雙激勵(lì)大口徑扁平流道感應(yīng)式磨粒傳感器

陳 平, 胡義亮, 冷 肅

(重慶大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044)

磨損是導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障的主要原因之一[1-3]，潤(rùn)滑系統(tǒng)作為機(jī)械設(shè)備的重要組成部分，潤(rùn)滑油液中的磨粒是分析摩擦學(xué)表面磨損機(jī)理和磨損失效類(lèi)型的重要載體[4-9].油液磨粒監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為離線(xiàn)式監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)式監(jiān)測(cè)[10-13].離線(xiàn)式監(jiān)測(cè)主要采用光譜[14]、鐵譜[15-16]等方式，但離線(xiàn)監(jiān)測(cè)存在滯后性，取樣間隙內(nèi)可能遺漏諸多信息.在線(xiàn)式監(jiān)測(cè)主要以感應(yīng)式[17-19]、光學(xué)式[20-21]、電容式[22-25]和超聲波式[26]等磨粒傳感器為核心，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行油液磨粒監(jiān)測(cè).感應(yīng)式磨粒傳感器具有反應(yīng)快和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊應(yīng)用前景[27-28].

Du等[29]設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)式磨粒傳感器，通過(guò)檢測(cè)雙層平面線(xiàn)圈的電感變化來(lái)識(shí)別磨粒，能夠在管徑為1 mm的流道中檢測(cè)到50 μm的金屬磨粒.Hong等[30]提出了一種基于徑向磁場(chǎng)的感應(yīng)式磨粒傳感器，可以在管徑為20 mm的流道中檢測(cè)到290 μm的鐵磁性磨粒，但其磁場(chǎng)最強(qiáng)處僅為14 mT，難以檢測(cè)較小的磨粒.Xiao等[31]設(shè)計(jì)了一種流道管徑為40 mm的單激勵(lì)磨粒傳感器，在檢測(cè)流道內(nèi)產(chǎn)生高梯度徑向磁場(chǎng)，雖提高了傳感器的流量，但流道內(nèi)的大部分區(qū)域都是非有效檢測(cè)區(qū)域，靈敏度較低.

上述磨粒傳感器面臨兩方面的問(wèn)題：一方面，為保證傳感器的靈敏度，常采用較小的管道，制約了傳感器的通流能力，可能會(huì)使油路阻塞，且小管道通常安裝在旁路，不能檢測(cè)整個(gè)油路；另一方面，若采用大口徑圓形管道，雖提高了流量，卻降低了靈敏度.

為了解決現(xiàn)有磨粒傳感器無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)大流量檢測(cè)和高靈敏度的問(wèn)題，提出一種雙激勵(lì)大口徑扁平流道感應(yīng)式磨粒傳感器.相比單激勵(lì)結(jié)構(gòu)，雙激勵(lì)結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng).有限元分析表明，增加雙激勵(lì)組件間的距離，磁場(chǎng)衰減非常快，而增加L形磁極的寬度，磁場(chǎng)衰減較小.因此，由于扁平管道在高度方向比較窄，可使雙激勵(lì)組件間的距離較小，以保證傳感器擁有較高的靈敏度；而管道在寬度方向的尺寸較大，可顯著提高傳感器的通流能力.

1 傳感器結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

一種新型的雙激勵(lì)大口徑扁平流道感應(yīng)式磨粒傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器包括兩個(gè)激勵(lì)組件和1個(gè)感應(yīng)組件.其中，激勵(lì)組件包含勵(lì)磁線(xiàn)圈、鐵芯和L形磁極，勵(lì)磁線(xiàn)圈均勻繞制在鐵芯上，兩個(gè)L形磁極對(duì)稱(chēng)布置于鐵芯兩端.L形磁極的豎直段內(nèi)側(cè)與鐵芯兩端用螺栓連接，水平段外側(cè)緊貼感應(yīng)組件，兩個(gè)L形磁極的水平段末端之間存在1 mm的氣隙，在氣隙處產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng).此外，感應(yīng)組件由感應(yīng)線(xiàn)圈和大口徑扁平管道組成，感應(yīng)線(xiàn)圈均勻繞制在扁平管道上.兩個(gè)激勵(lì)組件對(duì)稱(chēng)布置于感應(yīng)組件上下兩側(cè)，在兩個(gè)激勵(lì)組件之間產(chǎn)生較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)梯度磁場(chǎng).

