油液磨粒傳感器綜合測試平臺的設計研究

王文瑾，馬 靜

(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)

磨損是摩擦副機械零件的高發失效形式之一，研究結果[1]表明：因齒輪、軸承異常磨損造成的航空發動機提前換發在全部故障中占比超過60%。滑油中磨損顆粒的特征參數中包含磨損程度、發生部位等運行狀態信息，對此進行分析可做出設備的故障風險預警，因此復雜機械系統的油液在線監測和相應磨粒傳感器技術引起了廣泛關注[2]。

目前正在研究和開發的在線磨粒監測傳感器主要類型包括[3-4]：電磁型、導電型、電容型、光電型、超聲波型等。受靈敏度、精度、速度和環境適應性等諸多技術局限，多數傳感器還處于研究階段，真正能投入現場使用的工業化產品很少。比較而言，以電磁感應變化測量為基礎的磨粒傳感器結構簡潔、響應速度快、靈敏度高，具有較大的應用潛力。在該類磨粒傳感器產品中，技術先進成熟、應用廣泛的典型產品有加拿大GasTOPS公司開發的MetalSCAN系列金屬顆粒傳感器、美國MACOM Technologies公司的 TechAlertTM10和英國Kittiwake公司的FG型在線磨粒傳感器[5]，其中MetalSCAN傳感器已成功應用于美軍飛機。相比之下，國內磨粒傳感器無論在性能還是應用水平上都還存在較大差距。

測試技術是改善與提高傳感器性能水平的基礎，資料進一步顯示[6]，目前國內主要采用油液顆粒試驗臺和干式無油試驗裝置兩種測試手段，并無統一的測試標準。油液試驗臺通過手動或自動方式在循環油路中加入制備的顆粒物并使其隨油液流動進入被試傳感器進行測試。雖然油液試驗臺的工況與實際應用較為接近，但試驗臺操作維護較為復雜，且環境因素和二相流特性變化會給測試統計結果帶來不利影響。干式試驗一般采用柔性線帶作為顆粒載體，即將制備的顆粒物固定在線帶上，拖拽線帶使其在被試傳感器流道內運動。盡管通油對比試驗顯示介質對磨感電勢的測量并無影響，但拖拽運動較難精確控制，因此難以保證測試結果的一致性，應用也因此受到限制。為了深入研究磨粒傳感器的諸如速度-粒度關系、顆粒混疊、振動耦合等多因素效應和相應弱信號提取、虛警抑制等技術，需要探索新的測試途徑和研究開發相應的試驗設備。

1 測試平臺的構成和要求

1.1 需求分析

文獻[7]給出了某航空發動機滑油監測的一般需求：檢出的顆粒粒度在250～900 μm，顆粒最大長徑比為1∶7，檢出量總數為105量級，油液流量為0.5～50 L/min，溫度范圍為-55～190 ℃，短時可達240 ℃；環境振動為0.01g～2.5g。

待測磨粒傳感器是一類航空發動機金屬磨粒在線監測用的三線圈結構電磁感應型傳感器，具有顆粒統計分析、磨損預測和壽命預警功能。傳感器流道管徑為20 mm，流道結構長度不大于200 mm，要求鐵磁性材質顆粒物當量直徑的檢出能力優于155 μm，非鐵磁性顆粒物優于650 μm，工作溫度為-55～+200 ℃，最大壓力為0.5 MPa。

磨粒傳感器的性能參數測試要求制備顆粒物組合受控在振動環境下的待測傳感器探測區域運動，觸發待測傳感器的探測機制，顆粒物的高速運動需要精確控制并與傳感器所處的模擬環境振動相融合。

1.2 構成原理

測試平臺的系統架構主要由電磁振動臺系統、直線運動平臺及相應的測控柜和功放柜等組成，如圖1所示。待測磨粒傳感器和卡具固定在振動臺上，隨工作臺面做垂直方向的環境模擬振動；標準顆粒物組合分布固定在探測桿內，探測桿由直線機構驅動沿水平方向運動穿過待測傳感器液池的探測區間；探測桿被結構支撐，使其運動中保持與待測傳感器的位姿關系且能避免機構間的運動干涉，從而實現模擬流體中顆粒物運動。

