一种新型在线式铁谱仪的静磁场设计与应用*

黄文杰，左洪福，王瑞凯

(1.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京210016;2.淮阴工学院 交通学院，江苏 淮安223003)

0 引 言

由于航空发动机关键部件的摩擦副工作在润滑油路中且在润滑油路中利用磁场便于收集磨粒，因此，磁场在航空发动机的故障诊断和状态监测中有着广泛的应用。以滑油中的磨粒监测为例，早期的监测设备以离线为主，如DMAS智能化铁谱分析仪［1］、OLF-4 铁谱仪［2］等。随着监测技术的发展，一批具有代表性在线全流量监测传感器应运而生，其中，应用最广泛的是加拿大GOSTOP 公司生产的Metal－SCAN 油液磨损金属监测传感器，它能够全液流在线监测铁磁颗粒［3］。由于稀土永磁材料的加工水平与工艺不断提高，合理设计的静磁体可以产生各种强度和分布的磁场，并且具有无能耗、体积小、成本低、控制方便、工作可靠等优点，尤其是环形磁体，因其便于在油路中安装，易于产生均匀分布的磁场，在滑油磨粒监测方面具有广泛的应用前景，而静磁体应用的关键是对静磁体磁场分布的设计，在国内，运用磁荷模型［4］、分子电流模型［5］给出了矩形静磁场分布的解析表达式;在国外，在采用椭圆积分的基础上［6］，或运用磁荷模型对弧形静磁场进行研究［7］，或采用半解析方法计算环形静磁场分布［8］，并采用该方法对使用永磁体的装置进行优化［9］。

在借鉴国内外学者研究成果的基础上，本文以在线式全流量可视铁谱仪为背景，引入广义二项式定理对静磁场的磁路进行设计，并对同心双环嵌套磁体的磁场分布进行解析计算，通过对比磁感应强度的理论值和实际测量值，发现解析表达式很好地反映了静磁场的磁感应强度分布规律。在此基础上，将所设计的静磁场应用到某新型涡喷航空发动机性能监测中，对监测到的磨粒进行了分析。

1 静磁场磁路设计

磁体采用型号为N35 烧结钕铁硼永磁材料，其性能参数:剩磁 Br 为 1 170 ～ 1 220 mT，矫顽力(HCB)不小于868 kA/m，内禀矫顽力(HCJ)不小于955 kA/m，磁能积(BH)最大为263 ～287 kJ/m3。采用轴向充磁，双环异极嵌套安装的方式，双环间隙用不导磁材料做成的圆环作为衬套。

图1 所示为均匀截面轴对称圆环形磁体，其长度为a，内径为2d，外径为2D，取z 轴为磁体的对称轴，磁体中心为坐标原点。根据磁荷模型［10］与高斯定律［11］，得

其中，φm为磁标量势，ρm为磁荷分布密度，μ0为真空磁导率。令原点磁标量势φm(0，0，0)=0，则退磁场强度

图1 同心圆环形磁体Fig 1 Magnetic concentric ring

积分区域为封闭的磁体表面 S。采用圆柱坐标系，式(3)可分别改写为

式(4)和式(5)可用来描述磁体内外的场分布。但是，由于存在不可积因子，使得计算空间确定点的磁感应强度很困难，而本文在求解过程中利用广义二项式定理［12］，将不可积因子转变为可积因子，从而简化了计算，本文以单个磁圆环的径向磁感应强度计算为例说明其计算过程，由式(4)计算得

式(7)为单个磁圆环在空间任一点的径向磁感应强度。同理，可得单个磁圆环产生的轴向磁感应强度。

根据矢量叠加原理，同心双环嵌套磁场所产生的径向磁感应强度HTmr(r0，z0)与轴向磁感应强度HTmz(r0，z0)分别为内外环形磁场产生的径向磁感应强度Himr(r0，z0)，Homr(r0，z0)与轴向磁感应强度 Himz(r0，z0)，Homz(r0，z0)的叠加，而总的磁感应强度HT(r0，z0)则等于径向磁感应强度HTmr(r0，z0)与轴向磁感应强度HTmz(r0，z0)的矢量和，即

2 计算结果分析

为了验证建立的静磁场磁感应强度解析表达式的正确性，使用 Matlab［13］并利用三维高精度数字式特斯拉计对3 种磁体沿径向和轴向的磁场分量进行了测量，通过对比理论值、测量值并结合场强分布图，对解析表达式进行分析。

同心双环嵌套磁体尺寸规格为:里圆环的内径和外径分别为18，24 mm，外圆环的内径和外径分别为36，58 mm，轴向厚度为7.5 mm。利用同心双环嵌套磁体的解析表达式计算距离永磁环上(或下)表面一定距离处的磁场分布，选取高度为2 mm 进行计算。相应的，在此高度上用三维特斯拉计对磁感应强度进行多点测试。径向和轴向磁场分量的测量结果和计算结果如图2 所示。

图2 同心双环嵌套磁体磁感应强度分布Fig 2 Magnetic induction distribution of concentric nested magnetic flux density

图2 中，曲线1 表示磁体的磁感应强度理论值，曲线2表示磁体的磁感应强度测量值，曲线3 表示磁体的径向磁感应强度测量值，曲线4 表示磁体的径向磁感应强度理论值，曲线5 表示磁体的轴向磁感应强度理论值，曲线6 表示磁体的轴向磁感应强度测量值。由图3 所示，在原点处轴向磁感应强度最大，然后逐渐减弱，在内圆环外边缘处减少到最小，即约21 mm 处，而径向磁感应强度则由于嵌套的原因在17 mm 处由0 变至最大，而后逐渐减小，在24 mm 处达到最小。

3 监测实验研究

将所设计的磁体放入在线式全流量扫描铁谱仪的铁磁磨粒收集器中，并把在线式全流量扫描铁谱仪放置在图3所示的实验系统中。由图3 可知，润滑油从油箱中被泵出后进入航空发动机然后再进入在线式全流量可视铁谱仪的铁磁磨粒收集器。在铁磁磨粒收集器中有观测区，环形嵌套磁体所产生的磁场覆盖该区域，当一次监测完成时，在线式全流量可视铁谱仪的收集器清洗机构开始工作，清除观测区沉积的铁磁磨粒，以待下一次监测。

实验时，采用长城4 010 号合成航空润滑油，润滑油流速为1.376 m/s，被监测航空发动机为某新型涡喷发动机，监测时间为每16 h 为一时间段。采用南京航空航天大学航空安全与保障技术研究所研制的改进型DMAS II 对第5时间段采集的图像进行分析，分析结果如表1 所示。统计结果表明:在第5 时间段中共收集到22 颗磨粒，绝大多数磨粒尺寸小于10～15 μm，属于正常磨损［14］。虽然有严重滑动产生的磨粒和切削磨粒，但是数量很少，这说明该航空发动机处于磨合期，产生少量的此类磨粒是正常的，而且这与该新型发动机的实际情况是相符合的。

图3 油液在线监测实验系统Fig 3 Experimental system for online oil monitoring

4 结 论

1)对新型的在线式全流量扫描铁谱仪的静磁场磁路进行了设计。试验证明:该静磁场能够在高流速下吸附铁磁性磨粒。

2)采用广义二项式定理对静磁场的磁感应强度进行了解析计算。仿真结果表明:解析表达式具有较高的计算精度。

3)进行了某新型涡喷发动机的试验监测研究，监测结果与发动机的实际情况相符合。

表1 磨粒统计结果Tab 1 Statistical results of debris

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