基于金屬屑傳感器密封性改進設(shè)計

智文虎，劉柏青，簡榮坤，夏云陽，秦仕鵬，趙鵬程

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

金屬屑傳感器是一種檢測和清除滑油系統(tǒng)中金屬屑的傳感器，傳感器利用永磁鐵做探頭，可以及時捕捉油路中的金屬屑，當(dāng)金屬屑達(dá)到一定量時為外部檢測系統(tǒng)提供報警信號［1～3］。傳感器內(nèi)部設(shè)有自動密封油路的機構(gòu)，在清理金屬屑過程中不影響管路系統(tǒng)正常工作［4～6］。傳統(tǒng)的金屬屑傳感器經(jīng)歷壓力和溫度疲勞后容易出現(xiàn)漏油故障，本文通過采用聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）加工傳感器密封裝置和玻璃燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的方式，對金屬屑傳感器的結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，實現(xiàn)了傳感器耐壓力、溫度疲勞的使用要求，提高了產(chǎn)品的可靠性［7～9］。

1 工作原理

金屬屑傳感器采用永磁材料做探頭，利用永磁材料兩極磁場的吸附能力，在一定的空間范圍內(nèi)磁性顆粒能夠被傳感器探頭吸附［10～12］。當(dāng)探頭兩極吸附的金屬屑數(shù)量不斷增加時，2個探頭之間的電阻值會不斷減小。2個探頭之間的電阻達(dá)到一定阻值時，外部采集和監(jiān)測系統(tǒng)會給出金屬屑堆積過多的報警信號，提示系統(tǒng)進行傳感器的金屬屑清理工作［13］，傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理示意

金屬屑信號傳感器主要由基座和感應(yīng)體2 個部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，基座上的螺紋負(fù)責(zé)將傳感器固定在滑油管路上。當(dāng)需要對傳感器進行金屬屑清理時，將下端的閥蝶機構(gòu)卸下，基座負(fù)責(zé)將油路密封實現(xiàn)金屬屑在線清理操作。感應(yīng)體是傳感器實現(xiàn)功能的主體部分，利用下端的2個磁體吸引滑油管路中的磁性金屬屑，當(dāng)金屬屑將2個磁體導(dǎo)通（兩磁體之間的阻值小于測試電路設(shè)定的閾值）時，由插針、卡槽及磁體連成的2個芯體被導(dǎo)通，測試電路輸出金屬屑報警信號，從而提示系統(tǒng)進行金屬屑的清理工作。

圖2 金屬屑信號傳感器實物與感應(yīng)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 故障情況

2.1 故障概述

傳感器安裝于滑油回路中，由于使用過程中滑油溫度、壓力不斷變化使傳感器內(nèi)部非金屬材料出現(xiàn)疲勞和損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)2個磁體高度不一致，金屬屑傳感器與連接的航插有滑油泄漏故障現(xiàn)象，故障傳感器如圖3所示。

圖3 故障傳感器

2.2 故障原理分析

傳感器內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)件名稱為定位套，是由PTFE 材料加工形成，主要是靠外力壓緊PTFE墊片，使其本身發(fā)生彈性或塑性變形以填滿密封面上的微觀凹凸不平，利用密封面上的阻力大于密封面兩側(cè)介質(zhì)壓力差來實現(xiàn)密封。但在裝配時，由于達(dá)不到PTFE墊片所需的壓緊力，或者PTFE墊片的壓緊應(yīng)力過大，容易將PTFE 墊片壓碎從而失去回彈能力，都無法達(dá)到密封效果。同時溫度對PTFE 墊片的密封性能也存在很大影響，PTFE的彈性和塑性變形量均隨溫度升高而變大。而回彈性能隨溫度升高而下降，蠕變量則隨溫度的升高而變大，PTFE墊片的密封性能自然也就會受影響，容易出現(xiàn)PTFE墊片密封失效。

通過傳感器的實際使用環(huán)境了解到，環(huán)境溫度和壓力的影響因素都客觀存在，長期處于變溫和變壓環(huán)境下，引起PTFE密封墊片的老化、失重、蠕變、松弛的現(xiàn)象就會越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致PTFE墊片密封失效。

2.3 疲勞仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.6 MPa壓力作用下，磁體定位夾臺肩處應(yīng)力最大，可達(dá)到1.5 MPa，經(jīng)過長時間的應(yīng)力作用，磁體定位夾發(fā)生連續(xù)塑性變形，直至從傳感器中脫落，受力情況如圖4所示。

圖4 一體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析示意

3 改進方案設(shè)計

3.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

玻璃燒結(jié)密封結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在高原及海洋等一些較特殊的環(huán)境領(lǐng)域。由于該類產(chǎn)品需要在壓力變化的環(huán)境中保持正常工作，所以，接觸件選用與玻璃膨脹系數(shù)接近的可伐合金4J29 或TU系列無氧銅，成型后以高溫?zé)Y(jié)來實現(xiàn)玻璃、接觸件、殼體之間的絕緣和封接，然后再進行金屬鍍覆。

