旋轉機械油路磨粒傳感器的設計及仿真研究

張 平,潘兆馬,余細雨,鄧雪峰,羅仁澤*

(1.西南石油大學電氣信息學院,成都 610500;2.電子科技大學自動化工程學院,成都 611731;3.重慶大學自動化學院,重慶 400044)

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旋轉機械油路磨粒傳感器的設計及仿真研究

張 平1,潘兆馬2,余細雨3,鄧雪峰1,羅仁澤1*

(1.西南石油大學電氣信息學院,成都 610500;2.電子科技大學自動化工程學院,成都 611731;3.重慶大學自動化學院,重慶 400044)

設計一種應用于旋轉機械油路檢測系統的在線式油路磨粒傳感器,其性能直接影響油路檢測系統的監測結果。重點對傳感器檢測原理和結構特性等進行定性分析,根據電磁場原理和畢奧-薩伐爾定律等電磁學理論,推導并建立平衡線圈磁場分布數學模型以及傳感器輸出模型,研究影響傳感器輸出和磁場分布的幾大因數,最后利用電磁場仿真軟件對傳感器平衡結構線圈的磁場分布進行仿真,為傳感器的設計、優化改進提供了重要的理論依據。

旋轉機械;磨粒傳感器;數學模型;仿真分析

旋轉機械潤滑油路系統中的油中包含機械運動部件摩擦、切削或磨損所產生的磨粒顆粒,這些微小顆粒承載著反應設備狀態的大量信息。通過對這些磨粒信息分析,有助于了解旋轉機械運行狀態,同時發現潛在故障并對故障做出預見性診斷[1]。

目前主要采用潤滑油液檢測分析技術對旋轉機械設備磨損檢測和診斷,相應的檢測傳感器以及配套裝置有光學型,如美國貝爾德公司開發的MOA型光譜儀,但只適用于尺寸小于10 μm的油液磨粒檢測[2];美國US Naval Research Laboratory和日本Fukui大學研究人員研制的激光磨粒檢測器。電磁型如加拿大GasTops公司開發的MetalScan系列傳感器[3];能量型如英國的Fulmer Systems公司開發的一款直接裝在潤滑油路中的在線式磨粒檢測裝置[4]。

國內在傳感器和磨粒檢測技術方面取得一定成果,但大多集中于離線式檢測方面,如杭州軸承試驗中心開發的旋轉鐵譜儀、海軍工程大學研發的超生波磨粒檢測傳感器、武漢理工大學開發的感應式在線監測傳感器等,目前還未有應用于實踐的成熟技術,鑒于我國在油路磨粒檢測方面的現狀,本文在文獻[5-6]的基礎上,基于電磁感應原理,針對旋轉機械油液中尺寸較大的金屬磨粒(直徑大于300 μm)分析,設計了一種三線圈結構在線油路檢測傳感器,對傳感器參數以及電磁特性等進行設計和分析,為后續傳感器的優化以及檢測系統性能的提高提供理論支持。

1 檢測系統原理與傳感器設計

1.1 磨粒檢測系統

如圖1所示,油路磨粒檢測系統主要由傳感器、信號檢測電路、信號放大與調理電路、激勵信號電路、同步解調邏輯控制電路、DSP處理電路以及上位機軟件檢測系統等組成。檢測系統的傳感器串聯到旋轉機械油路系統管路中,傳感器的激勵信號產生電路為激勵線圈提供兩路具有較高分辨率的激勵信號。同步解調邏輯控制電路一方面分別調節兩路激勵信號使傳感器的檢測線圈在沒有磨粒通過時輸出信號為零,達到磁場平衡狀態。當油液中的磨粒通過傳感器時,根據電磁感應原理,傳感器的檢測線圈中將產生并輸出一組磨粒特征信號[7],該信號通過信號放大與調理電路傳入DSP處理電路,在信號放大與調理的同時需要同步解調邏輯控制電路解調調制的磨粒特征信號,DSP對磨粒信號進行濾波、分析和提取,最終將分析結果傳入上位機檢測系統。油路磨粒傳感器作為該檢測系統的核心器件,對系統性能起決定性作用。