圖1 測試平臺系統組成架構

1.3 主要技術參數

(1) 直線運動。

參照需求，直線運動勻速段可控速度范圍設定為0.5～5 m/s，并盡可能擴展速率上限以滿足潛在的測試需要，勻速段速率控制精度優于1%，探測區位置的勻速段行程不小于200 mm，加速度能力不小于40 m/s2，運動行程的直線度優于0.2 mm。

直線運動控制包括點位、梯形速率軌跡、往復速率軌跡模式，運動速度可連續調整，并具有自動回位、起點選擇和運動軌跡參數設置功能。

平臺機構的組合尺寸須最小化以適應場地和安全要求，機構的位姿可調整并能防止探測桿、振動臺、傳感器負載間出現運動干涉損傷。

(2) 振動模擬。

參照實際環境振動譜要求和產品型譜，振動臺的最大振動加速度設定為不小于10g，頻率范圍為2～3000 Hz，振動臺最大隨機推力不小于300 kgf，承載能力不低于100 kg，振動參數可遠程設置，具有遠程啟動/停止控制功能。

2 測試平臺的要素分析與實現

2.1 直線運動控制

基于整體結構尺寸和高速、高動態運動控制的要求，測試平臺的直線運動采用高速滑動導向、直線電機驅動、光柵尺位移測量、數字式位置閉環伺服控制方式。直線電機與定向導軌經組合安裝在石基底座上，雙層結構和微調機構實現底座的全方位姿態調整。4個電感式接近傳感器提供機械零位和限位標記，柔性導線及拖鏈適應高動態需要。

導向機構選用igus公司的模塊化滑動導軌，最高理論速度為15 m/s，最大加速度能力為600 m/s2；兩根平行導軌各配兩個滑塊組成定向滑板機構，滑板上固定電機動子、光柵和探測桿接頭部件。設計校驗結果表明：5 kg負載下，滑板機構以180 m/s2加速度的運行情況良好，長期運行速度為5 m/s，質心變化量不大于0.2 mm。

直線電機選用ACCEL公司無鐵芯分裝結構的系列產品，峰值推力為1300 N，連續推力為325 N；三段定子拼接組合后總長度為1260 mm，動子板長度為199 mm，質量為2.2 kg，標稱反電勢系數為26 V/m/s，推力系數為78 N/A。

電機驅動器選用CopleyControl公司的數字式伺服驅動器，峰值輸出電流36 A，最大供電電壓240 V/3相，內部數字伺服算法，最大3 kHz位置更新頻率。

光柵尺選用REINISHAW公司RGS20-S系列反射式增量編碼光柵尺和數字讀數頭，標稱線性精度為±3 μm/m，測量分辨率為5 μm，最高理論測量速度為12 m/s。

運動伺服采用速率前饋復合控制方式。伺服驅動器對接入的光柵位置增量脈沖進行編碼并解算形成數字反饋參量，實現位置伺服三閉環反饋控制。運動行程是決定測試平臺整體空間尺寸和最大速度實現的重要參數。導軌全行程長度應滿足：Lg≥Ls+Lb，其中：Ls為機構動子板運動行程；Lb為動子板在運動方向的長度，這里是200 mm。梯形速率軌跡運動行程計算公式為

(1)

式中，Vcm為勻速段速度(m/s)；A為運動過程的控制加/減速度(m/s2)。圖2顯示了勻速段速度分別為5 m/s、7 m/s和10 m/s時加速度與運動行程的關系。

圖2 行程與加速度關系

經計算：在5 m/s和10 m/s勻速段，當加速度為42 m/s2和180 m/s2時的運動行程加上動子板長度小于1 m，可滿足導軌全行程范圍要求。同時計算得到180 m/s2加速度時的動子板機構需要的電機峰值驅動推力為1046 N，所選電機可以滿足要求。

