CN102608008A - 基于静电感应的在线磨损监测方法、装置及实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电感应的在线磨损监测方法，用于对循环润滑情况下的磨损情况进行在线监测。该方法首先在线提取油液及其中磨粒的静电信号；然后利用互相关系数结合差分的去噪方法对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号；根据油液磨粒静电信号的特征参数对磨损情况进行判断。进一步地，所述特征参数包括以下三种特征参数中的至少一种：均方根值、峭度指标、互相关系数。本发明还公开了一种基于静电感应的在线磨损监测装置及试验系统。相比现有技术，本发明能够更实时有效地去除信号中的背景噪声，并提高监测的准确性。

Description

基于静电感应的在线磨损监测方法、装置及实验系统

技术领域

本发明涉及一种在线磨损监测方法，尤其涉及一种基于静电感应的在线磨损监测方法、装置及实验系统。

背景技术

现代航空发动机的主轴承、直升机齿轮箱，在重载、高速、高温条件下运行，这些零部件从初始剥落到零部件失效发展很快，往往仅几个小时时间，对这些零部件状态的实时、在线监测，并提供零部件衰退的早期症兆的预警具有非常重要意义。

磨粒是零部件磨损状态的重要信息元，对其进行监测可以了解摩擦表面发生的磨损状态的严重程度及失效形式的重要依据。目前润滑系统磨粒监测主要采用离线方法（如铁谱分析、光谱油样分析、滑油滤磨屑图像）和在线方法（如电感式传感器、磁塞传感器）。现有的离线方法采用离线取样，分析周期长，检测结果滞后于实际运行状态；在线方法将传感器安装在油路上，可以实时在线监测，这些传感器能监测大于125μm铁磁性金属颗粒及大于250μm非铁磁性金属颗粒。最近，静电感应技术被开发用于状态监测，已作为研究零部件摩擦磨损产生的磨粒监测的一种重要的在线监测方法。油路静电监测技术的监测对象为磨损故障本身产生的磨粒，而不是其二次效应，相比于振动监测、温度监测等更能对零件衰退早期症状（磨损初期产生的大量微细磨粒）敏感，同时提供实时监测信息。例如，一篇中国发明专利《油液磨粒在线监测方法及系统》（申请号为200810155902.7，申请日为2008.10.10.公开日为2009年3月25日）中公开了一种利用静电传感器对油液中的磨粒所带静电进行测量，并根据测量结果对油液中磨粒浓度进行实时在线监测的方法及系统。由于其原理是检测磨粒所携带的静电，因此对磨粒的材料无特殊限制，极大地扩展了应用范围。其监测的最小磨粒尺寸达50μm。

上述技术方案中在对静电传感器的信号进行去噪处理时，利用了油液背景和油液磨粒静电信号的频域特性差别进行去噪处理，基于频域的去噪方法算法较复杂，难以完全满足磨粒监测的实时性要求；而且该方案仅简单采用磨粒浓度作为判断磨损情况的依据，无法准确而全面地反映磨损情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于静电感应的在线磨损监测方法、系统，能够有效去除磨粒静电信号中的噪声，且实时性更好。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题。

一种基于静电感应的在线磨损监测方法，用于对循环润滑情况下的磨损情况进行在线监测，该方法首先在线提取油液及其中磨粒的静电信号；然后对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号；根据油液磨粒静电信号的特征参数对磨损情况进行判断；所述在线提取油液及其中磨粒的静电信号，利用一对按照预设间距安装在循环润滑主油路上的相同的静电传感器实现；所述对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号，具体按照以下方法：对两个静电传感器的信号进行差分去噪，具体按照下式：