圖1 油路磨粒檢測系統總體結構框圖

1.2 傳感器原理設計

傳感器應用于旋轉機械油路檢測,可測出油液中的鐵磁顆粒與抗磁顆粒;可以確定磨粒的尺寸、分布、數量等信息。傳感器具有較為穩定的信號輸出,較高的可靠性和靈敏度。

1.2.1 工作原理

根據在線油路磨粒傳感器的電磁學理論,在兩側的激勵線圈中加入頻率固定并且相位與幅度可調的交流信號Ui=Umcos(wt)。

在理想情況下,油路中無磨粒通過時,檢測線圈處的交變磁場相互抵消,檢測線圈的磁通變化率為零,傳感器輸出為零。在實際工況中,由于傳感器加工制造工藝、幅度相位的分辨率等因數影響,檢測線圈處的交變磁場不可能完全抵消,會產生一個與激勵信號同頻,大小與方向隨之周期性變化的載波信號Uo=Uomcos(wt)。

當油路中有磨粒通過傳感器,磨粒進入一側的激勵線圈,由于磨粒磁化產生額外磁場,引起檢測線圈處的磁通量發生變化形成感生電動勢;當磨粒進入另一側的激勵線圈時,檢測線圈處會產生一個與之前相反的感生電動勢。兩次感應電動勢就會合成一個與正弦波類似的信號Us=Usmcos(Wsmt),即磨粒特征信號。將磨粒特征信號通過調幅調制的方式調制在載波信號上,即構成輸出信號:

Uw=Uom[1+macos(wsmt)]cos(wt)

(1)

式中ma為調制系數,特征信號經過調制后,抗干擾性能得到極大提高,這也是將激勵信號設置為交流的原因。

圖2 傳感器剖面結構圖

1.2.2 結構特性

通過1.2.1節有關傳感器原理的介紹,了解了傳感器的工作原理。傳感器的具體結構如圖2所示,傳感器支架是一種三線槽空心桶結構,由磁惰性材料組成,避免磁場能量傳遞至傳感器支架。線圈繞制于凹線槽內,兩組激勵線圈分布于兩端且串聯繞制,激勵線圈繞制方向既可相同也可反向。理想情況,當繞向相同,根據右手螺旋定則,只需調節兩路激勵信號的幅度一致,相位差180°即可以使兩組激勵線圈產生的交變磁場在檢測線圈處抵消,使檢測線圈處的磁場強度為零。當反向繞制,相位差0°,同樣可使檢測線圈處磁場強度為零。中間的檢測線圈獨立繞制。三組線圈之間通過支架隔離,油路系統的潤滑油通過支架內部的空心管流通。基于傳感器的電磁敏感性,在繞制好線圈的支架外部加上封閉性較好的屏蔽盒,能夠起到電磁屏蔽的作用,繞制線圈的接線通過屏蔽盒上的航空抽頭引出,分別與相應的外部電路連接,有效防止外部電磁信號對傳感器的輸出信號造成干擾。

1.2.3 定性分析

①鐵磁質磨粒與抗鐵磁質磨粒產生的附加磁場方向相反,輸出信號也相反。

由電磁學知識可知,不同種類狀態的介質擁有不同的相對磁導率μr[6],對原有磁場的影響也不同。當在外磁場作用下,順磁質分子的固有磁矩沿磁場方向,而抗磁質分子產生感應磁矩方向與磁場反向。

假設傳感器中的磁通量為正值,鐵磁質磨粒和抗磁質磨粒分別流過傳感器時,它們產生的感應電動勢方向相反,同時輸出信號相反,由此,可區分鐵磁質、抗磁質磨粒[8]。

②磁介質磨粒的大與輸出信號的幅值具有一定的關系。

在傳感器幾何尺寸一定的情況下,磨粒的相對磁導率、半徑與電感的變化量成正相關,即輸出的信號幅值與磨粒大小成比例關系,由文獻[9]的關相關性實驗可以得到驗證。

圖3 多匝激勵線圈磁場三維坐標圖

2 傳感器線圈數學模型的建立與仿真

2.1 激勵線圈數學模型建立

對多匝的激勵線圈,構建觀察點位于軸線上的磁場分布數學模型,多匝的激勵線圈三維模型如圖3所示。選取激勵線圈上交變電流不為零時刻,觀察線圈中心軸線上的磁場分布。已知線圈寬V,線圈厚N,若使線圈直徑為1,則線圈每層為V匝且層數為N,線圈內半徑r,在線圈軸線Z方向選取一個考察點P,該點到線圈左右兩端平面的距離分別為L、z。同時選取某一匝線圈在某一時刻的電流元Idl,該電流元到觀測點P的距離為K,在P點處的磁場沿Z軸方向分量為dBZ。

