电感式油液金属颗粒在线监测技术的研究

发布时间：2020-08-16 20:35

【摘要】：润滑油具有润滑、冷却、防锈、抗氧化、密封、缓冲等作用,在机械设备中被广泛应用。机械设备在运行过程中会产生各类杂质污染润滑油,其中以金属颗粒物的污染最为严重。金属颗粒硬度高,极易引起机械设备内运动部件磨损失效。对润滑油液内金属颗粒的材料、数量、尺寸、形态等进行监测,能得出设备摩擦副的工作状态,从而对故障进行监测及预警。因此,对润滑油液中金属颗粒的在线监测是十分重要且有效的传感技术。本文基于电磁感应原理设计研究了一种电感式金属颗粒在线监测传感器,主要内容包括:根据电磁感应定律,分析了单个螺线管线圈及两个螺线管并列式结构的磁感应强度分布特性。发现在线圈的径向位置,磁场虽弱但是分布较内部轴向区域更均匀。在两个螺线管并列放置时,通过调整两线圈的间距至线圈半径的1.18倍,可使两线圈之间的轴向磁场更加均匀。基于Ansoft Maxwell电磁场仿真软件,分析两种(有无铁氧体)并列式双线圈的静态磁场分布,发现线圈内部加入铁氧体后,中心径向区域的磁场在不影响均匀的前提下被加强。由此确定了传感器检测段的结构设计和理论模型。通过对传感器检测段模型的瞬态仿真计算,研究润滑油液中金属颗粒的种类、尺寸、运动速度及运动路径对传感器检测区域磁场的影响。结果表明本文设计的传感器检测段能够有效区分铁磁性和抗铁磁性金属颗粒,50μm~400μm的铁颗粒和铜颗粒引起的频率变化范围分别为-0.55121%~-0.66513%和0.021359%~0.033597%。金属颗粒的运动速度对检测效果基本没有影响。不同的运动路径中,铁颗粒在距离中心路径纵向方向1mm及横向方向2mm内的路径上的运动时,对原有磁场磁感应强度的影响值变化不超过100mT,在误差允许范围内可以忽略运动路径不同对原磁场的影响。根据LC振荡电路的原理,设计了与传感器检测段匹配的检测电路。以Keysight频率计为数据采集的硬件、以LabVIEW及Matlab为数据处理软件,建立传感器的数据采集及信号处理系统。通过滑动平均值滤波以及小波包分析法,对采集到的频率信号进行处理,得到包含颗粒物信息的有效输出信号。对设计的传感器进行试验测试,分析在实验室条件下传感器对于不同尺寸的铁磁性及抗铁磁性金属颗粒的响应。测试结果表明,传感器能够对尺寸为50μm~400μm的金属颗粒进行区分和检测。铁颗粒的试验结果与仿真结果的相对误差为1.81%~2.21%,铜颗粒相对误差为1.28%~4.76%,因此本传感器对铁颗粒与铜颗粒的实际检测特性曲线由试验结果的拟合曲线来确定。本文提出的新型金属颗粒传感器能有效区分50μm~400μm铁颗粒和铜颗粒,具有较高的灵敏度,且具有流动通道宽、传感器尺寸较小的优势,在实际工程应用中具有重要的理论和应用价值。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH117.2
【图文】：

对于润滑油液检测技术的研究起步较晚，但是也在积极地开展各类设计及金属颗粒监测技术的研究将逐步深入。目前，比较典型的电感式油液检测颗粒检测传感器[40-42]、短螺线管式金属颗粒传感器[43, 44]、及基于微电感测器[45]。圈结构的颗粒检测传感器的结构与 GasTops 开发的传感器结构类似，又被励螺旋管式传感器，结构如图 1-1 所示。在传统的三线圈结构的基础上，反向双激励式传感器，如图 1-2 所示。在双激励单感应的基础上，增设了圈，显著增加了输出的感应电动势，并在此结构的基础之上，在传感器外寸匹配的聚磁介质，从而增加油路里面的磁场强度，增加输出感应电动势而这种设计对于导磁介质的结构要求比较高，导磁介质过大或者过小都可电动势的对称性。，反向双激励式的颗粒检测传感器对尺寸大于 150μm 的金属颗粒响应较50μm 以下的小尺寸金属颗粒的检测还不是特别灵敏。

图 1-2 四线圈结构的颗粒检测传感器短螺线管式传感器的结构，这种喷油器在螺线结构，这种结构能够减少金属颗粒物通过检测线圈所需抗干扰能力。该传感器结构简单，对于电路的设计已能在实验室条件下检测到尺寸为 50μm 的铁颗粒和力较弱，在实际使用中还需要进一步的改进和提高

图 1-4 微电感涡流传感器的研究目前仍处于理论研究较多、实证研究较少的状态，主流电感式的油感器的检测范围普遍在 150μm 及以上，还需要进一步开发对小尺寸颗粒微电感传感器能够检测到尺寸较小（50μm）的金属颗粒，但是油液流道小，且流道容易堵塞。在仿真研究方面，已经开始进入理论仿真研究与试验段，仿真研究中二维仿真模型的使用多于三维仿真。综合来看国内并没有，性能十分稳定的油液内金属颗粒检测传感器产品，对于能识别小尺寸（1金属颗粒，检测流道大的油液金属检测传感器仍然需要进一步的开发与滑油液监测技术发展趋势油液在线监测的迫切需求推动了传感器技术的发展。新的传感器开发越来在过去的几十年里，各种各样的传感器被设计并检测。通过对润滑油液监分析，将油液监测传感技术的发展趋势概括为以下几个方面：

【参考文献】

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本文编号：2794910