一種新型可視鐵譜儀的靜磁場設計及應用

黃文杰， 左洪福(. 淮陰工學院 交通工程學院，江蘇 淮安 3003； . 南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 006)

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一種新型可視鐵譜儀的靜磁場設計及應用

黃文杰1， 左洪福2
(1. 淮陰工學院 交通工程學院，江蘇 淮安 223003； 2. 南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 210016)

以在線式全流量可視鐵譜儀為背景，對靜磁場的磁路進行了設計。采用軸向充磁，雙環異極嵌套安裝方式，兩環的間隙采用不導磁的材料做成的圓環作為襯套，并從磁荷模型出發，利用標量磁位法，引入廣義二項式定理對同心雙環嵌套磁體產生的磁感應強度進行了解析計算。通過對比磁感應強度的理論值和實際測量值發現解析表達式很好地反映了靜磁場的磁感應強度分布規律。將所設計的靜磁場應用到某新型渦噴航空發動機性能監測中,對監測到的磨粒進行了分析。分析結果間接驗證了所設計的靜磁場在潤滑油高流速條件下吸附鐵磁顆粒的有效性。

在線式全流量鐵譜儀； 靜磁場； 磁路設計； 解析計算； 性能監測

0 引 言

由于航空發動機關鍵部件的摩擦副工作在潤滑油路中且在潤滑油路中利用磁場便于收集磨粒，因此，磁場在航空發動機的故障診斷和狀態監測中有著廣泛的應用。以滑油中的磨粒監測為例，早期的監測設備以離線為主，如DMAS智能化鐵譜分析儀[1]、OLF-4鐵譜儀[2]等。隨著監測技術的發展，一批具有代表性在線全流量監測傳感器應運而生，其中應用最廣泛的是加拿大GOSTOP公司生產的MetalSCAN油液磨損金屬監測傳感器，它能夠全液流在線監測鐵磁顆粒[3]。由于稀土永磁材料的加工水平與工藝不斷提高，合理設計的靜磁體可以產生各種強度和分布的磁場，并且具有無能耗、體積小、成本低、控制方便、工作可靠等優點，尤其是環形磁體，因其便于在油路中安裝，易于產生均勻分布的磁場，在滑油磨粒監測方面具有廣泛的應用前景，而靜磁體應用的關鍵是對靜磁體磁場分布的設計。在這方面，國內外對磁場分布的研究不斷深入。在國內，運用磁荷模型[4]、分子電流模型[5]給出了矩形靜磁場分布的解析表達式；在國外，在采用橢圓積分的基礎上[6-7]，或運用磁荷模型對弧形靜磁場進行研究[8-9]，或采用半解析方法計算環形靜磁場分布[10-11]，并采用該方法對使用永磁體的裝置進行優化[12]。通過對以往研究成果的分析，不難發現，國內外對矩形靜磁場分布的研究比較全面，雖然采用半解析方法計算了環形靜磁場分布，但是，缺少真實意義上的解析公式，嚴重制約了環形靜磁場的設計和分析。而環形靜磁場作為在線式全流量鐵譜儀的核心部件，其磁場的分布決定著儀器在實際工作中能否有效吸附鐵磁顆粒，從而能否準確對航空發動機的性能作出準確預測。因此，真實意義上的解析公式的缺失阻礙了環形靜磁場在航空發動機的故障診斷和狀態監測中使用和推廣。

本文以在線式全流量可視鐵譜儀為背景，引入廣義二項式定理對靜磁場的磁路進行設計，并對同心雙環嵌套磁體的磁場分布進行解析計算，通過對比磁感應強度的理論值和實際測量值，發現解析表達式很好地反映了靜磁場的磁感應強度分布規律。在此基礎上，將所設計的靜磁場應用到某新型渦噴航空發動機性能監測中，對監測到的磨粒進行了分析。

1 靜磁場磁路設計

磁體采用牌號為N35燒結釹鐵硼永磁材料，其性能參數，剩磁Br=1.170～1.220 T，矯頑力HCB≥868 kA/m，內稟矯頑力HCJ≥955 kA/m，磁能積BHmax=263～287 kJ/m3。采用軸向充磁、雙環異極嵌套安裝的方式，兩環間隙用不導磁材料做成的圓環作為襯套。

由矢量疊加原理，該磁體在空間任一點的磁感應強度可由內圓環在該點的磁感應強度與外圓環在同一點的磁感應強度進行矢量疊加。因此，可先計算任一圓環產生的磁感應強度，然后再進行矢量疊加。同心雙環嵌套磁體的長度為a，內徑為d′，外徑為D′，取z軸為磁體的對稱軸，磁體中心為坐標原點建立坐標系Oxyz，如圖1所示。

根據磁荷模型[13]與高斯定律[14]，設φm為磁標量勢；ρm為磁荷分布密度；μ0為真空磁導率，得：

(1)

令原點磁標量勢φm(0,0,0)=0；d為點P到原點的距離；φm(x0,y0,z0)為點P的磁標量勢，則由式(1)得出點P(x0,y0,z0)的標量磁位F(x0,y0,z0)為

(a)裝配實物圖(b)示意圖

圖1 同心雙環嵌套磁體

F(x0,y0,z0)=φm(x0,y0,z0)-φm(0,0,0)=

(2)

(3)

(4)

