機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器研究

蘇欣平，劉 寅，趙慧敏

(1.軍事交通學(xué)院軍事物流系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊，天津300161;3.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161)

磨損是機械零部件失效的主要因素之一，機器零件失效形式中，磨損失效占70%以上。現(xiàn)代社會人們?yōu)榱巳〉酶蟮慕?jīng)濟效益，經(jīng)常使機器設(shè)備處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，增大了機器內(nèi)部零件的疲勞磨損，增加了故障發(fā)生概率。現(xiàn)在大部分維修依據(jù)的是裝備的運行時間，即“定期維修”。但客觀來看，定期維修缺乏科學(xué)性。首先，在定期維修之前，一些故障可能已經(jīng)發(fā)生;其次，定期維修時，對狀態(tài)良好的復(fù)雜機構(gòu)，反復(fù)拆裝會造成損傷，且易產(chǎn)生“過度維修”，造成損失。綜上所述，要提高機械設(shè)備的使用可靠性，應(yīng)該采用在線監(jiān)測方式，實時對裝備磨損情況作出評估，在適當(dāng)時期進行修理。

經(jīng)過大量實踐人們發(fā)現(xiàn)，磨粒隱含著機械設(shè)備運行狀態(tài)的大量信息，能反映設(shè)備的磨損現(xiàn)狀與趨勢，同時也是診斷設(shè)備故障、進行預(yù)測維修、對設(shè)備進行改進設(shè)計的重要依據(jù)。一般在機械設(shè)備出現(xiàn)嚴重故障前，因為運轉(zhuǎn)不順暢等原因，摩擦副間會加大磨損，鐵磁性磨損顆粒會增多增大，所以如果檢測到鐵磁性顆粒質(zhì)量異常增加趨勢時，就應(yīng)立即停機檢修以避免重大機械故障的發(fā)生。

1941年美國Denver＆Rio Grand西部鐵路公司實驗室使用光譜法對內(nèi)燃機車用潤滑油進行分析。光譜法所分析的元素種類較多，精度也較高，但缺點是它不能反映磨粒的形狀、尺寸。并且，因為光譜法的原理是通過某種方式對磨粒進行燃燒，所以能分析的磨粒最大不能超過10μm，同時，光譜分析儀的價格昂貴，需要離線分析，不便于推廣使用。

20世紀70年代，美國麻省理工學(xué)院的W.W.Seifert和Foxboro公司的 V.C.Westcott提出了鐵譜技術(shù)的原理，并且由Foxboro公司制成了第一臺商用分析式鐵譜儀。但鐵譜法存在準(zhǔn)確性和可重復(fù)性差，容易造成人為誤判，且分析速度慢，不能做到在線檢測的缺點。

2005年加拿大GasTOPS公司利用電磁感應(yīng)的原理，研制了MetalSCAN在線油液磨粒檢測儀。該檢測儀是目前較好的在線式檢測儀器，但是其傳感器設(shè)計復(fù)雜，成本很高，調(diào)試過程繁瑣，易受外界電磁干擾，且不能識別大量連續(xù)性流動顆粒，應(yīng)用于污染較嚴重的油路環(huán)境中監(jiān)測效果不佳［1］，目前，僅應(yīng)用于民航客機和風(fēng)力發(fā)電機等少數(shù)裝備價值高、機油清潔度要求高的場合。

本文基于磁力檢測原理，設(shè)計開發(fā)了電磁式鐵磁性磨粒監(jiān)測傳感器。該系統(tǒng)與監(jiān)控軟件相結(jié)合，對油路中的鐵磁性磨粒進行實時累積質(zhì)量計量，并按照設(shè)定時間段進行存儲，統(tǒng)計出變化趨勢以備分析。當(dāng)累積質(zhì)量超過設(shè)定值或在敏感時間段累積質(zhì)量增加過快時，立刻報警。另外，本文通過實驗得出了機油中鐵磁性顆粒質(zhì)量與電磁鐵電流的對應(yīng)關(guān)系，繪制了曲線圖。此傳感器已獲國家發(fā)明專利［2］。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 電磁鐵磁力與電流關(guān)系

電磁鐵的電磁吸力與電流的關(guān)系為［3］

式中:F為電磁鐵磁力，N;I為電磁鐵電流，A;ψ為電磁鐵磁鏈，Wb;δ為電磁鐵磁芯移動距離，mm。

此公式適用于各種電磁鐵，包括電流不變、磁鏈不變以及兩者都變化的電磁鐵。

1.2 強力永久磁鐵磁力與鐵磁性顆粒質(zhì)量關(guān)系

查閱大量科技文獻，找到了一些永久磁鐵磁力庫倫定律的資料，但本文中涉及的永久磁鐵與少量鐵磁性顆粒之間磁力關(guān)系研究的相關(guān)資料還未見報道。本文在此提出假設(shè):

