李 飛，孫云嶺，田洪祥，李 婧

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266041；2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

0 引言

磨損失效[1]是機(jī)械設(shè)備典型的故障形式，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)在用潤(rùn)滑油中的磨損微粒，及時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取摩擦學(xué)系統(tǒng)的潤(rùn)滑磨損等信息，可有效診斷預(yù)測(cè)設(shè)備異常磨損故障[2]?，F(xiàn)有的磨粒在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中，電磁學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用相對(duì)廣泛、效果較好，基于電磁感應(yīng)原理的三線圈式磨粒在線監(jiān)測(cè)儀可檢測(cè)出 100 μm以上的磨屑[3]并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)該類傳感器進(jìn)行了深入研究和創(chuàng)新應(yīng)用[4-5]；基于高強(qiáng)度和高梯度磁場(chǎng)沉積鐵磁質(zhì)的鐵譜技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了在線可視化應(yīng)用[6]。就目前應(yīng)用來(lái)看，現(xiàn)有的鐵磁性磨粒在線監(jiān)測(cè)方法還存在成本高、對(duì)小尺寸顆粒檢出能力不足等問(wèn)題，尚難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

文獻(xiàn)[7]基于巨磁電阻效應(yīng)利用巨磁電阻磁傳感器芯片離線監(jiān)測(cè)油液鐵磁性磨粒，測(cè)試結(jié)果可較好反映磨粒的濃度而基本不受其尺寸的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巨磁電阻磁傳感器易受外界空間電磁波等的干擾而產(chǎn)生一定的噪音信號(hào)，可能會(huì)湮沒(méi)單個(gè)小尺寸磁化磨粒的微弱磁場(chǎng)信號(hào)，造成對(duì)較小尺寸鐵磨粒的檢測(cè)能力不足，而小尺寸鐵磁性磨粒正是異常磨損的早期征兆[8]；文獻(xiàn)[9-10]在螺線管式傳感器的上端油路用磁鐵聚集一定量的磨粒后釋放，顯著提高了傳感器對(duì)小尺寸磨粒的檢出能力。在上述研究基礎(chǔ)上，本研究嘗試將巨磁電阻效應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際循環(huán)油路中鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測(cè)，并結(jié)合磨粒聚集的方法以提升巨磁電阻磁傳感器對(duì)小尺寸顆粒的檢出能力。

1 裝置及檢測(cè)方法介紹

1.1 在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)合巨磁電阻效應(yīng)和磨粒聚集法，設(shè)計(jì)并搭建了如圖1所示的在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(a)裝置原理圖

(b)裝置實(shí)物圖圖1 在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)チＶ苽?/h3>

用鐵譜顯微鏡分別選取直徑約為250、120、75 μm等的單個(gè)近似球形鐵磨粒，用精密篩網(wǎng)分別篩選<25 μm、10～50 μm、20～70 μm、50～120 μm等不同尺寸范圍的鐵粉顆粒，如圖2所示。

1.3 檢測(cè)方法及原理

(a)120 μm單磨粒

(b)75 μm單磨粒

(c)<25 μm鐵粉圖2 部分實(shí)驗(yàn)用磨粒顯微觀測(cè)圖

將待測(cè)磨粒通過(guò)顆粒添加裝置添加至循環(huán)油路中，實(shí)驗(yàn)?zāi)チｋS油液流經(jīng)置于傳感器芯片前端油路外側(cè)底部的強(qiáng)磁鐵時(shí)，被磁場(chǎng)吸附聚集并被磁化，一段時(shí)間后撤走外磁場(chǎng)釋放磨粒(實(shí)際操作中，可用電磁鐵通斷電實(shí)現(xiàn)磨粒的自動(dòng)聚集與釋放)，磨粒隨油路以一定的速度通過(guò)巨磁電阻磁傳感器(同樣置于油路外側(cè)底部)，傳感器芯片可輸出與磨粒剩磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的電壓信號(hào)，信號(hào)放大器將該電壓信號(hào)放大一定倍數(shù)后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行濾波等分析處理。由于實(shí)驗(yàn)用磁傳感器芯片僅適用于弱磁場(chǎng)的檢測(cè)，強(qiáng)磁場(chǎng)極易導(dǎo)致工作中的芯片損毀，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需先撤走用來(lái)聚集磨粒的強(qiáng)磁鐵，再接通傳感器芯片電源，此外，用干電池作為傳感器芯片和放大電路的電源，也可有效降低交流電磁場(chǎng)對(duì)傳感器芯片輸出信號(hào)的干擾。

2 磨粒檢出能力

將制備的不同尺寸單個(gè)鐵磨粒添加至油路，研究實(shí)際循環(huán)油路條件下傳感器對(duì)單個(gè)磨粒的檢出能力。先后利用巴特沃斯低通濾波器和高通濾波器濾去系統(tǒng)原始輸出信號(hào)中的高頻噪聲和低頻緩變信號(hào)，結(jié)果如圖3所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

