CN110006656B - 多功能滑油磨粒收集薄膜及发动机磨损状态的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机滑油过滤技术领域，特别涉及一种多功能滑油磨粒收集薄膜及发动机磨损状态的诊断方法。其中，多功能滑油磨粒收集薄膜包括多孔薄膜、压电陶瓷传感器、支撑骨架和电极；支撑骨架支撑所述多孔薄膜展开；所述压电陶瓷传感器设置于所述支撑骨架上。将本发明提供的多功能滑油磨粒收集薄膜安装于滑油管路中，能够实现发动机滑油磨粒在线全流域主动收集，并对收集的磨粒进行主动感知和有序分类，并为磨损状态在线识别诊断和视情提供依据，尤其适用于航空发动机技术领域中，具有重要的实际应用价值。

Description

多功能滑油磨粒收集薄膜及发动机磨损状态的诊断方法

技术领域

本发明涉及发动机滑油过滤技术领域，特别涉及一种多功能滑油磨粒收集薄膜及发动机磨损状态的诊断方法。

背景技术

滑油系统是发动机的重要组成系统之一，滑油流经发动机的轴承和齿轮等磨损故障频发区域，是滑油系统的“生命命脉”，除了润滑和冷却作用外，还是滚动和滑动面磨损磨粒的运输介质。滑油中的磨粒若没有及时过滤和收集，有可能导致旋转部件与滑油系统产生二次损耗。因此，及时收集和分析滑油中的磨粒，有利于对发动机旋转部件进行及时有效维护，避免二次损耗产生的不利影响，同时能够得知发动机的磨损情况。

尽管目前有少量滑油监测技术能够同时收集滑油磨粒，但一般属于被动式收集，且仅限于铁磁性磨粒，缺乏主动的在线分类聚集能力，无法对磨粒进行快速高效地分析，不利于旋转润滑部件地磨损诊断和预测。

磨粒和滑油的分离方法一般是基于物理和化学方法，前者一般包括沉降法、过滤法、气化法和离心法；后者一般不适合发动机滑油磨粒的分离。

目前针对发动机滑油磨粒收集，一般是采取磁塞或磁屑探测器和油滤方法。油滤可以实现全流域的给定磨粒尺寸的收集，能将大部分磨粒收集，适用于金属磨粒和非金属磨粒；而磁堵或磁塞一般是对铁磁性磨粒有效，其捕获效率同磁堵或磁塞的孔穴设计密切相关。上述两种方法的不足是只能静态地收集磨粒，也无法对滑油磨粒进行及时在线主动感知和有效分类，因此也无法根据所采集的滑油磨粒对失效模式进行及时在线诊断。

另外具有磨粒收集功能的滑油监测传感器主要由两种：Gill传感器和QDM传感器，实现了磨粒收集与监测一体化，但其缺陷也很明显，只能收集少量磨粒且无法监测非金属性磨粒。

综上所述，如何对发动机滑油中的磨粒进行有效收集和分析，是本领技术需要解决的问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的技术问题，本发明提供一种多功能滑油磨粒收集薄膜，包括多孔薄膜、压电陶瓷传感器、支撑骨架、电极和绝缘隔离层；支撑骨架支撑所述多孔薄膜展开；所述压电陶瓷传感器设置于所述支撑骨架上；所述电极为环状，若干所述电极设置在多孔薄膜上；所述绝缘隔离层设置在多孔薄膜上，并将不同电极间隔分离。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述支撑骨架为环状支撑骨架或辐射状支撑骨架。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述多孔薄膜采用聚二甲基硅氧烷作为薄膜载体，并渗透氯化钠和多功能材料，所述多功能材料为碳纳米管或石墨烯。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述多孔薄膜的制备方法为：

步骤a、采用球磨机将氯化钠研磨成细小颗粒，并用孔径为20-500um的筛子去除超出尺寸范围的颗粒；

步骤b、将多功能材料和氯化钠颗粒加入聚二甲基硅氧烷中，并进行超声混合；

步骤c、将聚二甲基硅氧烷固化剂加入上述混合溶液中并进行搅拌；

步骤d、将电极与绝缘隔离层安装于模具中,将上述混合溶液导入模具，并置于80-100℃恒温箱中保温1-2小时，直至固化形成薄膜；

步骤e、向模具中加入去离子水中溶解聚二甲基硅氧烷薄膜中的氯化钠颗粒；

步骤f、将上述薄膜从去离子水中取出烘干，即得到所述多孔薄膜。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述多功能材料、氯化钠颗粒和聚二甲基硅氧烷各自质量占三者总质量的0-50％。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述多孔薄膜的孔径为20-500um。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述固化剂为酸酐类固化剂，本领域技术人员可根据实际需要选择具体的酸酐类固化剂；所述绝缘隔离层采用聚四氟乙烯制成，也可采用其它绝缘材料制成。