式中:F'為強力永久磁鐵對鐵磁性顆粒的磁力，N;k為磁力系數(shù);B為強力永久磁鐵磁感應(yīng)強度，T;m為鐵磁性顆粒質(zhì)量，g;θ為待定指數(shù);r為強力永久磁鐵質(zhì)心到鐵磁性顆粒質(zhì)心的距離，mm。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器(FerrumSCAN)由電磁鐵、電子存儲與控制單元(內(nèi)置軟件)、顯示器、電源、采集接管、強力永久磁鐵、接觸式開關(guān)等主要元器件組成。

傳感器安裝位置位于機油循環(huán)油路精濾油器之前，它可以依照編制的程序定期完成檢測工作，其測試可在發(fā)動機關(guān)機、機油循環(huán)系統(tǒng)不工作時進行，以減小測量誤差。電子存儲與控制單元使電磁鐵通電，電壓從0 V開始，按照每秒增加0.2 V的速率增加，當(dāng)電磁鐵吸合向下運動時，電磁鐵鐵芯通過推桿使開關(guān)閉合，向電子存儲與控制單元發(fā)出指令，存儲時間、電流、對應(yīng)鐵磁性顆粒質(zhì)量等參數(shù)。當(dāng)傳感器監(jiān)測到的鐵磁性顆粒質(zhì)量累計到設(shè)定值時，即電磁鐵所通過的電流達到設(shè)定值時，系統(tǒng)自動報警，提示應(yīng)進行中修(或大修)。即當(dāng)鐵磁性顆粒質(zhì)量增加到如圖2所示預(yù)先設(shè)置的中修控制線時，應(yīng)停機進行中修;當(dāng)鐵磁性顆粒質(zhì)量增加到如圖2所示預(yù)先設(shè)置的大修控制線時，應(yīng)停機進行大修。在顯示器上定期查看鐵磁性顆粒質(zhì)量與時間關(guān)系的柱狀圖，可實現(xiàn)對發(fā)動機系統(tǒng)磨損情況的總體把握。

圖1 鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器的組成

圖2 鐵磁性顆粒質(zhì)量分布曲線

3 實驗

為得出電磁鐵電流與鐵磁性顆粒質(zhì)量的關(guān)系曲線，特搭建如圖3所示的實驗電路，進行模擬實驗。電路由穩(wěn)壓電源、電流表、電壓表、電磁鐵、強力永久磁鐵、隔板、鐵磁性顆粒等組成。

圖3 實驗原理示意

3.1 實驗步驟

(1)穩(wěn)壓電源通電后，在盛有機油的燒杯中不加鐵磁性顆粒，從0 V開始由小到大調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，記錄電磁鐵鐵芯吸合時電壓表和電流表的讀數(shù);

(2)在盛有機油的燒杯中增加鐵磁性顆粒，第1次鐵磁性顆粒總質(zhì)量為0.5 g，第2次燒杯中鐵磁性顆粒質(zhì)量增加至1.0 g，以此類推，每次增加0.5 g，最后一次燒杯中鐵磁性顆粒質(zhì)量增加至2.5 g，調(diào)節(jié)電源電壓，記錄每次接觸式開關(guān)閉合時電壓表和電流表的讀數(shù)。

3.2 實驗結(jié)果

依上述方法進行了3次重復(fù)實驗，實驗結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果

通過對3次實驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)每次在同等鐵磁性顆粒質(zhì)量下所測得的電流誤差不大，重復(fù)性較好。依據(jù)3次實驗結(jié)果，擬合出電流與鐵磁性顆粒質(zhì)量的關(guān)系曲線(如圖4所示)。

圖4 電流與鐵磁性顆粒質(zhì)量的關(guān)系曲線

上述關(guān)系曲線圖所對應(yīng)的電流與鐵磁性顆粒質(zhì)量的數(shù)據(jù)，預(yù)先存儲于電子存儲與控制單元，當(dāng)在線監(jiān)測得出電磁鐵吸合電流時，即可得出相應(yīng)鐵磁性顆粒質(zhì)量，并加以存儲。同時，電子存儲與控制單元自動比較測量值與預(yù)設(shè)報警值的大小，判斷是否需要報警，從而達到在線監(jiān)測的目的。

4 結(jié)語

隨著新工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，裝備將越來越精密、復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，后果會非常嚴重。本文中進行的實驗表明，鐵磁性顆粒的質(zhì)量與通過傳感器的電流存在非線性的對應(yīng)關(guān)系。機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器由于成本低、重復(fù)性好、抗干擾能力強、分辨率高等優(yōu)點，將會極大地促進裝備狀態(tài)檢測技術(shù)的發(fā)展。電磁式鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器的研究豐富了油液分析技術(shù)，為油液分析技術(shù)的實踐應(yīng)用發(fā)展提供了更為廣闊的空間。如果投入實際應(yīng)用，把汽車的過度保養(yǎng)和未及時修理所帶來的損失考慮進來，將取得很大的經(jīng)濟和社會效益。

［1］ 涂群章，龔烈航，王敬濤.油液清潔度在線檢測方法［J］.建筑機械，2000(12):49-51.

［2］ 蘇欣平，趙慧敏，曾銳利.一種機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器:中國，ZL201010125666.1［P］.2012-10-24.

［3］ 錢家驪.電磁鐵吸力公式的討論［J］.電工技術(shù)雜志，2001(1):59-60.