積分區域為封閉的磁體表面S。采用圓柱坐標系，令x=rcosφ,y=rsinφ,z=±a/2，并把場點取在φ=0的平面上，即x0=r0,y0=0,z0=z0，則式(4)可用圓柱坐標系表示。對于強各向異性場的燒結釹鐵硼永磁材料的磁體，退磁場徑向分量Hmr的作用可以忽略，磁化強度M可認為始終是平行于軸線且均勻分布的。因此，用圓柱坐標系表示的式(4)可用來描述磁場分布。但是，如果需要計算空間確定點的磁感應強度，通常需要采用復雜的有限元分析，而本文在求解過程中利用廣義二項式定理[15]，將不可積因子轉變為可積因子，從而簡化了計算。

根據矢量疊加原理，同心雙環嵌套磁場所產生的徑向磁感應強度Htmr(r0,z0)與軸向磁感應強度Htmz(r0,z0)分別為內外環形磁場產生的徑向磁感應強度Himr(r0,z0)、Homr(r0,z0)與軸向磁感應強度Himz(r0,z0)、Homz(r0,z0)的疊加，即：

(5)

2 計算結果分析

為了驗證建立的靜磁場磁感應強度解析表達式的正確性，使用Matlab[16]并利用3維高精度數字式特斯拉計對三種磁體沿徑向和軸向的磁場分量進行了測量。通過對比理論值、測量值并結合場強分布圖，對解析表達式進行分析。

同心雙環嵌套磁體尺寸規格為：里圓環的內徑和外徑分別為18 mm和24 mm，外圓環的內徑和外徑分別為36 mm和58 mm，軸向厚度7.5 mm。利用同心雙環嵌套磁體的解析表達式計算距離永磁環上(或下)表面一定距離處的磁場分布，選取高度為2 mm進行計算。相應地，在此高度上用三維特斯拉計對磁感應強度進行多點測試。徑向和軸向磁場分量的測量結果和計算結果如圖2所示。

圖2 同心雙環嵌套磁體磁感分布

圖2中：曲線1表示磁體的磁感應強度理論值；曲線2表示磁體的磁感應強度測量值；曲線3表示磁體的徑向磁感應強度測量值；曲線4表示磁體的徑向磁感應強度理論值；曲線5表示磁體的軸向磁感應強度理論值；曲線6表示磁體的軸向磁感應強度測量值。由圖2可知，在原點處軸向磁感應強度最大，然后逐漸減弱，在內圓環外邊緣處減少到最小，即約21 mm處，而徑向磁感應強度則由于嵌套的原因在17 mm處由0變至最大，而后逐漸減小，在24 mm處達到最小。

3 監測試驗

將所設計的磁體放入在線式可視鐵譜儀的鐵磁磨粒收集器中,并把在線式可視鐵譜儀放置在圖3所示的試驗系統中。由圖3可知，潤滑油從油箱中被泵出后進入航空發動機，然后再進入在線式全流量可視鐵譜儀的鐵磁磨粒收集器。在鐵磁磨粒收集器中有觀測區，環形嵌套磁體所產生的磁場覆蓋該區域，當一次監測完成時, 在線式全流量可視鐵譜儀的收集器清洗機構開始工作，清除觀測區沉積的鐵磁磨粒，以待下一次監測。

試驗時,采用長城4010號合成航空潤滑油，潤滑油流速1.376 m/s，被監測航空發動機為某新型渦噴發動機，監測時間為16 h為一時間段。采用南京航空航天大學航空安全與保障技術研究所研制的改進型DMAS II對第5時間段采集的圖像進行分析,分析結果如表1所示。統計結果表明，在第5時間段中共收集到22顆磨粒,絕大多數磨粒尺寸小于10～15 μm，屬于正常磨損。雖然有嚴重滑動產生的磨粒和切削磨粒，但是數量很少,這說明該航空發動機處于磨合期，產生少量的此類磨粒是正常的,而且這與該新型發動機的實際情況是相符合的。

圖3 油液在線監測試驗系統

表1 磨粒統計結果 %

4 結 語

本研究主要有以下結論：對新型的在線式可視鐵譜儀的靜磁場磁路進行了設計。試驗證明，該靜磁場能夠在高流速下吸附鐵磁性磨粒。采用廣義二項式定理對靜磁場的磁感應強度進行了解析計算。仿真結果表明，解析表達式具有較高的計算精度。進行了某新型渦噴發動機的試驗監測研究，監測結果與發動機的實際情況相符合。

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Design and Application of Magnetic Field of a New Online Ferrograph

HUANGWen-jie1,ZUOHong-fu2
(1．Transportation College，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China; 2．Civil Aviation College，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the background of a new online full flow visual ferrograph, a magnetic circuit of the static magnetic field is designed, it is axial magnetized, dual-rings nested assembly with different poles, and is filled with non-magnetic materials as the bush between the rings. Starting with the magnetic charge model, combining with the scalar magnetic potential method and using the generalized binomial theorem, the magnetic inductions of the concentric nested dual-rings are respectively analytically calculated. Comparing the theoretical value of magnetic induction with the actual measured value shows that the analytical expression well reflects the rules of magnetic induction in the static magnetic field. On this basis, the designed static magnetic field is used to monitor the performance of a new turbojet aero-engine, and then the collected debris is analyzed. The analytical result indirectly verifies that the static magnetic field can effectively adsorb ferromagnetic particles under the condition of the high volume of lubricant oil flow.

online full flow ferrograph; static magnetic field; magnetic circuit design; analytical calculation; monitoring performance

2014-04-24

國家自然科學基金項目(60939003)

黃文杰(1977-)，男，江蘇淮安人，講師，主要從事設備狀態監測研究。Tel.:0517-83559165；E-mail:huangwj@hyit.edu.cn

V 263.6

A

1006-7167(2015)02-0054-03