本发明还提供一种发动机磨损状态的诊断方法，采用如上任意所述的多功能滑油磨粒收集薄膜。

在上述技术方案的基础上，进一步地，将多功能滑油磨粒收集薄膜安装于滑油管路中，压电传感器通过骨架给薄膜施加微振动，即可对薄膜上过滤的磨粒进行自主分类；

根据布置于薄膜不同位置电极的电阻信号变化，提取相应的特征，通过电阻抗层析成像方法，即可将薄膜表面的磨粒分布带识别出来。

本发明提供的多功能滑油磨粒收集薄膜，能够通过小于给定阈值尺寸的磨粒，实现不同磨粒的初步分离，对薄膜施加基于压电陶瓷的微振动，对磨粒进行更高精度的自主分离和聚类，形成不同磨粒重量/尺寸的有序分布带，此外，通过微振动可避免近似阈值尺寸的磨粒将薄膜的微孔堵塞。

本发明提供的多功能滑油磨粒收集薄膜应用在发动机磨损状态的诊断方法中，利用不同尺寸磨粒带导致的薄膜电特性变化进行成像，表征磨损状态变化，能够实现全流域的主动感知和有序分类，并为磨损状态在线识别诊断和视情提供依据，具有重要的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供多功能滑油磨粒收集薄膜结构侧视图；

图2为图1中多孔薄膜的结构示意图；

图3为图1中支撑骨架的结构示意图；

图4为本发明提供多功能滑油磨粒收集薄膜收集磨粒的聚类分布带示意图；

图5为图1中支撑骨架为环形结构的实施例结构示意图；

图6为本发明提供的发动机磨损状态的成像过程及诊断方法示意图。

附图标记：

10多孔薄膜 20压电陶瓷传感器 30支撑骨架

40电极 50绝缘隔离层

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供一种多功能滑油磨粒收集薄膜，如图1-3所示，包括多孔薄膜10、压电陶瓷传感器20、支撑骨架30、电极40和绝缘隔离层50；支撑骨架30支撑所述多孔薄膜10展开；所述压电陶瓷传感器20设置于所述支撑骨架30上；如图2所示，所述电极40为环状，若干所述电极40设置在多孔薄膜10上；所述绝缘隔离层50设置在多孔薄膜10上，并将不同电极40间隔分离。

具体地，所述压电陶瓷通过骨架给薄膜施加微振动，对于薄膜上过滤的磨粒进行自主分类，形成聚类带；薄膜微振动有两个作用：一是避免近似阈值尺寸的磨粒将薄膜的微孔堵住，阻碍滑油通过；二是使积聚于薄膜表面的磨粒可以按质量从大到小，沿薄膜的径向均匀分布。在流场、振动场和重力场综合作用下，如图4所示，不同尺寸或质量的磨粒在径向方向上的分布距离不同，大颗粒首先聚类在圆形薄膜中心，而小尺寸磨粒沉积距离稍远。通过上述方案，可实现滑油中磨粒的收集和分类。

优选地，所述支撑骨架30为辐射状支撑骨架(如图3所示)或环状支撑骨架(如图5所示)；当支撑骨架30为环状支撑骨架时，压电陶瓷传感器20设置在骨架中心位置，当支撑骨架30为辐射状支撑骨架时，可以布置多个压电陶瓷传感器20在环状支撑骨架的任意位置上，实现区域性的振动。

当然，本领域技术人员也可根据本发明的发明构思，设计出具有同等效果的其它形状制成支撑骨架。

优选地，以碳纳米管作为多功能材料，本发明提供以下多孔薄膜的制备方法实施例：

步骤a、采用球磨机将氯化钠研磨成细小颗粒，并用20-500um筛子去除超出尺寸范围的颗粒；

步骤b、按照质量比，将30％碳纳米管(CNTs)和40％氯化钠颗粒加入30％聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，并进行超声混合；

步骤c、将酸酐类固化剂加入上述混合溶液中并进行搅拌；

步骤d、将电极与隔离层安装于模具中,将上述混合溶液导入模具，并置于80℃恒温箱中保温1-2小时，直至固化形成薄膜，并将电极和隔离层永久集成于PDMS-CNTs薄膜中；

步骤e、向模具中加入去离子水中溶解PDMS薄膜中的氯化钠颗粒；

步骤f、将上述薄膜从去离子水中取出烘干，即得到所述多孔薄膜。

优选地，以石墨烯作为多功能材料，本发明提供以下多孔薄膜的制备方法实施例：

步骤a、采用球磨机将氯化钠研磨成细小颗粒，并用20-500um的筛子去除超出尺寸范围的颗粒；

步骤b、按照质量比，将40％石墨烯和30％氯化钠颗粒加入30％聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，并进行超声混合；