  ，

式中，

为差分去噪后得到的信号；

为位于循环润滑主油路上游的静电传感器在t时刻的信号，

为位于循环润滑主油路下游的静电传感器在

时刻的信号；其中

为两个静电传感器的信号延迟时间，按照以下方法得到：

对两个静电传感器的信号进行互相关运算，求得两个静电传感器上感应信号延迟时间

的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间，即为两个静电传感器的信号延迟时间

。

    一种基于静电感应的在线磨损监测装置，用于对循环润滑情况下的磨损情况进行在线监测，该装置包括一对按照预设间距安装在循环润滑主油路上的相同的静电传感器，以及与所述两个静电传感器信号连接的信号处理单元；两个静电传感器用于在线提取油液及其中磨粒的静电信号；信号处理单元对静电传感器提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号，并根据油液磨粒静电信号的特征参数对磨损情况进行判断；所述对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号，具体按照以下方法：对两个静电传感器的信号进行差分去噪，具体按照下式：

  ，

式中，

为差分去噪后得到的信号；

为位于循环润滑主油路上游的静电传感器在t时刻的信号，

为位于循环润滑主油路下游的静电传感器在

时刻的信号；其中

为两个静电传感器的信号延迟时间，按照以下方法得到：

对两个静电传感器的信号进行互相关运算，求得两个静电传感器上感应信号延迟时间

的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间，即为两个静电传感器的信号延迟时间

。

优选地，所述油液磨粒静电信号的特征参数包括以下三种特征参数中的至少一种：均方根值、峭度指标、互相关系数。

根据本发明的思路，还可以得到一种基于静电感应的在线磨损监测实验系统，可用于对润滑条件下各种材料的滑动摩擦副或滚动摩擦副的磨损产生磨粒的过程进行试验，为磨损过程和机理的研究分析提供数据。该实验系统包括万能摩擦磨损试验机、便携式循环润滑系统和如上所述在线磨损监测装置；所述便携式循环润滑系统包括：油箱、油泵、进油管、出油管；进油管和出油管的两端分别与油箱及所述万能摩擦磨损试验机的润滑油箱密封连接，构成循环润滑主油路；油泵接入所述循环润滑主油路；所述在线磨损监测装置中的两个静电传感器安装于所述出油管上靠近其与万能摩擦磨损试验机的润滑油箱连接处的位置。

优选地，所述进油管和出油管均通过快换式接头与万能摩擦磨损试验机的润滑油箱密封连接。

进一步地，所述循环润滑主油路中还安装有可调节流阀、溢流阀、流量计及压力计。

本发明利用两个静电传感器提取磨粒静电信号，并采用互相关函数与差分结合的去噪方法，能够更有效地去除信号中的背景噪声；并提取均方根值、峭度指标、互相关系数这三种特征参数中的至少一种作为磨损情况的判定依据，提高了磨损情况监测的准确度。

附图说明

图1为本发明基于静电感应的在线磨损监测装置的系统框图；

图2为本发明基于静电感应的在线磨损监测实验系统的结构示意图；

图3为便携式润滑系统的结构原理图；

图中标号名称：

1、静电传感器，2、信号调理电路，3、信号采集卡，4、计算机，5、盘试件，6、摩擦副，7、销试件，8、摩擦力矩传感器，9、力传感器，10、便携式润滑系统， 11、进油过滤器，12、齿轮泵，13、电机，14、溢流阀，15、单向阀，16、可调节流阀，17、换向阀，18、压力指示器，19、流量计，20、快换式进油管接头，21、快换式出油管接头，22、实验油管，23、油管，24、回油过滤器，25、润滑油，26、油箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的基于静电感应的在线磨损监测装置，用于对循环润滑情况下的磨损情况进行在线监测，如图1所示，该装置包括一对按照预设间距安装在循环润滑主油路上的相同的静电传感器1，以及与所述两个静电传感器信号连接的信号处理单元。本具体实施方式中，信号处理单元包括依次连接的信号调理电路2、信号采集模块3、计算机4，其中信号采集模块为采用NI公司WLS 9234数字采集卡，计算机采用基于Windows平台的通用PC，通过设计NI LabVIEW采集程序对静电感应信号进行采集，设置合适的采样频率1000Hz。静电传感器1为圆环状的非接触式静电传感器，当悬浮在润滑油中的荷电磨粒经过静电传感器时，被静电传感器所感应，所得信号通过信号调理电路2进行放大、滤波，采用信号采集卡3对静电感应信号进行采集，计算机4对信号数据存储、分析。静电监测属于典型的微弱信号检测，信噪比低，噪声对静电信号的污染将严重影响油路故障的辨别与判断，因此必须对静电传感器所接收的静电信号进行去噪处理。现有技术通常采用基于频域的去噪处理。而本发明则采用互相关结合差分的基于时域的去噪方法。当润滑油流经静电传感器时，油流带电的静电荷在第一个静电传感器1和第二个静电传感器1上分别感应出静电信号，由于润滑油在管道中作稳定流动，采用互相关法可以方便地获得润滑油的流速信息，从而求得两静电传感器信号的延迟时间，再利用差分运算对上下游静电传感器信号进行处理，以消除或减小静电监测中背景噪声。该去噪方法具体如下：

