一種潤(rùn)滑油污染度檢測(cè)傳感器的仿真設(shè)計(jì)*

王志春，王增加

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

大量資料表明，摩擦和磨損是影響機(jī)械設(shè)備工作可靠性和使用壽命的主要原因。潤(rùn)滑油在機(jī)器設(shè)備的正常運(yùn)行中起著重要作用。磨粒是設(shè)備內(nèi)部摩擦副磨損的必然產(chǎn)物，也是油液污染的主要來(lái)源。有效地檢測(cè)油液中的磨粒含量對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行有重要意義。由于電容式傳感器溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)作響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)，特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題［1］。本文提出利用一種雙螺旋電容傳感器，檢測(cè)潤(rùn)滑油中的金屬磨粒含量，從而達(dá)到檢測(cè)潤(rùn)滑油劣化程度，有效地更換油液。雙螺旋結(jié)構(gòu)具有均勻的磁場(chǎng)分布［2，3］，本文將利用仿真來(lái)確定潤(rùn)滑油劣化度與介電常數(shù)之間的關(guān)系。

目前，國(guó)內(nèi)外潤(rùn)滑油在線檢測(cè)方法原理主要是檢測(cè)潤(rùn)滑油中機(jī)械雜質(zhì)和水分含量，一般認(rèn)為，5 μm左右的微小顆粒的濃度是引起流體系統(tǒng)淤積和堵塞故障的主要因素;而大于15 μm的顆粒濃度對(duì)元件的污染磨損起著主導(dǎo)作用。在GB 511—1977潤(rùn)滑油雜質(zhì)極限標(biāo)準(zhǔn)中齒輪油機(jī)械雜質(zhì)大于0．5%，軸承油、液壓機(jī)油、汽輪機(jī)油機(jī)械雜質(zhì)大于0．1%，即達(dá)到極限報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。在仿真中，本文將根據(jù)體積分?jǐn)?shù)確定雜質(zhì)磨粒含量觀察潤(rùn)滑油介電常數(shù)的變化來(lái)確定介電常數(shù)與磨粒含量的關(guān)系。

1 常用油液監(jiān)測(cè)技術(shù)

鐵譜分析技術(shù)將磨損產(chǎn)物即磨粒進(jìn)行定性和定量地分析，是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。光譜分析是指用光譜分析的方法，鑒別油液中污染物和添加劑元素的成分和數(shù)量。在線油液監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)安裝在油液管路中的傳感器，利用光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等手段采集設(shè)備的潤(rùn)滑油或其他工作介質(zhì)的狀態(tài)信息，分析樣品所攜帶的設(shè)備摩擦副的磨損和污染物顆粒及污染指標(biāo)，定性和定量地描述設(shè)備的磨損狀態(tài)（包括部位、形式、程度），找出誘發(fā)因素，并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)外利用電介質(zhì)的介電常數(shù)來(lái)做油液監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)油液中的水分相對(duì)含量。凱維力科公司基于介電常數(shù)測(cè)量開(kāi)發(fā)了油品質(zhì)傳感器，對(duì)油品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)定量分析，對(duì)水分含量進(jìn)行半定量分析［5］。在國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑理論研究主要集中在油液鐵譜分析和磨粒成像方面，但從目前的國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況看，還面臨著諸多問(wèn)題有待解決和進(jìn)一步研究。

2 ANSYS電容分析原理與建模

采用CMATRIX的宏命令，這是一種電荷法的求解，即C=Q/V的方法，分別可以求得接地的自電容矩陣和集中的電容矩陣［6，7］。這個(gè)矩陣?yán)锩姘俗噪娙莺突ル娙荩梢郧蠼舛鄬?dǎo)體之間的關(guān)系。CMATRIX默認(rèn)了施加電勢(shì)為100 V，在近似的情況下可以將遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)定為地。

利用APDL語(yǔ)言建立傳感器模型。傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)半徑2．1 cm，外半徑3 cm，內(nèi)管壁厚度0．3 cm，外層屏蔽層厚0．2 cm。最外層屏蔽電極與螺旋電極之間屏蔽層厚0．2 cm。其中，Rh=2．4 cm為螺“片”內(nèi)半徑（cm）;H=20 cm為總長(zhǎng);dis=1 cm為極板寬度，rs=0．2 cm為旋片厚度（cm）。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)Fig 1 Sensor structure

內(nèi)管壁材料定義為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）介電常數(shù)范圍2．75～2．85，在仿真中取 2．8，電極與地之間的絕緣層采用環(huán)氧樹(shù)脂填充。取純凈潤(rùn)滑油相對(duì)介電常數(shù)2．5［8］，鐵磨粒作為一個(gè)組件處理，與雙電極、接地屏蔽層組成4個(gè)節(jié)點(diǎn)組建。圖2為除去外接地層之后的組件。

3 磨粒介電常數(shù)仿真分析

3．1 傳感器性能分析

圖2 傳感器導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)組件顯示圖Fig 2 Show map of sensor conductor node components