由于玻璃餅燒結(jié)結(jié)構(gòu)是需要將玻璃與金屬通過高溫封接成為一體，并且保證燒結(jié)后產(chǎn)品的密封性問題。在玻璃餅與殼體燒結(jié)過程中，應(yīng)保證殼體表面與玻璃餅之間的光潔度，一般情況下殼體燒結(jié)部位的光潔度要保證在Ra1.6以上。在設(shè)計過程中殼體的燒結(jié)結(jié)合面設(shè)計成光滑直面，避免出現(xiàn)臺階環(huán)槽等，因為臺階或環(huán)槽的出現(xiàn)會影響玻璃餅與殼體間的結(jié)合，并且由于玻璃在高溫下熔化后其流動性較差，容易在臺階或環(huán)槽的地方出現(xiàn)氣泡影響產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量，所以在設(shè)計時應(yīng)注意燒結(jié)結(jié)合部位設(shè)計成直面。

原金屬屑傳感器內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)件由PTFE密封改為玻璃燒結(jié)組件密封，當(dāng)玻璃與金屬封接時，玻璃液與金屬氧化層互相浸潤形成混合化學(xué)鍵，使其封接位置具有足夠的抗拉和抗扭強度；且玻璃燒結(jié)部分具有良好的密封性，由試驗驗證可知，改進后的金屬屑傳感器可長期耐受不小于0.6 MPa的壓力變化。

3.2 燒結(jié)工藝流程

玻璃燒結(jié)工藝流程比較復(fù)雜，主要分為6步，具體流程如圖5所示。

圖5 玻璃燒結(jié)工藝流程

1）玻璃餅的壓制

玻璃餅的壓制過程和傳統(tǒng)玻璃封接中玻璃餅或玻璃珠的制作過程一樣，即在外購玻璃粉中摻入一定量的高純石蠟切片粉后干壓成型，成型后經(jīng)排蠟玻化。

2）金屬零件的凈化和氧化處理

金屬零件加工完成后如需要進行除油處理，再進行凈化處理，目的是獲得均勻的相組織，凈化表面，去除表面氣體和雜質(zhì)，同時消除加工應(yīng)力。

3）石墨模具的凈化

石墨模具加工過程中容易吸附一些油污雜質(zhì)且易吸潮，裝模前必須經(jīng)凈化處理后才能用于封接產(chǎn)品。可以使用汽油和酒精反復(fù)清洗直到?jīng)]有石墨粉塵掉下為止，再進行烘干。

4）裝模

用壓縮空氣將處理好的石墨模具吹凈，和玻璃接觸的表面要用干凈軟布擦光，而后將殼體接觸件、玻璃餅、石墨模等按照產(chǎn)品組裝圖進行組裝。

5）正壓封接

封接是玻璃密封件生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，封接溫度和時間直接影響玻璃與氧化膜之間的過渡層和剩余氧化膜厚度。

6）表面電鍍

表面電鍍是整個燒結(jié)插針中最復(fù)雜的工序及工藝，玻璃密封結(jié)構(gòu)有別于其他種類的密封結(jié)構(gòu)，該類密封結(jié)構(gòu)需要在燒結(jié)后進行表面電鍍。

3.3 玻璃燒結(jié)組件設(shè)計

玻璃燒結(jié)組件由感應(yīng)器殼體、插針組成，二者用玻璃胚燒結(jié)而成，裝配示意如圖6 所示。經(jīng)試驗驗證，在壓力0.6 MPa的壓力下氣泡法檢漏無氣泡產(chǎn)生，無泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)，此設(shè)計方法極大地提高了感應(yīng)器的密封性，解決了傳感器的滲油現(xiàn)象。

圖6 玻璃燒結(jié)組件裝配示意

4 金屬屑傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

金屬屑傳感器殼體與玻璃燒結(jié)組件采用激光或電子束焊接方式進行焊接，焊縫深度滿足（1 ±0.15）mm，焊接后進行氣泡法檢查來保證密封性，金屬屑傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。表1為改進前后零件材料對比。

表1 改進前后材料對比

圖7 金屬屑傳感器結(jié)構(gòu)分解示意

5 測試情況

制作2只傳感器樣品，將制作的金屬屑傳感器浸沒于酒精液體中，傳感器一端接入壓力測控儀型號（CPC6000），施加0.6 MPa的恒定壓力（如圖8），持續(xù)加壓10 min，觀察傳感器另一端是否有氣泡出現(xiàn)，無氣泡出現(xiàn)證明傳感器密封良好，經(jīng)測試傳感器耐壓性合格。

圖8 金屬屑傳感器測試示意

6 結(jié) 論

通過故障機理分析確定原設(shè)計方案采用PTFE材料的密封件密封能力失效導(dǎo)致傳感器漏油失效，利用玻璃燒結(jié)設(shè)計代替原PTFE密封塞密封設(shè)計，保障傳感器整體耐壓性及可靠性能，改進后產(chǎn)品經(jīng)過高溫、高壓考核，保證了傳感器的整體設(shè)計要求，能夠更好地進行金屬屑信號的檢測。