電磁學理論分析可得,圖中任取的單匝線圈作用在觀察點P處磁感應強度應為:

(2)

式中:μ0=4π×10-7(N·s2/C2),叫做真空磁導率,而對于整個多匝線圈,其作用于觀察點的磁感應強度為多個單匝線圈的集合即是對式(2)的二重積分:

(3)

當考察點P′位于線圈幾何中心處,考察點到線圈左右平面距離為V/2,由于線圈對稱性,根據畢奧-薩伐爾定律,則P′點處磁感應強度BP′為:

(4)

分析考察點P′處磁場的磁感應強度BP′,將式(4)分別對z、rx、N及V求導可知:

①B0(Z)<0,B0(rx)<0。當線圈電流I和線圈匝數不變,點P到線圈端面的距離L越和線圈半徑r越小,則P處的磁感應強度B0越強;當考察點位于點P′時,線圈半徑越小,P′處磁感應強度BP′越強。線圈磁場的磁感應強度在線圈軸線越靠近線圈,磁感應強度越大。

當觀察點位于激勵線圈外任意位置時,考察其磁場分布。利用畢奧-薩戈爾定律推導出單匝載流線圈全空間磁場的分布,單匝線圈在P點的產生的磁場的磁感應強度為:

(5)

多匝層疊線圈在考察點P處的磁場磁感應強度為式(5)的二重積分。線圈在周圍空間中產生的磁場是非均勻的[10],此外,當線圈的軸向寬度V與線圈的內直徑2r之比(V/2r)<5時,線圈所圍圓柱內部磁場也是非均勻的[11]。磁感應強度隨考察點位置不同而發生變化,同時也隨線圈參數(線圈的軸向寬度V,徑向厚度N,阻抗,電流強度I)的變化而變化。

2.2平衡線圈結構磁場分布及磨粒信號生成數學模型

2.2.1 當無磨粒通過線圈

當沒有磨粒通過傳感器時,由1.2.1節知識可知,傳感器磁場處于平衡狀態,可得檢測線圈上的感應電動勢為:

(6)

2.2.2 當磨粒通過激勵線圈

磨粒首先通過激勵線圈1時,磨粒被磁化,在其內部形成退磁場,而退磁場將削弱磨粒所在位置處原磁場強度[12]。磨粒自身的磁感應強度Bi可表示為:

(7)

真空區域的磁感應強度Bo應為:

B0=H0·u0

(8)

而磨粒所處位置總的磁感應強度B:

(9)

上述公式中1+χm=μr:磨粒的相對磁導率;M:磨粒磁化強度;N′:退磁因子;H0:激勵線圈產生的磁場強度。

進一步得到檢測線圈輸出的感應電動勢E:

(10)

式中:ΔΨd:檢測線圈磁通鏈變化量;Kid·Bi:檢測線圈處磁場增量;Ex:感應信號載波;ΔEd:載波Ex的變化量,Ex由兩個激勵線圈產生磁場的抵消程度決定,ΔEd對應磨粒特征信號,其大小由相對磁導率μr、磁化強度M、磨粒大小以及衰減系數Kid決定。

當磨粒通過另一側的激勵線圈2,其分析過程與激勵線圈1類似,但其輸出的感應電動勢與激勵線圈1相反。

2.2.3 磨粒徑向分布與感應電動勢之間的關系

對于磨粒在激勵線圈中的徑向分布與檢測線圈產生的感應電動勢之間的關系,通過2.1節對激勵線圈的分析可知,在靠近激勵線圈內壁時,磁感應強度較強,而中心軸線處,磁感應強度較弱[13]。設激勵線圈中心軸線處磁場強度為H0,對應的磁感應強度為B0=μ0H0,激勵線圈內壁附近的磁場強度比中心軸線處大ΔHb,對應的磁感應強度為Bb=μ0(H0+ΔHb)=B0+ΔBb,將其帶入(7)式可分別得到磨粒通過激勵線圈中心軸線處和內壁處磁化后自身的磁感應強度Bio、Bib:

(11)

將(11)兩式帶入(9),得出磨粒通過激勵線圈中心軸線和線圈內壁處,輸出的感應信號為E1、E2:

(12)

