基于ANSYS的在線屑末傳感器特性研究

馬 靜， 劉德峰， 王立清

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 101111； 2.狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111)

油液中金屬屑末的數量、尺寸、類型等參數能夠反映發動機上潤滑部件的磨損情況，對潤滑部件進行故障預測和壽命預估，為發動機PHM技術的發展提供數據支持和依據。

目前針對滑油中金屬屑末的監測主要有兩類方法：一種是離線取樣；另一種是在線監測。離線取樣由于需要先取樣再分析，不僅費力費時、成本高、樣本易受污染，而且測定結果具有滯后性，取樣不能全面反映故障情況甚至還會造成故障信息丟失[1]。在線監測又分為全流量和旁路監測，旁路監測由于取樣量的限制無法全面地反映系統的實際狀態；在線式的全流量滑油在線屑末傳感器能夠實時監測油液中金屬屑末的變化，全面準確地表征系統的磨損情況。

滑油在線屑末傳感器主要由測試線圈和激勵線圈共同組成。測試線圈位于兩個激勵線圈的中央，激勵線圈反向串聯，交流電驅動激勵線圈產生方向相反、大小相同的磁場。測試線圈所處位置的內部磁場相互抵消，即接近于零磁場。金屬屑末在傳感器中流過時，這種平衡被打破，引起磁場變化，測試線圈產生感應電動勢。全流量滑油在線屑末傳感器結構原理如圖1所示。

本文基于空心圓柱線圈電磁感應原理，推導鐵磁性、非鐵磁性金屬屑末的檢測機理。并利用ANSYS軟件建立滑油在線屑末傳感器中有金屬屑末通過的仿真模型，對金屬屑末引起的磁場變化進行仿真分析。

圖1 全流量滑油在線屑末傳感器結構原理圖

1 理論模型

圖2 單個空心圓柱線圈

當線圈中不存在金屬屑末時，只考慮磁場軸線上的磁場強度B(z):

(1)

式中，a1為線圈內徑；a2為線圈外徑；2b為線圈的寬度；H為線圈下邊緣與金屬屑末中心距；ra為金屬屑末的半徑;μ0為真空磁導率；J為電流密度；z為軸線上一點與線圈中心的距離。

鐵磁性金屬屑末的相對磁導率遠大于1，故當有鐵磁性金屬屑末通過傳感器時，鐵磁性金屬材料能夠把絕大數磁力線約束在自身內，而使通過測試線圈的磁通量增加，因此鐵磁性金屬屑末是通過磁通量的變化引起測試線圈的感應電壓，在忽略傳感器中的渦流損耗、磨粒損耗和耦合電容等的影響時[1]，可得鐵磁性金屬屑末引起的感應電壓E0：

(2)

式中，N0為測試線圈匝數；μr為金屬屑末相對磁導率；ω為交流激勵角速度；B0為金屬屑末所在位置無金屬屑末時激勵線圈產生的磁場強度。

非鐵磁性金屬屑末的相對磁導率接近1，當它放置在交變磁場中時，金屬屑末中的感應渦流產生一個反作用磁場，阻礙原磁場的變化，磁通密度的減小導致激勵線圈的電感和感抗的降低，其下降的幅度取決于非鐵磁性金屬顆粒的電導率、激勵頻率及金屬屑末與激勵線圈的距離[3]。應用文獻[4]的理論，可得非金屬屑末中的渦流在激勵線圈兩端產生的阻抗變化：

(3)

可得非鐵磁性金屬屑末引起的感應電壓E0：

資源保障方面。主要有四類指標，一是基礎指標，該指標指包含外文期刊總量、紙刊量、電刊量、凈刊量和OA刊量的數量指標，涉及出版社、集成商和數據庫的來源指標以及提要索引類的類型指標；二是核心指標，主要包括學校一級學科與二級學科外文期刊總保障率以及學校核心期刊與學院核心期刊保障率；三是拓展指標，包含ESI、JCR、SNIP、SJR總保障率、分學科保障率和高質量學術論文引文保障率；四是包含區域、行業以及學科領域的合作指標。

(4)

式中，L0為激勵線圈自感。

由于Zsc<

(5)

2 仿真分析

為了驗證金屬屑末通過傳感器引起的測試線圈感應電壓的變化趨勢，利用ANSYS Electric軟件建立模型，由于傳感器的結構是軸對稱的，為了降低計算的復雜度，采用二維軸對稱建模方法進行建模如圖3所示[5]。

圖3 傳感器有限元模型

考慮到全流量設計，傳感器線圈的內徑為16 mm，激勵線圈為42匝，測試線圈為51匝，兩個激勵線圈相距16 mm，激勵信號頻率為19 kHz，金屬屑末用標準球體等效，金屬屑末的運動方向為沿Z軸做勻速直線運動。