将稳定流动的油流带电作为移动信源，静电传感器上检测到原始信号具有规律性特征，设两个静电传感器之间给定间距为

，对位于油流上游的静电传感器1的信号

和位于油流下游的1的信号

进行互相关运算，求得荷电油液在上、下游静电传感器上感应信号延迟时间

的互相关函数：

互相关函数最大值所对应的延迟时间，即为所要测量和估计的延迟时间

。

进一步对、

信号进行差分运算：

得到结果即为油液感应信号的背景噪声消除后所提取的油液中磨粒静电信号。

理想地，如果润滑油中没有荷电颗粒或润滑油中颗粒与滑油运动速度相同，则两个静电传感器感应信号相似，经过上述处理后得到的残值应该为零值。

实际情况下，由于磨粒表面不规则及重力作用等因素，磨粒和润滑油通常具有不同运动速度。所以通过信号互相关法和差分运算消噪之后所得到的残值并不为零，而带有脉冲尖峰出现，表明了荷电颗粒的存在。这是采用上、下游静电传感器组成的感应信号差分运算消噪监测润滑油中荷电颗粒物的理论基础。

完成油液磨粒静电信号的去噪后，即可提取信号中的与磨损情况相关的特征参数，并根据提取的特征参数进行磨损情况的分析判定。本发明采用以下三种特征参数中的至少一种作为磨损状况的判断指标：均方根值、峭度指标、互相关系数。下面对这三种特征参数分别予以说明。

（1）均方根值（RMS）反映摩擦副的磨损趋势变化及突然出现的大磨粒所引起的脉冲尖峰。

均方根值（RMS）反映信号的能量大小。静电传感器感应信号的RMS值如下式：

式中：i为取1和2的值，分别表示为第一个静电传感器1和第二个静电传感器1；

为经带通滤波的感应信号经离散采样后在所取时间长度内的采样点数，通常取为0.1s，即每0.1秒长度计算一个RMS值；

为经带通滤波并离散采样后第一个静电传感器1（OLS1）和第二个静电传感器1（OLS2）的感应电压信号。

随着磨损程度的加剧，润滑系统中颗粒增多，单位时间内经过传感器敏感区域的施感电荷量上升，传感器输出的信号的幅值或RMS值也会升高。因此可以通过预先设定RMS阈值实现磨损情况的监测预警。