圖3 傳感器電位等值云圖Fig 3 Sensor potential nephogram

設(shè)計(jì)的傳感器容積πR2H=227cm3。以u(píng)MSKV單位制設(shè)定自由空間介電常數(shù)為8．854×10－6，算得充滿(mǎn)純凈的潤(rùn)滑油時(shí)電容量為0．189 70×102pF。電場(chǎng)分布如圖3，圖中可以看出電場(chǎng)電勢(shì)分布均勻，未出現(xiàn)電極電場(chǎng)混疊情況。不會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)的混疊影響檢測(cè)場(chǎng)的均勻性［9］。為檢測(cè)傳感器的靈敏度，進(jìn)行以下仿真實(shí)驗(yàn)，在充滿(mǎn)純凈潤(rùn)滑油的管道內(nèi)加入金屬磨粒半徑0．5 cm，利用APDL命令改變磨粒相對(duì)于中軸線的位置記錄電容量，金屬磨粒作為一個(gè)組件參與電容計(jì)算得出數(shù)據(jù)如表1，其充分說(shuō)明磨粒的相對(duì)位置分布對(duì)電容量影響不大，雙螺旋結(jié)構(gòu)具有均勻的靈敏場(chǎng)分布，對(duì)于導(dǎo)體介質(zhì)同樣適用。

表1 不同位置的電容值（pF）Tab 1 Capacitance in different position（pF）

由于磨粒的相對(duì)位置對(duì)電容的變化量影響很小，當(dāng)潤(rùn)滑油液被磨損顆粒污染后，其介電常數(shù)與電容傳感器電容值的變化與金屬微粒的體積呈正比［10］。仿真驗(yàn)證無(wú)論磨粒個(gè)數(shù)多少只要體積相同所引起的電容變化量就相同，所以，在后面仿真中把同一截面不同位置的磨粒歸一到Z軸的位置研究計(jì)算，將管道內(nèi)磨粒歸為一個(gè)整的體做成圓柱體組件，于是就有了圖2中間的導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)組件。

3．2 油液磨粒含量的與其電容值的關(guān)系

所建模型內(nèi)半徑21000 μm，將磨粒歸一為中間圓柱導(dǎo)體后，體積比πr2H/πR2H=r2/R2磨粒含量百分比即為磨粒半徑（r）與管道內(nèi)半徑（R）之比的平方。

取齒輪油密度9．3 ×10－7μg/μm3，純度90%的鐵磨粒密度4．78 ×10－6μg/μm3當(dāng)潤(rùn)滑油中磨粒雜質(zhì)含量達(dá)到0．5%時(shí)，即 π（R－r）2Hρ油/πr2Hρ鐵=0．5%，對(duì)應(yīng)該體積模型時(shí)磨粒內(nèi)徑r為631μm。計(jì)算得到部分仿真電容值如表2。

表2 不同百分含量電容值Tab 2 Capacitance value of different percentages

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)繪制圖4，可以看出潤(rùn)滑油中加入鐵粉磨粒導(dǎo)致電容值改變，電容變化量與鐵粉含量呈線性關(guān)系。參考文獻(xiàn)［11］中所述，由于鐵粉磨粒與潤(rùn)滑油介電常數(shù)相差不大所以改變不明顯，因此，對(duì)電容測(cè)量電路的精度要求較高。

圖4 磨粒含量與電容變化關(guān)系圖Fig 4 Relation diagram of wear particle content and capacitance variation

4 結(jié)束語(yǔ)

雙螺旋結(jié)構(gòu)電容式傳感器有均勻的電場(chǎng)分布，電容變化量與磨粒含量呈線性關(guān)系，而不受磨粒分布位置影響。潤(rùn)滑油中鐵粉磨粒含量的改變會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油介電常數(shù)的改變，潤(rùn)滑油中磨粒含量由0．1%變化到0．5%時(shí)該傳感器輸出電容值變化量約為2pF，根據(jù)GB 511—1977可評(píng)價(jià)出潤(rùn)滑油的磨粒污染度。此外，該傳感器還可以用于檢測(cè)潤(rùn)滑油中的水分污染，對(duì)潤(rùn)滑油的磨粒與水分污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。文中得出了電容變化量與磨粒含量的關(guān)系，通過(guò)這一變化趨勢(shì)可以設(shè)計(jì)后續(xù)監(jiān)測(cè)分析電路，檢測(cè)潤(rùn)滑油的劣化度。

［1］ 陳 杰，黃 鴻．傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］．1版．北京:高等教育出版社，2002:77－94．

［2］ 趙建福，胡文瑞．微重力兩相流相似準(zhǔn)則［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24（1）:131 －133．

［3］ Can I H，Joen C T，Illockxa W，et al．Horizontal two phase flow characterization for small diameter tubes with a capacitance sensor［J］．Measurement Science ＆ Technology，2007，18（9）:2898－2906．

［4］ 李學(xué)源，趙 祎．設(shè)備劣化的潤(rùn)滑油檢測(cè)［J］．中國(guó)設(shè)備工程，2006（增1）:97－98．

［5］ Gebarin S K，F(xiàn)itch J．Determining proper oil and filter change intervals:Can onboard automotive sensors help［J］．Practicing oil A-nalysis Magazine，2004，1:17 －23．

［6］ 孫明禮，胡仁喜．ANSYS10．0電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［7］ 龔曙光，謝桂蘭．ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［8］ 李文濤，張 瑞，王志春．基于螺旋式電極的兩相流相關(guān)流量測(cè)量研究［J］．工業(yè)計(jì)量 ，2011，21（4）:18 －21．

［9］ 葉佳敏，彭黎輝．小管徑管道氣液兩相流空隙率電容傳感器設(shè)計(jì)［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（6）:1207 －1212．

［10］張曉飛，溫熙森．基于介電常數(shù)測(cè)量的油液監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［D］．長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2008．

［11］王 雋，李 沈．柴油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油品質(zhì)分析模型的深入研究［D］．沈陽(yáng):東北大學(xué)，2008．