步骤c、将酸酐类固化剂加入上述混合溶液中并进行搅拌；

步骤d、将电极与隔离层安装于模具中,将上述混合溶液导入模具，并置于80-100℃恒温箱中保温1-2小时，直至固化形成薄膜，并将电极和隔离层永久集成于上述薄膜中；

步骤e、向模具中加入去离子水中溶解PDMS薄膜中的氯化钠颗粒；

步骤f、将上述薄膜从去离子水中取出烘干，即得到所述多孔薄膜。

本发明还提供一种利用上述多功能滑油磨粒收集薄膜的发动机磨损状态的诊断方法，包括以下步骤：

将多功能滑油磨粒收集薄膜安装于滑油管路中，滤除小于给定阈值尺寸的磨粒，实现不同尺寸磨粒在薄膜上的初步分离；压电传感器通过骨架给薄膜施加微振动，对磨粒进行更高精度的分离和聚类，形成不同磨粒重量、尺寸的有序分布带(如图4所示)；

根据布置于薄膜不同位置电极的电阻信号变化，提取相应的特征，通过电阻抗层析成像方法，将不同尺寸磨粒带导致的薄膜电特性变化进行成像，具体地，当磨粒吸附于薄膜表面时，磨粒会连接薄膜表面的碳纳米管，使得原本依靠“隧穿效应”导通的薄膜表面局部电导率增加。根据布置于薄膜不同位置的环状网络化电极的电阻信号的变化，提取相应的特征，通过高精度的电阻抗层析成像方法，将薄膜表面的磨粒分布带识别出来。

通过电阻抗层析成像方法，将不同尺寸磨粒带导致的薄膜电特性变化进行成像，过程如图6所示，图6中，a为带有环形电极网络的多空隙薄膜，b为薄膜上磨粒有序分布聚类带，c为根据b进行的成像，d为根据成像记性的磨损定性判断标准。此外，还可结合统计分析技术和机器学习算法，对磨损状态或磨损类型进行诊断和预测，便可得知发动机的磨损情况。

尽管本文中较多的使用了诸如多孔薄膜、压电陶瓷传感器、支撑骨架、电极等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于：包括多孔薄膜(10)、压电陶瓷传感器(20)、支撑骨架(30)、电极(40)和绝缘隔离层(50)；所述支撑骨架(30)支撑所述多孔薄膜(10)展开；所述压电陶瓷传感器(20)设置于所述支撑骨架(30)上；所述电极(40)为环状，若干所述电极(40)设置在多孔薄膜(10)上；所述绝缘隔离层(50)设置在多孔薄膜(10)上，并将不同电极(40)间隔分离；

所述压电陶瓷传感器(20)通过支撑骨架(30)给多孔薄膜(10)施加微振动，以对多孔薄膜(10)上过滤的磨粒进行自主分类；

根据布置于多孔薄膜(10)不同位置电极(40)的电阻信号变化，提取相应的特征，通过电阻抗层析成像方法，以将多孔薄膜(10)表面的磨粒分布带识别出来。

2.根据权利要求1所述的多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于：所述支撑骨架(30)为环状支撑骨架或辐射状支撑骨架。

3.根据权利要求1所述的多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于：

所述多孔薄膜(10)采用聚二甲基硅氧烷作为薄膜载体，并渗透氯化钠和多功能材料，所述多功能材料为碳纳米管或石墨烯。

4.根据权利要求3所述的多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于，所述多孔薄膜(10)的制备方法为：

步骤a、采用球磨机将氯化钠研磨成细小颗粒，并用孔径为20-500um的筛子去除超出尺寸范围的颗粒；

步骤b、将多功能材料和氯化钠颗粒加入聚二甲基硅氧烷中，并进行超声混合；

步骤c、将聚二甲基硅氧烷固化剂加入上述混合溶液中并进行搅拌；

步骤d、将电极与绝缘隔离层安装于模具中,将上述混合溶液导入模具，并置于80-100℃恒温箱中保温1-2小时，直至固化形成薄膜；

步骤e、向模具中加入去离子水溶解聚二甲基硅氧烷薄膜中的氯化钠颗粒；

步骤f、将上述薄膜从去离子水中取出烘干，即得到所述多孔薄膜。

5.根据权利要求3所述的多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于：所述多功能材料、氯化钠颗粒和聚二甲基硅氧烷各自质量占三者总质量的0-50％。

6.根据权利要求1所述的多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于：所述多孔薄膜(10)的孔径为20-500um。

7.根据权利要求1所述的多功能滑油磨粒收集薄膜，其特征在于：所述绝缘隔离层(50)采用聚四氟乙烯制成。

8.一种发动机磨损状态的诊断方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任一项所述的多功能滑油磨粒收集薄膜。

9.根据权利要求8所述的发动机磨损状态的诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：将多功能滑油磨粒收集薄膜安装于滑油管路中。

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