1.2 傳感器數(shù)學(xué)模型

如圖2和圖3所示，雙激勵(lì)組件之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)可簡(jiǎn)化為1個(gè)等效磁路[24].雙激勵(lì)組件之間的磁阻Rr可等效為n個(gè)并聯(lián)的磁阻，并用RE1和RE2分別表示兩個(gè)激勵(lì)組件的鐵芯和L形磁極的磁阻.

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磨粒信號(hào)可表示為

Fig.1 Schematic diagram of the sensor structure圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 The equivalent distribution of magnetic field of dual-excitation圖2 雙激勵(lì)組件之間的等效磁場(chǎng)分布

Fig.3 The equivalent magnetic circuit of the sensor圖3 傳感器等效磁路

式中：Ns表 示感應(yīng)線(xiàn)圈的匝數(shù)； ? ?表示磨粒引起的磁通變化量.

如圖3所示，傳感器的總磁阻可表示為

因此，磨粒向路徑p移動(dòng)時(shí)引起的磁通變化可表示為

式中：F表示磁勢(shì)； ?p為磨粒到達(dá)路徑p時(shí)的總磁通量；?0為磨粒在無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)的總磁通量；rp為無(wú)磨粒條件下路徑p的磁阻；r′p為有磨粒通過(guò)時(shí)路徑p的磁阻.

由于RE1+RE2?Rp，所以式(3)可簡(jiǎn)化為

假設(shè)磨粒在x、y和z方 向的尺寸分別為 δx、 δy和 δz，因此，

式中： μ0為真空磁導(dǎo)率； μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；lp為路徑p的長(zhǎng)度.因此，

由于lp? δz，式(7)可簡(jiǎn)化為

由于磁路與空間位置有關(guān)，故可令lp=l(x,y,z)，且磁勢(shì)F=NeI，并帶入式(1)和式(8)，則感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磨粒信號(hào)可表示為

式中：v(x)、v(y)和v(z)分別表示磨粒在x、y和z方向的運(yùn)動(dòng)速度；Ne為勵(lì)磁線(xiàn)圈的匝數(shù)；I為激勵(lì)電流.

圖4所示為截面分別為圓形和扁平狀的兩種管道，由于傳感器采用扁平管道，為了不增加額外的流動(dòng)阻力，扁平管道的橫截面積不得小于待檢設(shè)備油路的圓形管道橫截面積，兩者的關(guān)系如下：

整理得

式中：D為待測(cè)設(shè)備潤(rùn)滑油路管道的內(nèi)徑，本文中D為扁平管道的等效內(nèi)徑；L和h分別表示扁平管道內(nèi)側(cè)的寬度和高度.

2 傳感器有限元分析

2.1 傳感器磁場(chǎng)分析

建立傳感器有限元模型，L形磁極的厚度為5 mm，寬度為60 mm；勵(lì)磁線(xiàn)圈匝數(shù)為2 500匝，長(zhǎng)度為60 mm，線(xiàn)徑為0.5 mm，激勵(lì)電流為0.5 A；感應(yīng)線(xiàn)圈的匝數(shù)為5 000匝，長(zhǎng)度為40 mm，線(xiàn)徑為0.1 mm；扁平管道寬度為60 mm，內(nèi)側(cè)高度為14 mm，壁厚為1 mm.單個(gè)激勵(lì)組件產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)分布云圖如圖5(a)所示，磁場(chǎng)最強(qiáng)處約193.3 mT，但磁場(chǎng)在高度方向衰減較快，磁場(chǎng)最弱處僅1.59 mT.圖5(b)所示為雙激勵(lì)組件產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布云圖，該磁場(chǎng)為對(duì)稱(chēng)梯度磁場(chǎng)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)210 mT，磁場(chǎng)最弱處位于扁平管道中心，其磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)75 mT，遠(yuǎn)強(qiáng)于單激勵(lì)結(jié)構(gòu).此外，雙激勵(lì)組件產(chǎn)生的磁場(chǎng)基本關(guān)于x軸 、y軸和z軸對(duì)稱(chēng)分布，磁場(chǎng)沿著y軸方向上的分布比較均勻，在z軸方向上呈對(duì)稱(chēng)梯度分布，且磁場(chǎng)在L形磁極附近最強(qiáng).

圖6所示為管道截面積相同條件下，單激勵(lì)圓管(SECP)、單激勵(lì)扁管(SEFP)、雙激勵(lì)圓管(DECP)和雙激勵(lì)扁管(DEFP)四種結(jié)構(gòu)沿x軸的磁場(chǎng)分布.相比單激勵(lì)圓管結(jié)構(gòu)，單激勵(lì)扁管結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高約80%，而雙激勵(lì)扁管結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了200%，采用雙激勵(lì)扁平管道結(jié)構(gòu)顯著提升傳感器的靈敏度.