圖3中明顯觀測(cè)到了120 μm左右磨粒的特征波形，但尺寸為75 μm的磨粒檢測(cè)信號(hào)不夠明顯，說(shuō)明裝置對(duì)75 μm以下的單個(gè)鐵磨粒檢測(cè)能力不足，同時(shí)考慮到在循環(huán)油路中難以有效掌控該尺寸范圍內(nèi)小磨粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故將一定量篩選的小尺寸鐵粉添加至循環(huán)油路用磁鐵聚集法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)濾波處理后的檢測(cè)信號(hào)曲線如圖4所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

(a)120 μm單磨粒檢測(cè)曲線

(b)75 μm單磨粒檢測(cè)曲線圖3 不同尺寸單顆粒的檢測(cè)曲線

(a)10～50 μm鐵粉檢測(cè)曲線

(b)<25 μm鐵粉檢測(cè)曲線圖4 不同尺寸多顆粒的檢測(cè)曲線

由圖4檢測(cè)曲線可知，在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)磨粒聚集的方法檢測(cè)到了較小尺寸的磨粒，其中，檢測(cè)曲線中間出現(xiàn)較明顯波動(dòng)的部分為磨粒信號(hào)區(qū)間，兩端較平緩的部分為非磨粒信號(hào)區(qū)間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)外磁場(chǎng)的聚集作用后，磨粒以較高的局部濃度通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域；此外，磨粒經(jīng)磁化后具備一定磁性，部分單個(gè)小尺寸磨粒在磁性力相互作用下吸引在一起形成大尺寸磨粒團(tuán)，因而顯著提高了該裝置的檢出能力。

3 多顆粒檢測(cè)信號(hào)特征指標(biāo)的提取

對(duì)比圖3和圖4可知，單磨粒與多磨粒的檢測(cè)信號(hào)波形差別較大，多磨粒的檢測(cè)信號(hào)特征更為復(fù)雜，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)定量分析，需選取能較好反映磨粒平均水平的特征指標(biāo)，該特征指標(biāo)需要滿足2個(gè)條件：一是能明顯區(qū)分磨粒信號(hào)與非磨粒信號(hào)；二是該指標(biāo)一致性良好。

均值、平均差、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、協(xié)方差、均方根等統(tǒng)計(jì)量常用來(lái)反映信號(hào)的特征[11]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)[12]，分別提取一階統(tǒng)計(jì)量極差，二階統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)差，三階統(tǒng)計(jì)量偏度，四階統(tǒng)計(jì)量峰度對(duì)檢測(cè)曲線進(jìn)行分析。

選取同一實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)檢測(cè)得到的5組檢測(cè)信號(hào)，分別計(jì)算其非磨粒信號(hào)區(qū)間、磨粒信號(hào)區(qū)間的極差、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)4個(gè)指標(biāo)值，再求出磨粒信號(hào)區(qū)間各指標(biāo)的離散系數(shù)(用V表示)及磨粒信號(hào)區(qū)間相對(duì)非磨粒信號(hào)區(qū)間各指標(biāo)的增長(zhǎng)率(用Gr表示)。

(1)

(2)

結(jié)果如表1所示。

表1 特征指標(biāo)分析

由表1對(duì)各特征指標(biāo)的分析可知，磨粒信號(hào)區(qū)間的極差、標(biāo)準(zhǔn)差、峰度系數(shù)3個(gè)指標(biāo)的離散系數(shù)均在10%以內(nèi)，說(shuō)明這3個(gè)指標(biāo)一致性較好，可以用來(lái)穩(wěn)定地反映磨粒水平，而偏度系數(shù)的離散系數(shù)較大，該指標(biāo)一致性較差，不宜用來(lái)反映磨粒水平；從增長(zhǎng)率來(lái)看，極差、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度系數(shù)的增長(zhǎng)率又明顯大于峰度系數(shù)，能夠有效區(qū)分磨粒信號(hào)和非磨粒信號(hào)；故選用極差、標(biāo)準(zhǔn)差2個(gè)指標(biāo)來(lái)分析檢測(cè)曲線。

4 相關(guān)變量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

巨磁電阻磁傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)度與待測(cè)磁場(chǎng)的大小有關(guān)[13]，而多個(gè)磁化磨粒作用于傳感器芯片的復(fù)合剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度可能取決于磨粒濃度、含量、尺寸等因素；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磨粒在外磁場(chǎng)中聚集成一團(tuán)，撤走外磁場(chǎng)后，磨粒團(tuán)在多種流體力作用下逐漸分散，分散程度可能與運(yùn)動(dòng)的距離有關(guān)。綜上，采用控制變量法，研究磨粒聚集區(qū)與芯片的距離、磨粒質(zhì)量、磨粒尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度。