測試平臺的主控計算機配置串、并行和網絡接口與伺服驅動器、振動控制儀通信連接。控制計算機軟件利用Microsoft VC6.0平臺開發，交互式軟件控制界面提供對直線運動單元的參數設置、狀態顯示和所有操作管理。基于Copley Motion Objects(CMO)軟件實現運動控制功能的開發。

2.2 振動環境模擬

根據要求，選擇隨機推力為300 kgf的振動臺系統。其主要參數為：頻率范圍2～4000 Hz，最大速度2 m/s，位移范圍25.4 mm，動圈質量3 kg，最大載荷120 kg，傳感器卡具及載物桿支撐與臺面配套定制。8通道振控儀具有135 dB動態范圍，80 kHz分析帶寬，采用2個ICP加速度計實現振動測量和控制。圖3給出了振動試驗的振動譜要求，兩個窄帶隨機振動譜的基頻分別為f01=17.4 Hz和f02=57 Hz。

圖3 振動環境要求

經分析計算，振動臺總載荷為10 kg，與隨機振動總均方根加速度相對應的隨機推力分別為87.4 kgf和107.2 kgf，按式(2)估算的隨機振動最大位移分別為15.9 mm和2.68 mm，能夠滿足要求并為探測桿接頭設計提供了設計依據。

(2)

式中，f0為下限頻率(Hz)；W0為下限頻率處的PSD(g2/Hz)。

2.3 粒物和探測桿組裝結構

探測桿選擇低摩擦自潤滑材的桿料Iglidur J加工制作，兩根拼接至長度1960 mm，直徑通過成形磨工藝加工至φ9.4-0.1mm。材料的使用溫度為-55～+90 ℃，彈性模量為2400 MPa，抗拉/壓強度為73/60 MPa，體電阻為1013Ω/cm3,密度為1.49 g/cm3，輕載荷下磨損速率優于0.5 μm/km，材料表面直線速度限制為8 m/s。探測桿具有足夠的強度和剛度，可以避免結構失穩，三維建模和實踐還表明，探測桿的柔性關節接頭結構可以適應水平直線運動和垂直振動耦合關系的需要，有效防止運動干涉。探測桿測試端按兩個正交方向50 mm間隔交錯分布加工各8個M2×7 mm螺孔，雙方向共16個間距25 mm的螺孔可按測試需要利用護套將金屬顆粒固定在桿內不同位置，如圖4所示。

3 測試平臺性能試驗

為了驗證測試平臺的設計效果和評價性能，現場條件下對測試平臺的主要技術參數進行了測試，測試項目包括：速率范圍、勻速段速率精度、勻速段行程、運動直線度、回零(回位)精度，測試結果如表1～表4所示。

圖4 探測桿連接結構

表1 速率控制性能測試結果

表2 加速能力測試結果

表3 回位重復性精度測試結果

表4 運動直線性測試結果

4 傳感器測試驗證

為了模擬發動機滑油中顆粒存在的狀態，試驗中采用了單顆粒通過傳感器和組合顆粒通過傳感器的多種測試方案。試驗前，對探測桿進行了徹底的清理，經過反復清理、測量，確保測試前的探測桿中不含有金屬碎屑殘留，以免影響試驗的正確性。

4.1 單顆粒測試

在探測桿的螺孔內分別安裝不同尺寸、不同性質的金屬顆粒，以固定的速度運動，驗證磨粒傳感器是否能準確測量出穿過傳感器敏感區的動態金屬顆粒的尺寸和性質。試驗中分別使用350 μm鐵磁性、500 μm鐵磁性、800 μm鐵磁性、800 μm非鐵磁性、900 μm非鐵磁性顆粒進行測試，測試結果為磨粒傳感器檢出率為90%以上。