為了使傳感器滿(mǎn)足不同油路的流量需求，可對(duì)傳感器尺寸進(jìn)行調(diào)整.圖7和圖8所示分別為在勵(lì)磁線(xiàn)圈和激勵(lì)電流相同的條件下，扁平管道的高度與寬度對(duì)管道中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響.由圖7可知，隨著管道高度的增大，管道中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性衰減，其衰減速度非?？?而由圖8可知，雖然管道中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨管道寬度的增大而發(fā)生衰減，但高度導(dǎo)致衰減的速度約為寬度的11倍.因此，采用扁平管道作為檢測(cè)流道具有巨大優(yōu)勢(shì).根據(jù)該傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)傳感器需適應(yīng)更大管徑的油路，并使傳感器保持較高的靈敏度時(shí)，可適當(dāng)增大扁平管道與L形磁極的寬度.

2.2 磨粒信號(hào)分析

一顆鐵磁性磨粒通過(guò)傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)如圖9所示，此磨粒信號(hào)包含1個(gè)正向脈沖和負(fù)向脈沖，類(lèi)似于1個(gè)周期的正弦信號(hào).根據(jù)式(9)可知，磨粒信號(hào)與激勵(lì)電流密切相關(guān).圖10所示為磨粒沿x軸以1 m/s的固定速度通過(guò)傳感器時(shí)，激勵(lì)電流對(duì)磨粒信號(hào)的影響.由圖10可知，磨粒信號(hào)峰-峰值隨激勵(lì)電流增大而增大，且兩者基本成線(xiàn)性關(guān)系.此外，磨粒的運(yùn)動(dòng)速度也是影響磨粒信號(hào)的關(guān)鍵因素.如圖11所示，當(dāng)磨粒分別以不同的速度通過(guò)傳感器時(shí)，磨粒的運(yùn)動(dòng)速度越大，磨粒信號(hào)的峰-峰值越大，且兩者之間也存在較強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系.

Fig.4 Schematic diagram of the flow channel of two different structures圖4 兩種不同結(jié)構(gòu)的流道圖

Fig.5 Magnetic field distribution of sensor圖5 磁場(chǎng)分布云圖

Fig.6 Comparison of magnetic field of four sensor structures圖6 四種傳感器結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)對(duì)比

Fig.7 Effect of pipe’s height on magnetic field in pipe center圖7 管道高度對(duì)管道中心磁場(chǎng)的影響

Fig.8 Effect of pipe’s width on magnetic field of pipe center圖8 管道寬度對(duì)管道中心磁場(chǎng)的影響

Fig.9 Debris signal generated by induction coil圖9 感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磨粒特征信號(hào)

由于扁平管道的尺寸較大，且傳感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有較高的梯度，所以磨粒以相對(duì)于管道中心的不同位置通過(guò)傳感器時(shí)可能會(huì)對(duì)磨粒信號(hào)產(chǎn)生影響.如圖12所示，磨粒在xy平面上以不同的y軸位置通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)磨粒信號(hào)的峰-峰值影響很小，這也驗(yàn)證了傳感器的磁場(chǎng)沿y軸分布比較均勻.圖13所示為磨粒在xz平面上以不同的z軸位置通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)磨粒信號(hào)的影響，磨粒信號(hào)峰-峰值變化規(guī)律基本關(guān)于z=0對(duì)稱(chēng)，且磨粒與管壁的距離越小，磨粒信號(hào)越強(qiáng).

Fig.10 The effect of excitation current on wear debris signal圖10 激勵(lì)電流對(duì)磨粒信號(hào)的影響

Fig.11 The effect of velocity on debris signal圖11 磨粒運(yùn)動(dòng)速度對(duì)磨粒信號(hào)的影響

Fig.12 The effect of they-axis position on debris signal 圖12 磨粒的y 軸位置對(duì)磨粒信號(hào)的影響

3 油液磨粒檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

Fig.13 The effect of the z-axis position on debris signal圖13 磨粒的z 軸位置對(duì)磨粒信號(hào)的影響

制作扁平管道等效內(nèi)徑為28 mm的磨粒傳感器，感應(yīng)線(xiàn)圈的匝數(shù)為5 000 匝，線(xiàn)徑為0.1 mm，長(zhǎng)度為40 mm；每個(gè)勵(lì)磁線(xiàn)圈的匝數(shù)為2 500 匝，線(xiàn)徑為0.5 mm，長(zhǎng)度為60 mm，銅線(xiàn)表面鍍有1層厚度為10 μm的絕緣漆；扁平管道寬度為60 mm，內(nèi)側(cè)高度為14 mm，壁厚為1 mm.試驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示，試驗(yàn)裝置主要由磨粒傳感器、油泵、油箱、恒流電源、前置放大器和示波器組成.為避免引入交流電源噪聲，前置放大器采用9 V鋰電池供電.