（2）采用峭度描述由于磨损产生磨粒的突然增加引起的脉冲尖峰，从而对磨损故障征兆敏感。

峭度作为随机变量

的非高斯性的数量测度，是一种经典测度，用来检验信号偏离正态分布的程度，其定义为：

式中随机变量

具有零均值。

峭度反映了信号概率密度函数峰顶的凸平度。峭度对大幅值非常敏感，当其概率增加时，信号的峭度将迅速增大，非常有利于探测信号中的脉冲信息。

统计特征参量，其数值大小常因负载、转速等条件的变化而变化，给工程应用带来一定的困难，所以在状态监测与故障诊断中还采用量纲一的指标，即无量纲指标。峭度指标：

（3）采用互相关系数描述由于磨粒经过全流量在线静电传感器1时产生的信号延迟。

互相关系数用来描述两个信号之间的相似程度。对于润滑油流经静电传感器1时，油流带电的静电荷在静电传感器1的OLS1和OLS2上分别感应出静电信号。由于油液在管道中作稳定流动，采用互相关法可以方便地获得油液的流速信息，从而求得两静电传感器1信号的延迟时间，再利用差分运算对第一个静电传感器1（OLS1）和第二个静电传感器1（OLS2）的感应电压信号进行处理，以消除或减小静电监测中背景噪声。

将稳定流动的油流带电作为移动信源，静电传感器1上检测到原始信号具有规律性特征，对给定间距的静电传感器1的

、进行互相关，求得荷电油液在静电传感器1上感应信号延迟时间

的互相关系数：

互相关系数最大值所对应的延迟时间，即为所要测量和估计的延迟时间

。而此时将对应磨粒的存在。

上述三种特征参数可以单独使用，也可以结合使用以提高磨损检测的准确性。

根据本发明的在线磨损监测装置，还可得到一种如图2所示的基于静电感应的在线磨损监测实验系统，可用于对润滑条件下各种材料的滑动摩擦副或滚动摩擦副的磨损产生磨粒的过程进行试验，为磨损过程和机理的研究分析提供数据。该实验系统通过对现有万能摩擦磨损试验机进行改造得到，其原理是通过增加便携式循环润滑系统使万能摩擦磨损试验机摩擦副形成循环润滑，摩擦实验产生的带电磨粒被循环的润滑油带出摩擦副区域，然后通过安装在循环润滑主油路上的在线磨损监测装置对磨损情况进行在线实时监测。如图2所示，该试验系统包括由万能摩擦磨损试验机提供转速和载荷的销盘摩擦副6（可为滑动摩擦副或滚动摩擦副）、盘试件5、销试件7、间隔距离50mm的两个静电传感器1、摩擦力矩传感器8、力传感器9、便携式润滑系统10，以及与两个静电传感器信号连接的信号处理单元（图中未示出）。两个静电传感器1安装在密封的销盘摩擦副6下游的便携式润滑系统10的主回路上用来检测磨损产生的磨粒。摩擦副的载荷通过力传感器9进行检测，其摩擦系数通过摩擦力矩传感器8转换得到。

本具体实施方式中，便携式润滑系统的结构如图3所示，包括：进油过滤器11、齿轮泵12、电机13、溢流阀14、单向阀15、可调节流阀16、换向阀17、压力指示器18、流量计19、快换式进油管接头20、快换式回油管接头21、实验油管22、油管23、回油过滤器24、润滑油25、油箱26。润滑油25可根据实验需要进行更换，通过调节可调节流阀16来实现进入静电传感器1的流量大小，流量计19对流量进行显示。通过设定溢流阀14的压力来调节进入摩擦副内的油液压力，压力指示器18显示其压力。更换实验油管22的材料、长度、表面状态可以用于开展油流带电实验。

润滑条件下各种金属或非金属材料配对组成的销盘摩擦副或齿轮箱、轴承等摩擦副相对滑动或滚动时，当磨损发生时引起摩擦接触副材料剥落形成磨粒，分离速度越大，磨粒荷电量越多，荷电磨粒悬浮在润滑油油液中，颗粒与液体的接触作用与相互摩擦导致颗粒荷电量进一步发生变化。当荷电磨粒经过静电传感器时，对已经标定的静电传感器设置磨损阈值，静电感应信号幅值增大到超过阈值后被判断为发生磨损。通过对磨粒静电信号进行特征提取，可获得一些反映磨损情况的特征指标。