其中Si為線圈截面。

圖4 平衡線圈結構模型

3 平衡線圈結構電磁場計算機仿真

利用Ansoft Maxwll電磁場仿真軟件對傳感器的平衡結構線圈的磁場分布進行仿真。根據2.2節磁場分布數學模型,使用三維瞬態場求解器對線圈進行分析,建立傳感器線圈和求解域的3D模型如圖4所示。設置兩激勵線圈與檢測線圈之間間隔15 mm,材質為銅,繞線軸向寬度6 mm,內直徑22 mm,徑向高度8 mm,每匝線的線徑0.13 mm,線圈的匝數為570匝。設置激勵線圈上的激勵信號最佳工作頻率1.4 kHz,激勵信號峰—峰值8 V,初始電流為零。線圈直流電阻為30 Ω,電感值為1 mH,對線圈和求解域進行網格剖分。

在圖5中選取電流強度為峰值時m1和電流強度為零時m2兩個時間點作為線圈瞬態磁場的考察時刻,如圖5所示。最終得到的仿真結果如表1所示。

圖5 激勵信號電流波形圖

表1 平衡線圈磁場分布計算機仿真結果

根據仿真結果可知,線圈在周圍空間產生的磁場的磁感應強度是非均勻分布的,與2.1節的有關模型分析一致。此外,由于線圈的軸向寬度(6mm)與內直徑(22mm)之比小于5,因此線圈所圍圓柱內部磁場的磁感應強度也是非均勻,靠近線圈顏色偏紅的區域磁感應強度較大,而線圈中心處顏色偏藍磁感應強度較小。而且磁感應強度B的大小與線圈電流強度I成正比,當線圈電流為峰值時,磁感應強度B較大,線圈電流趨近于零時,磁感應強度也衰減到較小的值。激勵線圈靠近外側的地方磁場較強,因為兩激勵線圈的磁場方向相反,因此,當激勵線圈磁場大小相等時,在檢測線圈端面處,磁場一直處于抵消狀態,磁感應強度較弱。

4 結論

設計應用于旋轉機械的在線式油路磨粒檢測系統,重點對檢測系統起關鍵作用的傳感器進行設計,利用電磁場原理、畢奧-薩伐爾定律等理論,建立的平衡線圈電磁場分布數學模型以及傳感器輸出模型有效表征傳感器性能特點,最后利用軟件對傳感器平衡線圈磁場進行計算機仿真。從中分析得出,設計的傳感器可以有效檢測出油路系統中的抗磁質和順磁質磨粒;傳感器線圈內部磁場強度與線圈的層數、寬度以及到線圈距離等幾何參數具有對應關系;磨粒不同的徑向分布可以得到不同的輸出感應信號;傳感器輸出磨粒信號的幅值不僅與磨粒大小有關而且與相對磁導率、磨粒磁化強度、及衰減系數都有關系。以上的研究為傳感器的優化設計和改進提供重要的理論依據,為下一步研究奠定基礎,而以在線油路磨粒分析為基礎的檢測技術將會是旋轉機械故障診斷、預測的發展趨勢,其研究具有較為廣闊的前景。

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張 平(1989-),男,重慶市江津區人,西南石油大學儀器儀表工程專業研究生,研究方向為精密儀器與測試技術,ccapple997@foxmail.com;

潘兆馬(1989-),男,江西省豐城市人,電子科技大學控制工程專業研究生,研究方向為計算機應用技術,502720897@qq.com;

羅仁澤(1973-),男,四川省內江市人,教授,博導,2005年獲電子科技大學信號與信息處理專業工學博士學位,主要從事通信傳輸和信號處理技術研究,lrzsmith@126.com。

DesignandSimulationAnalysisonRotatingMachineryOilGrindingParticleSensor

ZHANGPing1,PANZhaoma2,YUXiyu3,DENGXuefeng1,LUORenze1*

(1.School of Electrical Engineering and Information,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731,China;3.School of Automation,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

This paper proposes a design method for an on-line oil debris sensors applied to rotating machinery hydraulic system,of which performance directly influence the monitoring results of oil debris detection system. Focuses on the sensor detection principle and the qualitative analysis of structure characteristics. According to the electromagnetic filed principle and Biot Savart law with other electromagnetic theory,magnetic field distribution model of a balance coil is established and the sensor output model is deduced. Several main factors affecting the distribution of magnetic field and the output of the sensor has been investigated. To provide the theoretical basis for the design,modification and optimization of the sensor,simulation of magnetic field distribution of the equilibrium structure coil has been carried out by a electromagnetic simulation software.

rotating machinery;wear debris sensor;mathematical model;simulation analysis

2014-04-20修改日期:2014-08-13

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.011

TP212

:A

:1004-1699(2014)09-1208-06