4.1 磨粒聚集位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

取定量尺寸為20～70 μm的鐵粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先后在傳感器上游2、4、6、8、10 cm位置處聚集磁化實(shí)驗(yàn)?zāi)チ?，同一位置條件下均進(jìn)行5次檢測(cè)，求5組檢測(cè)數(shù)據(jù)磨粒信號(hào)區(qū)間的特征指標(biāo)后取平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 磨粒聚集位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由圖5可知，隨著聚集位置與傳感器芯片之間距離的增加，磨粒信號(hào)區(qū)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均明顯減小，即檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，可知?dāng)這一距離進(jìn)一步增大時(shí)，裝置可能難以有效檢測(cè)出磨粒信號(hào)。為確保裝置的檢測(cè)性能，最佳的磨粒聚集位置應(yīng)盡量靠近傳感器芯片，同時(shí)，為避免用來(lái)聚集磨粒的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)巨磁電阻磁傳感器芯片的干擾性及破壞性，在實(shí)際操作中，需要增設(shè)嚴(yán)密的磁屏蔽裝置，或者用電磁鐵代替永磁鐵，通過(guò)控制電磁鐵與傳感器芯片的通斷電先后順序避免二者同時(shí)工作。

4.2 磨粒含量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

用精密電子天平分別量取1、3、5、7、9 mg尺寸范圍為20～70 μm的鐵粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種磨粒質(zhì)量條件下均進(jìn)行5次測(cè)試，求5組檢測(cè)數(shù)據(jù)磨粒信號(hào)區(qū)間的特征指標(biāo)后取平均值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 磨粒質(zhì)量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由圖6可知，檢測(cè)信號(hào)的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均隨磨粒的量基本呈線性增加，即檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，說(shuō)明檢測(cè)值可粗略反映磨粒的量。循環(huán)油路中，不考慮磁鐵吸附磨粒的效率，聚集磨粒的量m可由式(3)確定[10]：

m=Qtc

(3)

式中：Q為油液流量，mL/s；t為磨粒聚集時(shí)間，s；c為油液中磨粒濃度，g/mL。

根據(jù)式(3)，當(dāng)油液流量、磨粒聚集時(shí)間一定時(shí)，磨粒的量與其在油液中的濃度線性相關(guān)，故裝置檢測(cè)值又可粗略反映磨粒濃度大小。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油液流量約為2.3 mL/s，明顯檢測(cè)到了含量為1 mg的磨粒。在實(shí)際潤(rùn)滑系統(tǒng)中，如果磨粒濃度的警報(bào)值為50 mg/L，由式(3)換算可得，在實(shí)驗(yàn)條件下，為使監(jiān)測(cè)裝置在磨粒濃度達(dá)到警報(bào)值時(shí)及時(shí)報(bào)警，需要的磨粒聚集時(shí)間約為9 s，表明該裝置監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

4.3 磨粒尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

取等量尺寸范圍為<25 μm、10～50 μm、20～70 μm、50～120 μm、100～250 μm的鐵粉進(jìn)行試驗(yàn)，每種磨粒尺寸條件下均測(cè)試5次，求5組檢測(cè)信號(hào)磨粒信號(hào)區(qū)間的極差與標(biāo)準(zhǔn)差后取平均值，結(jié)果如圖7所示。

圖7 鐵粉尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由圖7可知，當(dāng)待測(cè)磨粒的量一定時(shí)，即循環(huán)油路流量、磨粒濃度及聚集時(shí)間一定時(shí)，隨著鐵粉尺寸的增加，磨粒信號(hào)區(qū)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均逐漸增加，即檢測(cè)信號(hào)逐漸變強(qiáng)，表明檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度還可用于粗略判斷磨粒尺寸的大小，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可反映磨粒尺寸的變化趨勢(shì)。

綜合上述分析，鐵磁性磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度可以粗略反映潤(rùn)滑系統(tǒng)中磨粒濃度與尺寸的水平。摩擦學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中磨損顆粒的濃度與尺寸分布變化規(guī)律如圖8所示，a～d分別代表了正常磨損、開(kāi)始嚴(yán)重磨損、磨損故障繼續(xù)發(fā)展、災(zāi)難性故障4個(gè)磨損階段。

圖8 不同磨損階段磨粒濃度與尺寸分布變化

由圖8可知，在不同磨損階段，隨著磨損程度的加深，磨損顆粒的尺寸與濃度均同步增加，故裝置的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度又可進(jìn)一步反映設(shè)備磨損階段及其發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)論

(1)基于巨磁電阻效應(yīng)的鐵磁性磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置可有效檢測(cè)出尺寸大于75 μm的單個(gè)鐵磨粒，而利用磨粒聚集法則可以檢測(cè)到25 μm以下的小尺寸顆粒，從而顯著提高了裝置的檢測(cè)性能，可望用于設(shè)備早期異常磨損的報(bào)警。

(2)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度與鐵磨粒含量基本成線性關(guān)系，與磨粒尺寸也存在明顯相關(guān)性，可望用于粗略判斷設(shè)備磨損階段及發(fā)展趨勢(shì)。