(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430070;2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 廣東廣州 510535)

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)設(shè)備在用潤(rùn)滑油中磨損金屬顆粒的檢測(cè)分析，可獲得有關(guān)設(shè)備摩擦副磨損狀態(tài)信息，同時(shí)參考設(shè)備的運(yùn)行工況和運(yùn)動(dòng)部件材料，可預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的磨損故障隱患，從而有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和維修，避免設(shè)備重大事故的發(fā)生。

潤(rùn)滑油是保障野外裝備安全可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，然而潤(rùn)滑磨損導(dǎo)致的“潤(rùn)滑隱患”成為野外裝備故障的重要根源。當(dāng)前我國(guó)野外裝備使用過(guò)程中存在換油依據(jù)過(guò)“死”、維修保養(yǎng)方式過(guò)于傳統(tǒng)、潤(rùn)滑與磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性較差等問(wèn)題[1]，因此，開(kāi)發(fā)一種便攜式磨粒監(jiān)測(cè)儀，可以在野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)裝備潤(rùn)滑油中的磨粒進(jìn)行檢測(cè)，為野外裝備管理人員提供維修決策依據(jù)，對(duì)于提升維修效益，降低維修成本[2]，提高野外裝備運(yùn)行的安全性、可靠性及技戰(zhàn)術(shù)性能具有重要的意義。

1 潤(rùn)滑油中磨粒的檢測(cè)原理

對(duì)油中顆粒的檢測(cè)，既有單純對(duì)油中顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)的設(shè)備，如HIAC、Hydac、Pall、PAMAS等公司的相關(guān)產(chǎn)品，也有專(zhuān)門(mén)針對(duì)油中磨損金屬顆粒進(jìn)行檢測(cè)，以判斷設(shè)備磨損量的主設(shè)備，如Kittiwake、Eaton、MACOM、GasTOPS、Manor等公司的相關(guān)產(chǎn)品。從檢測(cè)原理上來(lái)看，主要可以分為元素法、遮光法、圖像法、電磁感應(yīng)法、介電常數(shù)法等幾種方法。

元素法主要是基于X射線(xiàn)熒光光譜法[3]，由于其較高的成本和對(duì)使用環(huán)境的要求較高，目前尚難以用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。遮光法[4]主要用于液壓和透平等對(duì)清潔度要求較高的系統(tǒng)中對(duì)所有固體顆粒的計(jì)數(shù)，但一般不區(qū)分顆粒的形貌，或者區(qū)分形貌的可靠度較低。圖像法可以看成是遮光法的升級(jí)版，能夠很好地識(shí)別顆粒的形貌[5]，根據(jù)磨粒的捕獲原理又可以分成流通型與沉積型2種。電磁感應(yīng)法利用金屬顆粒對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)和擾動(dòng)作用來(lái)識(shí)別顆粒，但很難檢測(cè)微米級(jí)的顆粒。介電常數(shù)法的原理是當(dāng)油液中的老化產(chǎn)物、金屬磨屑和水污染增加時(shí)，油液的介電常數(shù)會(huì)增大，但實(shí)驗(yàn)研究[6]和實(shí)際應(yīng)用表明，水對(duì)介電常數(shù)的影響遠(yuǎn)大于油液老化和金屬磨屑。因此在潤(rùn)滑系統(tǒng)有進(jìn)水的情況下，很難根據(jù)油液的介電常數(shù)來(lái)判斷磨粒含量。

本文作者設(shè)計(jì)一種基于圖像法原理的磨粒檢測(cè)儀，該儀器利用磁鐵將試管中的磨粒吸附到成像系統(tǒng)的焦平面上并使之呈鏈狀排列。這種排列方式有利于對(duì)鐵磁性磨粒進(jìn)行識(shí)別和重疊磨粒的分割。

2 檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在檢測(cè)儀的殼體上部有一個(gè)試管槽，用于固定裝有被測(cè)油樣的試管。檢測(cè)儀殼體內(nèi)部主要包括磁極、成像鏡頭、CCD傳感器和控制器等。其中，磁極的作用是將被測(cè)油樣中的鐵磁性磨粒吸附到成像系統(tǒng)的焦平面上并使之呈鏈狀排列。成像鏡頭將磨粒圖像進(jìn)行光學(xué)放大使之可以呈現(xiàn)微米級(jí)的顆粒。CCD傳感器負(fù)責(zé)采集磨粒圖像并傳送到控制器中?？刂破髫?fù)責(zé)磨粒的圖像采集、數(shù)據(jù)處理并傳送到云端。