利用该实验系统，可以研究不同材质的摩擦副（金属或非金属）在不同的摩擦条件下（不同载荷下的滑动摩擦或滚动摩擦）的磨损情况，可以对纯润滑油流动采集的静电信号进行分析以研究不同条件（如在不同润滑油介质、不同流动速度、不同管道长度、不同管道材料及表面状态）时油流带电性质；对实验油管22外加不同幅值电压，以研究在外加电压时的油流带电特性；对采集的静电感应信号进行去噪，采用均值反映油液流动状态的变化。

本发明属于直接监测磨损产生的磨粒产物，为现行所广泛采用的以摩擦系数、磨损率、摩擦温度、摩擦噪声及振动等监测方法提供了新的补充，同时具有对磨损故障早期征兆进行预警功能。

Claims (7)

1. 一种基于静电感应的在线磨损监测方法，用于对循环润滑情况下的磨损情况进行在线监测，该方法首先在线提取油液及其中磨粒的静电信号；然后对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号；根据油液磨粒静电信号的特征参数对磨损情况进行判断；其特征在于，所述在线提取油液及其中磨粒的静电信号，利用一对按照预设间距安装在循环润滑主油路上的相同的静电传感器实现；所述对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号，具体按照以下方法：对两个静电传感器的信号进行差分去噪，具体按照下式：

  ，

式中，为差分去噪后得到的信号；

为位于循环润滑主油路上游的静电传感器在t时刻的信号，

为位于循环润滑主油路下游的静电传感器在

时刻的信号；其中

为两个静电传感器的信号延迟时间，按照以下方法得到：

对两个静电传感器的信号进行互相关运算，求得两个静电传感器上感应信号延迟时间

的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间，即为两个静电传感器的信号延迟时间

。

2.如权利要求1所述基于静电感应的在线磨损监测方法，其特征在于，所述油液磨粒静电信号的特征参数包括以下三种特征参数中的至少一种：均方根值、峭度指标、互相关系数。

3.一种基于静电感应的在线磨损监测装置，用于对循环润滑情况下的磨损情况进行在线监测，其特征在于，该装置包括一对按照预设间距安装在循环润滑主油路上的相同的静电传感器，以及与所述两个静电传感器信号连接的信号处理单元；两个静电传感器用于在线提取油液及其中磨粒的静电信号；信号处理单元对静电传感器提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号，并根据油液磨粒静电信号的特征参数对磨损情况进行判断；所述对提取的信号进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号，具体按照以下方法：对两个静电传感器的信号进行差分去噪，具体按照下式：

  ，

式中，为差分去噪后得到的信号；

为位于循环润滑主油路上游的静电传感器在t时刻的信号，为位于循环润滑主油路下游的静电传感器在时刻的信号；其中

为两个静电传感器的信号延迟时间，按照以下方法得到：

对两个静电传感器的信号进行互相关运算，求得两个静电传感器上感应信号延迟时间

的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间，即为两个静电传感器的信号延迟时间。

4.如权利要求3所述基于静电感应的在线磨损监测装置，其特征在于，所述油液磨粒静电信号的特征参数包括以下三种特征参数中的至少一种：均方根值、峭度指标、互相关系数。

5.一种基于静电感应的在线磨损监测实验系统，其特征在于，包括万能摩擦磨损试验机、便携式循环润滑系统和如权利要求3或4所述在线磨损监测装置；所述便携式循环润滑系统包括：油箱、油泵、进油管、出油管；进油管和出油管的两端分别与油箱及所述万能摩擦磨损试验机的润滑油箱密封连接，构成循环润滑主油路；油泵接入所述循环润滑主油路；所述在线磨损监测装置中的两个静电传感器安装于所述出油管上靠近其与万能摩擦磨损试验机的润滑油箱连接处的位置。

6.如权利要求5所述基于静电感应的在线磨损监测实验系统，其特征在于，所述进油管和出油管均通过快换式接头与万能摩擦磨损试验机的润滑油箱密封连接。

7.如权利要求5所述基于静电感应的在线磨损监测实验系统，其特征在于，所述循环润滑主油路中还安装有可调节流阀、溢流阀、流量计及压力计。

Images