元軟件，分析不同鐵磁性球顆粒、橢球顆粒和圓柱顆粒內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布以及表面磁感應(yīng)分布。滑油屑末監(jiān)測(cè)傳感器微平衡系統(tǒng)由1個(gè)反饋線圈和2個(gè)激勵(lì)線圈組成，激勵(lì)線圈相互反接，激勵(lì)電壓為15 V，激勵(lì)頻率為95 kHz。激勵(lì)線圈和反饋線圈都采用0.1 mm漆包線進(jìn)行纏繞，激勵(lì)線圈匝數(shù)為80匝，反饋線圈匝數(shù)為80匝，線圈內(nèi)徑為14 mm，根據(jù)磨粒軸向位置與輸出電壓的關(guān)系，即當(dāng)磨粒沿傳感器中心軸線運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)激勵(lì)線圈時(shí)，顆粒在離開(kāi)激勵(lì)線圈時(shí)，傳感器的輸出電壓最大，為此將直徑為400 μm鐵磁性顆粒置于激勵(lì)線圈與反饋線圈之間，在95 kHz磁場(chǎng)中磁化模型如圖2所示。

圖2 鐵磁性顆粒磁化云圖

從圖2(a)可以看出，當(dāng)顆粒經(jīng)過(guò)平衡磁場(chǎng)時(shí)，鐵磁性顆粒被磁化，顆粒內(nèi)外磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而打破滑油屑末傳感器微平衡磁場(chǎng)，引起磁通量的變化。由于磁化效應(yīng)使鐵磁性顆粒內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，同時(shí)受到退磁場(chǎng)的影響，顆粒外部磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。

同時(shí)，用有限元分析軟件分析了受退磁場(chǎng)影響不同顆粒形態(tài)的磁場(chǎng)分布情況，分析過(guò)程中保持鐵磁性顆粒等效體積不變，不同磨粒形態(tài)參數(shù)如表1所示。設(shè)圓柱顆粒長(zhǎng)軸L和橢球顆粒長(zhǎng)軸a平行于線圈軸線，一條直線位于反饋線圈和激勵(lì)線圈中軸線，該直線經(jīng)過(guò)磨粒；另一條直線平行于反饋線圈和激勵(lì)線圈中軸線并與磨粒相切，如圖2(b)所示。根據(jù)表1顆粒幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分別求出兩條直線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。

通過(guò)COMSOL平臺(tái)建立模型，得到圓柱磨粒有限元分析結(jié)果如圖3和圖4所示，從圖3圓柱磨粒軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖中可以看出，單一磨粒中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，隨著與中心點(diǎn)距離增加磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減。圓柱磨粒長(zhǎng)徑比不同時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加。從圖4圓柱磨粒切線磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖中可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著空間位置變化而改變，在切點(diǎn)處最小。

表1 磨粒形態(tài)幾何參數(shù)

圖3 圓柱磨粒軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖4 圓柱磨粒切線磁感應(yīng)強(qiáng)度

橢球磨粒有限元分析結(jié)果如圖5和圖6所示，從圖5橢球磨粒軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖中可以看出，單一磨粒內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為定值。不同長(zhǎng)徑比橢球磨粒時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加。從圖6橢球磨粒切線磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖中可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著空間位置變化而改變，在切點(diǎn)處最小。

圖5 橢球磨粒軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖6 橢球磨粒切線磁感應(yīng)強(qiáng)度

2.3 傳感器輸出特性分析

當(dāng)磨粒形態(tài)改變時(shí)，退磁因子不同，從而引起滑油屑末傳感器內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，根據(jù)滑油屑末傳感器工作原理，磨粒形態(tài)改變時(shí)會(huì)使傳感器輸出特性改變，為此需要研究不同形態(tài)顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)輸出特性?；?ANSYS Maxwell 二維瞬態(tài)求解器計(jì)算等效直徑400 μm不同形態(tài)圓柱顆粒的滑油屑末傳感器輸出特性，詳細(xì)記錄如表2和圖7所示。

表2 不同形態(tài)顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)輸出特性分析表

圖7 不同長(zhǎng)徑比傳感器輸出特性(等效直徑400 μm)

通過(guò)表2和圖7可以看出，顆粒形狀為球形、直徑為400 μm時(shí)，傳感器輸出電壓幅值為18.03 μV，進(jìn)行同體積換算，長(zhǎng)徑比1∶1時(shí)，傳感器輸出電壓幅值為16.11 μV，幅值有所下降，但隨著顆粒長(zhǎng)徑比增加，傳感器輸出電壓幅值增加；隨著顆粒長(zhǎng)徑比減小，傳感器輸出電壓幅值減小。

另外，計(jì)算等效直徑600 μm不同形態(tài)圓柱顆粒的滑油屑末傳感器輸出特性，分析結(jié)果如表3和圖8所示。

表3 不同形態(tài)圓柱顆粒的滑油屑末傳感器輸出特性分析表

圖8 不同長(zhǎng)徑比傳感器輸出特性(等效直徑600 μm)

通過(guò)表3和圖8可以看出，顆粒形狀為球形、直徑為600 μm時(shí)，傳感器輸出電壓幅值為40.11 μV，進(jìn)行同體積換算，長(zhǎng)徑比1∶1時(shí)，傳感器輸出電壓幅值為38.15 μV，幅值有所下降，但隨著顆粒長(zhǎng)徑比增加，傳感器輸出電壓幅值增加；隨著顆粒長(zhǎng)徑比減小，傳感器輸出電壓幅值減小。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置

圖9為滑油屑末監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)圖，滑油屑末監(jiān)測(cè)器包括傳感器和數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元主要由電源電路板、信號(hào)處理電路板和機(jī)箱組成，可針對(duì)檢測(cè)到的微弱電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、運(yùn)算放大、數(shù)據(jù)采集等。穩(wěn)壓電源作為激勵(lì)源為信號(hào)處理單元提供28 V電壓。

圖9 滑油屑末監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)對(duì)等效直徑為400 μm鎳絲(純度99.99%)、不同長(zhǎng)徑比圓柱顆粒進(jìn)行測(cè)試，直徑分別為200,300,400 μm，長(zhǎng)徑比分別為5.33，0.67，1.57。詳細(xì)試驗(yàn)相關(guān)顆粒參數(shù)如表4所示。

表4 圓柱形顆粒試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)得到長(zhǎng)徑比分別為5.33，0.67，1.57時(shí)信號(hào)幅值，并進(jìn)行歸一化處理，與仿真模擬數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，隨著長(zhǎng)徑比增加，傳感器輸出信號(hào)幅值增加，說(shuō)明了當(dāng)體積相同時(shí)顆粒形態(tài)的改變會(huì)影響傳感器輸出特性。

圖10 不同長(zhǎng)徑比圓柱顆粒傳感器輸出特性

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于有限元分析方法，建立顆粒磁化場(chǎng)分析模型和傳感器輸出特性模型，研究了不同長(zhǎng)徑比圓柱磨粒磁化場(chǎng)和傳感器輸出特性，同時(shí)，搭建試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到以下結(jié)論：在同一外界條件下，磁化場(chǎng)受顆粒形態(tài)影響，圓柱顆粒內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著位置變化而變化，橢球顆粒內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度為定值；圓柱顆粒和橢球顆粒外部磁場(chǎng)在切點(diǎn)處最小，隨著與切點(diǎn)距離的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度先增加后減小。相同體積磨粒，長(zhǎng)徑比越大，傳感器輸出信號(hào)幅值越大。