圖1 便攜式磨粒采集儀結(jié)構(gòu)

2.2 磨粒沉積區(qū)域的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

在采集儀使用過(guò)程中，裝有油樣的試管被放入檢測(cè)儀中。試管的底部為磨粒的目標(biāo)沉積區(qū)域。需要針對(duì)試管油樣中懸浮的鐵磁性磨粒設(shè)計(jì)一個(gè)磁場(chǎng)，一方面使懸浮的磨粒在磁力的作用下盡可能多地沉積到試管底部區(qū)域[7]；另一方面使沉積下來(lái)的磨粒按照磁力線(xiàn)進(jìn)行排布，以方便磨粒識(shí)別。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)的磁場(chǎng)，如圖2所示。2個(gè)針狀磁極相對(duì)布置，中間的區(qū)域?yàn)槟チ３练e區(qū)，磁極后面通過(guò)鐵芯由線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)。

圖2 沉積區(qū)的磁力線(xiàn)圖

由圖2可以看出，磁力線(xiàn)主要是沿著鐵芯的方向密集分布，向四周傳播得較少，在尖頭鐵芯處出現(xiàn)了一個(gè)向周?chē)⑸涞拇艌?chǎng)，磁力線(xiàn)由密到疏，磁場(chǎng)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的趨勢(shì)[8-9]。

3 磁極結(jié)構(gòu)對(duì)磨粒沉積區(qū)域的影響

3.1 開(kāi)環(huán)磁極與閉環(huán)磁極

在設(shè)計(jì)吸附磨粒的磁極時(shí)，可以采用2種磁極模式，即開(kāi)環(huán)磁極(如圖3所示)和閉環(huán)磁極(圖2所示)。從表1可以看出，從磁感應(yīng)強(qiáng)度總值看，開(kāi)環(huán)狀態(tài)明顯小于閉環(huán)狀態(tài)；從指針值看，閉環(huán)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度是開(kāi)環(huán)時(shí)的幾十倍。從圖3可看出，開(kāi)環(huán)磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為0.186 97 T，而且主要分布在線(xiàn)圈周?chē)?，在鐵芯位置幾乎沒(méi)有磁感應(yīng)分布?？芍]環(huán)優(yōu)于開(kāi)環(huán)，因此采用了閉環(huán)磁極的設(shè)計(jì)方案。

圖3 開(kāi)環(huán)磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度總值B/T指針1 B1/T指針2 B2/T開(kāi)環(huán)狀態(tài)0.186 970.007 2470.016 973閉環(huán)狀態(tài)0.339 320.215 080.221 55

3.2 磁極截面積

磁極的截面是用于導(dǎo)通磁極內(nèi)部的磁力線(xiàn)的，其面積的大小決定了最大磁場(chǎng)強(qiáng)度。但過(guò)大的截面對(duì)檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不利的[10]。以12 mm×12 mm為最大值，改變磁極截面積來(lái)觀(guān)察磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。如圖4所示，尖頭磁極截面和回形鐵芯截面是同時(shí)變化的，其他條件保持不變。

圖4 改變磁極截面積對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

改變磁極截面積做了7組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在截面為8 mm×8 mm時(shí)，所有磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)都是最小的，12 mm×12 mm截面的指針值比10 mm×10 mm截面的略大。另外，當(dāng)鐵芯截面為4 mm×4 mm和5 mm×5 mm的時(shí)候，也具有較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以在以后的分析中對(duì)這個(gè)尺寸范圍給予綜合分析。綜合觀(guān)察，當(dāng)鐵芯截面尺寸為12 mm×12 mm時(shí)有最佳效果。

表2 改變磁極截面積對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

3.3 磁極寬度

在不改變磁極厚度的情況下改變磁極截面積，即單純改變磁極寬度，探討磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。如圖5所示，尖頭磁極寬度和回形鐵芯寬度是同時(shí)變化的，其他條件不變。針對(duì)不同的磁極寬度做了8組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。從磁感應(yīng)強(qiáng)度總值分析，當(dāng)鐵芯寬度為7和2 mm時(shí)有較大值，從指針值可看出也是在寬度為7和2 mm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度有較大值。說(shuō)明在設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以考慮用薄片裝的磁極來(lái)取代方形截面的磁極。

