磨粒形态对滑油屑末监测器输出特性的影响

黄 炎， 马 静， 张梅菊， 刘德峰， 王立清

(1.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111; 2.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 101111)

润滑油普遍应用于大型旋转机械设备中，为了对设备健康状态进行实时在线监测，需要分析油液中磨粒的尺寸、数量、种类和增长速率等，从而判断机械设备的使用情况，并可以对其寿命进行预判[1-2]。

目前，油液在线监测技术主要包括电磁法、静电法、超声波检测法和光散射法[3-6]等。国外，加拿大Gastops公司研制出MetalSCAN滑油颗粒监测传感器，是目前应用最为广泛的大型旋转部件在线颗粒监测传感器产品，其安装在滑油系统回油路上，有多种不同型号。传感器探头内由3组线圈组成:两个线圈反向绕制，由交流电源驱动，形成激励线圈，它们各自产生的磁场方向相反，在两个线圈之间的中点相互抵消，位于传感器探头中部的感应线圈用于感应金属颗粒通过激励线圈时造成的磁场扰动，磁通量的变化被转换为电压值，用于确定颗粒的尺寸；而相位的变化用于确定颗粒性质(铁磁性或非铁磁性)。

目前，许多学者通过颗粒数量的统计与分析等方法确定监测对象磨损状态和故障预测[7-13]。本团队目前研制出12 mm、12.7 mm、18 mm、20 mm管径的发动机在线颗粒监测传感器产品，可实现100 μm以上铁磁性微颗粒、450 μm以上非铁磁性微颗粒在线测试。上述产品可耐受最高180 ℃介质温度和170 ℃探头环境温度，并且通过温度、振动、电磁兼容性等多项环境适应性试验验证。同时，在研发过程中发现颗粒形态对传感器输出有较大影响。本文基于COMSOL建立了滑油屑末传感器模型，分析平衡磁场下退磁因子对不同圆柱磨粒和椭球磨粒磁化场的影响，并联合ANSYS Maxwell仿真和试验研究不同圆柱颗粒经过传感器时的输出特性，为滑油屑末监测器进一步提高精度提供参考依据。

1 滑油在线屑末监测器工作原理

滑油在线屑末监测器由传感器和数据处理单元组成如图1所示，能够实时监测滑油中金属磨粒性质、数目、大小等参数，根据输出信号的不同反映出发动机部件磨损情况，并提供给上位机。传感器安装在滑油系统油路上，能够实时监测油路中一定尺寸范围内金属屑末通过时产生的特征信号，特征信号包含能够区分铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末信息、屑末数量信息和屑末尺寸、换算质量或体积信息。特征信号能够由配套的信号传输电缆传输，并由数据处理单元处理分析得出金属屑末性质、数量、尺寸等重要参数。

图1 滑油在线屑末监测器

2 不规则磨粒输出特性分析

2.1 不同形态磨粒退磁因子理论

当金属颗粒在磁场H0中被磁化后，其两端出现正、负磁场，所产生的磁荷会在颗粒内产生附加磁场Hd，其方向与H0方向相反，故颗粒内部的磁场强度为

H=H0-Hd

(1)

其中附加磁场Hd与颗粒形态与磁化强度有关，当磁化强度为定值时，附加磁场Hd只与颗粒形态有关,附加磁场Hd表达式为

Hd=-NdM

(2)

式中，M为磁化强度;Nd为退磁因子。

圆柱磨粒在外部均匀磁场中磁化是不均匀的，受到退磁因子的影响，磁化强度是一个位置函数。设圆柱磨粒长度为L，半径为r，轴线上任意一点到底面圆心的距离为z，定义

(3)

圆柱磨粒轴线的退磁因子为

(4)

椭球磨粒在外部均匀磁场中磁化也是不均匀的，设椭球的方程为

(5)

令椭球轴长a、b、c之比为

(6)

同时，设椭球为以y轴为对称轴的旋转椭球，即n=m。

椭球磨粒退磁因子为

(7)

2.2 磨粒磁化场分析

根据退磁因子理论，不同形态磨粒退磁因子不同。首先建立滑油屑末传感器磁场微平衡系统，分析铁磁性颗粒经过微平衡磁场时颗粒内部和外部磁场变化。

基于COMSOL有限元软件，分析不同铁磁性球颗粒、椭球颗粒和圆柱颗粒内部磁感应强度分布以及表面磁感应分布。滑油屑末监测传感器微平衡系统由1个反馈线圈和2个激励线圈组成，激励线圈相互反接，激励电压为15 V，激励频率为95 kHz。激励线圈和反馈线圈都采用0.1 mm漆包线进行缠绕，激励线圈匝数为80匝，反馈线圈匝数为80匝，线圈内径为14 mm，根据磨粒轴向位置与输出电压的关系，即当磨粒沿传感器中心轴线运动经过激励线圈时，颗粒在离开激励线圈时，传感器的输出电压最大，为此将直径为400 μm铁磁性颗粒置于激励线圈与反馈线圈之间，在95 kHz磁场中磁化模型如图2所示。