Fig.14 Experimental equipment 圖14 試驗(yàn)裝置

3.2 單顆磨粒檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)了單顆磨粒檢測(cè)試驗(yàn)，選用較大尺寸的磨粒進(jìn)行試驗(yàn)以獲得清晰的試驗(yàn)結(jié)果.設(shè)置激勵(lì)電流為0.3 A，增益倍數(shù)為30，分別使400和600 μm的單顆磨粒通過(guò)傳感器，感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磨粒信號(hào)如圖15所示.磨粒信號(hào)特征與仿真結(jié)果一致，類(lèi)似于1個(gè)周期的正弦脈沖信號(hào).此外，400 μm的磨粒信號(hào)峰-峰值約為60.4 mV，而600 μm的磨粒信號(hào)峰-峰值約為82.6 mV.由此可見(jiàn)，磨粒尺寸越大，磨粒信號(hào)的峰-峰值越大.

圖16所示為單顆600 μm的磨粒以不同的運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)傳感器時(shí)，感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓.當(dāng)磨粒的運(yùn)動(dòng)速度為0.18 m/s時(shí)，磨粒信號(hào)的峰-峰值約為95.2 mV，而磨粒運(yùn)動(dòng)速度為0.31 m/s時(shí)，磨粒信號(hào)的峰-峰值約為132.5 mV，磨粒信號(hào)峰-峰值隨著磨粒運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大.此外，磨粒信號(hào)的脈沖寬度隨磨粒運(yùn)動(dòng)速度的增大而減小.

3.3 小磨粒檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)置激勵(lì)電流為0.5 A，增益倍數(shù)為525倍，油液中不含磨粒時(shí)，感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓如圖17(a)所示，噪聲信號(hào)約為5 mV.由圖17(b)可知，向傳感器通入拌有25 μm鐵磁性磨粒的潤(rùn)滑油液，感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓含有明顯的磨粒信號(hào).

油液磨粒檢測(cè)試驗(yàn)表明，此傳感器能夠在等效內(nèi)徑為28 mm的管道內(nèi)成功檢測(cè)到25 μm的鐵磁性磨粒.

Fig.15 Debris signal caused by wear debris of different sizes圖15 不同粒度的磨粒產(chǎn)生的磨粒信號(hào)

Fig.16 Debris signal caused by wear debris at different moving speeds圖16 磨粒在不同的運(yùn)動(dòng)速度下產(chǎn)生的磨粒信號(hào)

Fig.17 The inductive voltage generated by the induction coil圖17 感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種雙激勵(lì)大口徑扁平流道感應(yīng)式磨粒傳感器，在雙激勵(lì)組件之間產(chǎn)生的較強(qiáng)對(duì)稱(chēng)梯度磁場(chǎng)中布置大口徑扁平狀檢測(cè)流道，使得傳感器兼具高通流能力與高靈敏度.首先，通過(guò)有限元仿真分析了傳感器的磁場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)雙激勵(lì)扁平管道結(jié)構(gòu)比單激勵(lì)圓形管道結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了200%左右.此外，增大扁平管道的高度使傳感器磁場(chǎng)衰減極快，而增大扁平管道的寬度使傳感器磁場(chǎng)衰減較慢，故可適當(dāng)增大L型磁極和扁平管道的寬度以滿(mǎn)足大流量的需求并保證傳感器靈敏度.有限元分析結(jié)果表明，磨粒信號(hào)峰-峰值隨激勵(lì)電流和磨粒運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大.當(dāng)磨粒以不同的y軸位置通過(guò)管道時(shí)，對(duì)磨粒信號(hào)峰-峰值影響很小；而磨粒以不同的z軸位置通過(guò)管道時(shí)，磨粒信號(hào)峰-峰值變化規(guī)律基本關(guān)于z=0對(duì)稱(chēng)，且磨粒與管壁的距離越小，磨粒信號(hào)越強(qiáng).最后，搭建了油液磨檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器可在等效內(nèi)徑為28 mm的大口徑扁平管道內(nèi)檢測(cè)到25 μm鐵磁性磨粒.因此，該傳感器同時(shí)具有靈敏度高和通流能力強(qiáng)等特點(diǎn)，未來(lái)可應(yīng)用于摩擦學(xué)表面的相關(guān)分析.