圖5 改變磁極寬度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

寬度w/mm磁感應(yīng)強(qiáng)度總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T尖頭鐵芯12,回形120.339 320.215 080.221 55尖頭鐵芯10,回形100.155 720.150 490.130 91尖頭鐵芯9,回形90.030 5880.021 5250.010 357尖頭鐵芯8,回形80.132 30.111 730.103 68尖頭鐵芯7,回形70.511 760.301 360.473 43尖頭鐵芯6,回形60.117 050.029 7040.017 734尖頭鐵芯4,回形40.156 490.042 4470.067 014尖頭鐵芯2,回形20.729 390.419 250.319 04

3.4 回形鐵芯寬度

由于磁極中部的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，因此，考慮在不改變尖頭磁極的情況下，調(diào)整回形鐵芯的寬度，如圖6所示，做了8組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從磁感應(yīng)強(qiáng)度總值分析，寬度為12 mm時(shí)有最大值，從指針值分析，也是在回形鐵芯寬度為12時(shí)有最大值。

圖6 改變回形鐵芯寬度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

寬度w/mm磁感應(yīng)強(qiáng)度總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T尖頭鐵芯12,回形120.339 320.215 080.221 55尖頭鐵芯12,回形100.174 840.169 70.174 84尖頭鐵芯12,回形90.172 180.165 90.170 54尖頭鐵芯12,回形80.162 180.142 580.132 71尖頭鐵芯12,回形70.105 340.016 0130.005 004 6尖頭鐵芯12,回形60.196 660.125 310.120 6尖頭鐵芯12,回形40.258 210.106 150.113 91尖頭鐵芯12,回形20.247 660.042 9710.043 991

3.5 回形鐵芯厚度

同樣，由于磁極中部的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，在不改變尖頭磁極的情況下，通過(guò)調(diào)整回形鐵芯的厚度，如圖7所示，做了9組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。從磁感應(yīng)強(qiáng)度總值看，當(dāng)鐵芯厚度為8 mm時(shí)有最小值，鐵芯厚度為6和2 mm時(shí)有較大值。

圖7 改變回形鐵芯厚度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

鐵芯厚度t/mm磁感應(yīng)強(qiáng)總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T20.855 980.224 20.215 1940.412 070.117 880.095 36950.311 760.126 270.137 2260.446 920.271 230.257 6470.173 620.060 2160.043 06780.038 8750.027 0390.025 9390.112 980.064 1410.077 176100.213 640.148 390.131 42120.339 310.215 080.221 55

4 線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)對(duì)磨粒沉積區(qū)域的影響

4.1 線(xiàn)圈厚度

激勵(lì)線(xiàn)圈作為磁極的激勵(lì)部件，其尺寸與位置決定了磁極能產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小。如圖8所示，其他條件均不變，改變線(xiàn)圈的厚度，做了5組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表6所示?？煽闯觯鸥袘?yīng)強(qiáng)度總值的最大值是在線(xiàn)圈厚度為22和21 mm時(shí)，并且指針最大值也是在這2個(gè)線(xiàn)圈厚度下出現(xiàn)。

圖8 改變線(xiàn)圈厚度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

線(xiàn)圈厚度δ/mm磁感應(yīng)強(qiáng)度總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T200.209 940.164 330.164 12210.357 950.197 080.219 74220.339 320.215 080.221 55230.264 430.134 430.133 95240.087 6320.009 034 10.003 963 5

4.2 線(xiàn)圈直徑

改變線(xiàn)圈的直徑，即線(xiàn)圈纏繞的匝數(shù)，如圖9所示，其他條件不變，做了5組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。從磁感應(yīng)強(qiáng)度總值分析線(xiàn)圈直徑在36 mm出現(xiàn)最大值，從指針值分析，也是在線(xiàn)圈直徑為36 mm出現(xiàn)最大值。

圖9 改變線(xiàn)圈直徑對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

線(xiàn)圈直徑d/mm磁感應(yīng)強(qiáng)度總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T340.199 760.087 3690.094 214350.333 150.160 660.146 86360.339 320.215 080.221 55370.143 810.037 3810.03 369 4380.114 480.064 860.067 79

4.3 線(xiàn)圈與鐵芯間隙

勵(lì)磁線(xiàn)圈纏繞在回形鐵芯的兩側(cè)上，在保持線(xiàn)圈與尖頭鐵芯中心的相對(duì)位置不變的情況下，改變回形鐵芯的與線(xiàn)圈的間隙量，觀(guān)察磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，結(jié)果如表8所示。從磁感應(yīng)強(qiáng)度總值對(duì)比可得出，內(nèi)邊距為4 mm時(shí)有最大值；從指針位置數(shù)據(jù)可看出，也是內(nèi)邊距為4 mm時(shí)有最大值。