4.2 單顆粒速度特性測試

傳感器輸出的波形如圖5所示，波形的周期、頻率、幅值與顆粒尺寸、運動速度成比例對應關系。

圖5 傳感器輸出的波形

單顆粒運動速度與傳感器微弱信號提取速度具有很大的關系，與傳感器微處理器采樣速率的關系如式(3)～式(5)所示。

(3)

(4)

f采>20f

(5)

式中，T為產生波形的周期；k為周期與運動速度的對應系數；d為傳感器中激勵線圈的距離；v為顆粒運動速度；f為產生波形的頻率；f采為A/D采樣頻率。

測試表明：采樣速率由硬件A/D采樣率決定，能夠識別的流速范圍是固定的，如果提高A/D采樣率，可以提高檢測的流速范圍，但需要改變微處理單元處理速率，在整體設計中，傳感器的功率會增加，產品能耗提高、可靠性下降。所以從工程實現的綜合能力分析，明確傳感器實際需求是設計傳感器的功能參數的關鍵要素。

4.3 多顆粒測試

多種顆粒測試組合測試是此次試驗的重要測試，試驗中，將顆粒分別放置在探測桿的螺孔內，分別在a1=25 mm和b1=50 mm間進行了測試，測試時顯示的曲線如圖6所示。當金屬顆粒相距不足a1時，相鄰的金屬顆粒的信號會發生交叉，信號的重疊降低了金屬顆粒的檢出率。當相鄰的金屬顆粒相距超過a1時，相鄰的金屬顆粒的信號不會發生重疊，傳感器能夠識別出兩個金屬顆粒。

圖6 多金屬顆粒測試曲線

4.4 振動環境復合測試

振動環境下考核傳感器工作狀態對所要求的振動譜的敏感性，綜合考慮因素包括產品結構是否牢靠、傳感器內的組件是否有敏感因素。在振動環境復合測試中，未發生測試平臺和傳感器工作異常情況，達到測試目的。

5 討論

測試平臺開發過程中嘗試了5 m/s以上速率試驗后發現，現有直線電機實際反電動勢系數高于標稱值若干倍，在高速運動中電機過高的端電壓限制了驅動器的功率輸出，使直線機構的最高運動速度限制在5.2 m/s以內，這是下一步工作中需要注意和改進的問題。

多類型粒徑組合的識別目前嘗試了5種組合，速率由0.1～5 m/s變化。試驗發現高速率測試下粒徑檢出率低于低速率測試的粒徑檢出率，同時對于低速率的多類型粒徑組合識別率也是今后工作中重點關注的問題。

6 結束語

機械系統滑油磨粒包含了機器是否正常運行、異常工作及失效風險的大量信息，通過磨粒在線監測和分析可以對設備的運行狀態、壽命及潛在的故障風險做出評估和預測，對提高設備可靠性和節約運行成本有重要意義。近年來各國各行業都對油液的在線監測和相應的磨粒傳感器技術十分重視，一些產品相繼投入使用，新原理新技術不斷出現。大量研究和實踐發現，為了提升磨粒傳感器檢測能力和探究細微技術環節的影響，深入研究和開發高性能傳感器將十分依賴高質量的測試和試驗設備。目前國內在磨粒探測相應的測試技術方面與先進技術相比尚有不小差距，還沒有形成相對統一的測試標準，因此迫切需要加強磨粒傳感器的測試技術研究。針對一類先進航空發動機項目用的磨粒傳感器開發需求，本文提出了一種綜合了環境振動的干式無油測試平臺方案并得到實現，通過直線電機、精密導軌、光柵反饋和數字控制技術的具體應用，獲得了較高的控制精度和動態特性；利用多自由度關節連接和柔性非金屬桿狀構件作為標準顆粒物組的運動載體和特殊設計的支撐結構相結合，可防止測試中兩向運動的干涉，并為不同測試目標提供了靈活選擇。實驗結果表明：測試平臺的結構和控制性能達到設計要求，能夠有效地為磨粒傳感器研究開發提供一種新的測試手段。