2.1 鐵磁性金屬屑末分析

令金屬屑末的材料為鐵，激勵線圈電流為0.25 A，當金屬屑末為鐵磁性金屬材料時在仿真中不考慮渦流效應，不同大小的鐵磁性金屬屑末的感應電壓變化曲線如圖4所示。傳感器的中心位置為金屬屑末的零點，金屬屑末從-20～20 mm沿Z軸做直線運動。

圖4 ra=200～500 μm的鐵磁性屑末感應電壓變化曲線

由圖4可知鐵磁性金屬屑末在Z軸正半軸和負半軸產生的感應電壓大小相等，方向相反。金屬屑末引起的感應電壓隨著金屬屑末與測試線圈的距離變小而變大，當感應電壓絕對值達到最大值后隨著磁感應強度的變小而變小，最終在磁感應強度為零的位置達到零點。不同金屬屑末在通過傳感器時引起的感應電壓峰值如表1所示。

表1 鐵磁性金屬屑末感應電壓峰值

對表1中的數據進行曲線擬合可得：

(6)

2.2 非鐵磁性金屬屑末分析

令金屬屑末的材料為鋁，激勵線圈電流為0.25 A，當金屬屑末為非鐵磁性金屬材料時再仿真采用渦流效應，不同大小的非鐵磁性金屬屑末的感應電壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可知非鐵磁性金屬屑末在Z軸正半軸和負半軸產生的感應電壓大小相等，方向相反。金屬屑末引起的感應電壓峰值如表2所示。

對表2中的數據進行曲線擬合可得鋁屑末引起的感應電壓的最大值Emax和屑末半徑ra之間的關系：

(7)

圖5 ra=300～600 μm的非鐵磁性屑末感應電壓變化曲線

金屬屑末半徑ra/μm感應電壓峰值Vp/μV金屬屑末半徑ra/μm感應電壓峰值Vp/μV30013.37635026.78440047.65845079.899500126.496550190.515600266.421

3 試驗驗證

金屬屑末監測試驗驗證系統由滑油在線屑末傳感器、連接電纜和數據處理單元組成如圖6所示。將固定有標準金屬顆粒的塑封棒沿傳感器油液流動的方向穿過[6]，每種顆粒測試20次，記錄金屬屑末引起的感應電壓值，計算平均值作為數據擬合的輸入。

圖6 滑油在線屑末監測系統

通過數據采集卡獲取傳感器的輸出信號，當鐵磁性金屬屑末通過時傳感器輸出如圖7所示。

鐵磁性金屬屑末選取經過計量的標準球體，標準顆粒尺寸為254 μm、305 μm 、360 μm、505 μm、762 μm試驗，非鐵磁性金屬顆粒選取標準顆粒尺寸為508 μm、706 μm 、904 μm試驗，通過曲線擬合得到鐵磁性金屬屑末特性方程為

(8)

非鐵磁性金屬屑末特性方程為

圖7 鐵磁性金屬顆粒信號

(9)

式中,K1、K2為與驗證系統相關的常數

當有多個屑末同時經過傳感器時，傳感器的輸出信號是多個金屬屑末感應電壓的疊加。當兩個屑末距離縮小至首尾相接時，通過波形不能分辨出2個屑末，但是產生的幅值顯著增大[7]。通過實驗測試可知，當兩個金屬屑末的距離為2倍的激勵線圈的距離時，疊加的感應信號能夠區分。感應電壓的大小與金屬屑末的形狀、尺寸、通過傳感器時的形態等因素相關。

相同尺寸與形狀的兩個不同類型屑末(一個鐵磁性，一個是非鐵磁性)同時經過傳感器時，鐵磁性金屬屑末引起的感應電壓遠大于非鐵磁性金屬屑末的感應電壓，傳感器的輸出為鐵磁性金屬屑末。

4 結束語

通過對鐵磁性金屬屑末和非鐵磁性金屬屑末通過全流量滑油在線屑末傳感器時引起的測試線圈感應電壓進行理論推導和計算，并借助ANSYS Electric軟件建立二維有限元仿真分析模型。通過求解有限元方程可知鐵磁性金屬屑末和非鐵磁性金屬屑末的相位相反。金屬屑末引起的感應電壓與金屬屑末半徑的冪成正比，鐵磁性金屬屑末引起的感應電壓的峰值與它的半徑成三次方關系，非鐵磁性金屬屑末引起的感應電壓的峰值與它的半徑及電導率相關。

通過以上研究獲取傳感器感應特性，并根據標準金屬顆粒與測試線圈感應電壓之間的對應關系，建立傳感器標定曲線，為傳感器的標定建立了理論依據。