圖10 改變線(xiàn)圈到回形鐵芯間隙對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

線(xiàn)圈到鐵芯內(nèi)邊距s/mm磁感應(yīng)強(qiáng)度總值B/T指針1 B1/T指針2 B2/T20.161 670.012 0190.040 26130.145 380.120 820.123 9740.339 320.215 080.221 5550.216 610.078 1820.079 78160.157 050.054 5270.056 806

5 磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度分析

根據(jù)上述變量的控制分析與優(yōu)化，結(jié)合設(shè)計(jì)需要獲得最優(yōu)的尺寸參數(shù)。對(duì)設(shè)計(jì)的磁極結(jié)構(gòu)的磨粒沉積區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析。采用ANSYS(APDL)經(jīng)典模塊對(duì)部件的磁場(chǎng)工作平面進(jìn)行二維模擬分析。

圖11是磁場(chǎng)強(qiáng)度輪廓圖，圖12是圖11在磨粒沉積區(qū)域的局部放大圖?？梢钥闯觯艌?chǎng)強(qiáng)度主要集中在尖頭鐵芯附近，其他地方幾乎沒(méi)有，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為132 684 A/m，并且鐵芯尖銳部分出現(xiàn)了最大值。

圖11 磁場(chǎng)強(qiáng)度輪廓圖(A/M)

圖12 磁場(chǎng)強(qiáng)度輪廓局部放大圖(A/M)

圖13是磁感應(yīng)強(qiáng)度輪廓圖，圖14是圖13在磨粒沉積區(qū)域的局部放大圖。最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.216 971 T，在鐵芯的內(nèi)邊角處。可見(jiàn)，在鐵芯的內(nèi)邊角處容易出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大區(qū)域。

圖13 磁感應(yīng)強(qiáng)度輪廓圖(T)

圖14 磁感應(yīng)強(qiáng)度輪廓局部放大圖

為了更直觀(guān)地表示沉積區(qū)域附近磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況。以沉積區(qū)域中心及2個(gè)磁極中心點(diǎn)所在直線(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化作為觀(guān)察對(duì)象，如圖15所示，可以看出從回形鐵芯到磁極端點(diǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在不斷增強(qiáng)，直到磁極與空氣的臨界面上到達(dá)峰值，隨后迅速衰弱，到沉積區(qū)域中心后又快速回升，直到另一磁極再次進(jìn)入鐵芯的臨界面上又一次達(dá)到峰值，如圖16所示。從圖17中的數(shù)據(jù)中也可以看出在該直線(xiàn)上磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。如圖17所示的3組數(shù)據(jù)。其中，第一個(gè)和第三個(gè)點(diǎn)，是在尖頭鐵芯附近的最大值，第二個(gè)點(diǎn)是在2個(gè)尖頭鐵芯中心位置的值，這樣就能更準(zhǔn)確地理解路徑點(diǎn)在各個(gè)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小了。

圖15 兩磁極中心連線(xiàn)

圖16 兩磁極中心連線(xiàn)上的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化

圖17 兩磁極中心連線(xiàn)上的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

(1)與開(kāi)環(huán)磁極相比，由回形鐵芯構(gòu)成的閉環(huán)磁極能提供高出幾十倍的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此在磨粒檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在不與鏡頭發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉的前提下，采用閉環(huán)磁極以獲得最佳磨粒沉積效果。

(2)改變磁極的截面形狀和截面積的大小，會(huì)影響磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度，且并非截面積越大越好。設(shè)計(jì)合理的小截面鐵芯同樣可以達(dá)到較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，且可以考慮用薄片裝的磁極來(lái)取代方形截面的磁極。

(3)勵(lì)磁線(xiàn)圈的厚度與線(xiàn)圈直徑同樣會(huì)影響勵(lì)磁效果。分析表明，采用厚度21 mm、直徑36 mm的線(xiàn)圈能獲得最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

(4)尖頭磁極可以使磁場(chǎng)集中在一個(gè)較小的區(qū)域范圍內(nèi)，避免磁場(chǎng)過(guò)快衰減從而削弱吸附效果?？梢允箚挝惑w積內(nèi)的磨粒盡可能地集中在小區(qū)域內(nèi)，便于圖像采集和分析。