图2 铁磁性颗粒磁化云图

从图2(a)可以看出，当颗粒经过平衡磁场时，铁磁性颗粒被磁化，颗粒内外磁感应强度发生变化，从而打破滑油屑末传感器微平衡磁场，引起磁通量的变化。由于磁化效应使铁磁性颗粒内部磁感应强度增加，同时受到退磁场的影响，颗粒外部磁感应强度减小。

同时，用有限元分析软件分析了受退磁场影响不同颗粒形态的磁场分布情况，分析过程中保持铁磁性颗粒等效体积不变，不同磨粒形态参数如表1所示。设圆柱颗粒长轴L和椭球颗粒长轴a平行于线圈轴线，一条直线位于反馈线圈和激励线圈中轴线，该直线经过磨粒；另一条直线平行于反馈线圈和激励线圈中轴线并与磨粒相切，如图2(b)所示。根据表1颗粒几何参数进行计算，分别求出两条直线上的磁场强度大小。

通过COMSOL平台建立模型，得到圆柱磨粒有限元分析结果如图3和图4所示，从图3圆柱磨粒轴线磁感应强度分布图中可以看出，单一磨粒中心处磁感应强度最大，随着与中心点距离增加磁感应强度衰减。圆柱磨粒长径比不同时，随着长径比增加，磁感应强度增加。从图4圆柱磨粒切线磁感应强度分布图中可以看出，磁感应强度随着空间位置变化而改变，在切点处最小。

表1 磨粒形态几何参数

图3 圆柱磨粒轴线磁感应强度

图4 圆柱磨粒切线磁感应强度

椭球磨粒有限元分析结果如图5和图6所示，从图5椭球磨粒轴线磁感应强度分布图中可以看出，单一磨粒内部磁感应强度为定值。不同长径比椭球磨粒时，随着长径比增加，磁感应强度增加。从图6椭球磨粒切线磁感应强度分布图中可以看出，磁感应强度随着空间位置变化而改变，在切点处最小。

图5 椭球磨粒轴线磁感应强度

图6 椭球磨粒切线磁感应强度

2.3 传感器输出特性分析

当磨粒形态改变时，退磁因子不同，从而引起滑油屑末传感器内部磁感应强度改变，根据滑油屑末传感器工作原理，磨粒形态改变时会使传感器输出特性改变，为此需要研究不同形态颗粒经过传感器时输出特性。基于 ANSYS Maxwell 二维瞬态求解器计算等效直径400 μm不同形态圆柱颗粒的滑油屑末传感器输出特性，详细记录如表2和图7所示。

表2 不同形态颗粒经过传感器时输出特性分析表

图7 不同长径比传感器输出特性(等效直径400 μm)

通过表2和图7可以看出，颗粒形状为球形、直径为400 μm时，传感器输出电压幅值为18.03 μV，进行同体积换算，长径比1∶1时，传感器输出电压幅值为16.11 μV，幅值有所下降，但随着颗粒长径比增加，传感器输出电压幅值增加；随着颗粒长径比减小，传感器输出电压幅值减小。

另外，计算等效直径600 μm不同形态圆柱颗粒的滑油屑末传感器输出特性，分析结果如表3和图8所示。

表3 不同形态圆柱颗粒的滑油屑末传感器输出特性分析表

图8 不同长径比传感器输出特性(等效直径600 μm)

通过表3和图8可以看出，颗粒形状为球形、直径为600 μm时，传感器输出电压幅值为40.11 μV，进行同体积换算，长径比1∶1时，传感器输出电压幅值为38.15 μV，幅值有所下降，但随着颗粒长径比增加，传感器输出电压幅值增加；随着颗粒长径比减小，传感器输出电压幅值减小。

3 试验研究

3.1 试验装置

图9为滑油屑末监测器系统图，滑油屑末监测器包括传感器和数据处理单元。数据处理单元主要由电源电路板、信号处理电路板和机箱组成，可针对检测到的微弱电信号进行信号调理、运算放大、数据采集等。稳压电源作为激励源为信号处理单元提供28 V电压。

图9 滑油屑末监测器系统

3.2 试验结果

本试验对等效直径为400 μm镍丝(纯度99.99%)、不同长径比圆柱颗粒进行测试，直径分别为200,300,400 μm，长径比分别为5.33，0.67，1.57。详细试验相关颗粒参数如表4所示。

表4 圆柱形颗粒试验参数

通过信号采集系统得到长径比分别为5.33，0.67，1.57时信号幅值，并进行归一化处理，与仿真模拟数据做对比分析，结果如图10所示。

从图10中可以看出，试验结果与模拟结果基本吻合，随着长径比增加，传感器输出信号幅值增加，说明了当体积相同时颗粒形态的改变会影响传感器输出特性。

图10 不同长径比圆柱颗粒传感器输出特性

4 结束语

本文基于有限元分析方法，建立颗粒磁化场分析模型和传感器输出特性模型，研究了不同长径比圆柱磨粒磁化场和传感器输出特性，同时，搭建试验系统进行测试，得到以下结论：在同一外界条件下，磁化场受颗粒形态影响，圆柱颗粒内部磁场强度随着位置变化而变化，椭球颗粒内部磁场强度为定值；圆柱颗粒和椭球颗粒外部磁场在切点处最小，随着与切点距离的增加，磁感应强度先增加后减小。相同体积磨粒，长径比越大，传感器输出信号幅值越大。