CN110261268A - 一种金属颗粒的在线监测装置及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械装备状态监测领域，涉及一种金属颗粒的在线监测装置及其装配、监测方法；所述监测装置包括传感器壳体、两个油路连接头、N个电磁铁组件、一个检测线圈、一个磁极套以及油管；检测线圈套设于油管外表面中部的凹槽处；磁极套套设在油管外，且磁极套外表面的周向均匀分布N个电磁铁；油路连接头与油管之间设有密封圈；两个油路连接头与传感器外壳通过螺纹连接形成磁场屏蔽结构；本发明能够监测油路中金属颗粒的多种特征，能够有效监测机械设备的运行状态，实现机械装备故障诊断和寿命预测，且具有高精度和高可靠性。

Description

一种金属颗粒的在线监测装置及其装配方法

技术领域

本发明涉及机械装备状态监测领域，涉及一种基于周向均布高梯度磁场的大口径润滑油路在线金属颗粒监测装置，具体为一种金属颗粒的在线监测装置及其装配方法。

背景技术

对机械装备的健康状态进行在线监测既避免了机械装备中断工作所带来的高成本，也有效的减小了机械装备在运行期间突生故障的可能性。在线油液监测技术利用润滑油中颗粒的微粒总量、几何形态、尺寸分布等特征信息对机械装备的磨损状态进行诊断，抗干扰能力强，能够发现装备的早期磨损状态，防止机械装备出现突发性故障，避免因装备故障所导致的经济损失。机械装备的关键部分往往需要很高的强度，所以零部件通常由金属制成，这导致油液中存在铁磁性颗粒，正是利用金属颗粒的磁特性，在高强度、高梯度磁场下捕获润滑油中的磨粒，通过得到金属颗粒的信号监测机械装备的磨损状态。在线金属颗粒监测技术在工程中应用广泛，能够监测齿轮磨损失效，应用在线金属颗粒监测于大功率矿用齿轮箱，可以获取粒径≥50μm的异常磨粒，分析齿轮箱的磨损状态。利用在线金属颗粒监测技术，可以评估车用发动机的健康状况，通过检测发动机润滑油中的金属颗粒变化，能够快速判断发动机的异常磨损，保证机械装备安全运行。

目前，在线金属颗粒监测装置大部分只能监测小口径油路中的金属颗粒，但在实际油路系统监测中，需要在线监测大口径油路的金属颗粒信息。提出一种用于大口径油路金属颗粒检测的监测装置，传感器采用N(N≥3)个电磁铁组件产生均匀分布于大口径油路周向的高梯度磁场，基于电磁感应原理实现大口径油路中金属颗粒的准确监测。

发明内容

基于现有技术存在的问题，为了在线监测大口径油路中的金属颗粒，本发明提出一种基于周向均布高梯度磁场的大口径润滑油路在线金属颗粒监测传感器，通过监测油路中金属颗粒的多种特征进行信息融合分析，能够有效监测机械设备的运行状态，实现机械装备故障诊断和寿命预测，同时，恒流驱动源和均匀高梯度静磁场也保证了监测传感器的高精度和高可靠性。

本发明提出了金属颗粒的在线监测装置及其装配方法，其中，一种金属颗粒的在线监测装置，所述监测装置包括传感器壳体1、两个油路连接头2、N个电磁铁组件、一个检测线圈7、一个磁极套9以及油管8；检测线圈7套设于油管外表面中部的凹槽处；磁极套9套设在油管8外，且磁极套9外表面的周向均匀分布N个电磁铁，且内表面设有N个导槽92，其中N≥3；油路连接头2与油管8之间设有密封圈10，且油路连接头2设有限位条25；两个油路连接头2分别与传感器外壳1通过螺纹连接形成磁场屏蔽结构。

进一步的，所述电磁铁组件包括铁芯3、激励线圈4、第一磁极5和第二磁极6，铁芯3套设在激励线圈4中，激励线圈4与第一磁极5、第二磁极6通过螺纹连接，第一磁极5和第二磁极6之间有气隙56。

进一步的，第一磁极5和第二磁极6之间的气隙宽度为0.5～3mm。

进一步的，所述磁极套9设有导槽，形状与磁极匹配，且磁极套9外表面的中部设有开槽90，开槽90宽度大于第一磁极5和第二磁极6之间气隙56的宽度。

可选的，油管8的内径大于20mm。

本发明的一种金属颗粒的在线监测装置的装配方法，包括通过油管8、磁极套9、量块实现各个电磁铁的气隙宽度等量，通过油路连接头2、传感器外壳1将电磁铁装备至目标位置；所述磁极套9设有导槽92，与油管8外表面配合用于限位磁极，包括第一磁极5和第二磁极6；所述油路连接头2设有均匀分布的限位条25，用于限位电磁铁；装配过程可按以下步骤：

S1、将油管8套设在磁极套9中，将第一磁极5与第二磁极6送至导槽内，第一磁极5与第二磁极6进入方向相对，形成气隙，气隙位于磁极套9开槽下方；

S2、将量块推入开槽90，量块置于气隙中，第一磁极5与第二磁极6夹持量块，将磁极与铁芯3螺纹连接，实现气隙宽度固定，取出量块；

S3、激励线圈4套设铁芯3，铁芯3与第一磁极5、第二磁极6螺纹连接，将磁极侧边推入油路连接头2的限位条25中，两个油路连接头2夹持电磁铁，并与传感器外壳1通过螺纹连接实现电磁铁固定。

其中，当油管中的金属颗粒通过均匀高梯度磁场时，检测线圈磁通量发生变化，导致检测线圈感应电压变化，检测到实时输出的感应电压信号u：

其中，N为检测线圈匝数，Δφ为轴向高梯度磁场回路的磁通量变化，Δt为金属颗粒通过高梯度磁场的时间。通过检测实时输出的感应电压信号，可以实现油路中金属颗粒的监测。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用恒流驱动源和N(N≥3)个电磁铁组件产生一个均匀分布的高梯度静磁场，作为激励源，避免因磁场分布不均和激励线圈参数非线性变化导致的测量精度下降，具有高可靠性。

2、本发明整体结构紧凑，适应多种监测环境，监测装置安装在大口径油管外部，操作简单，易于实现，安全性高，应用广泛。

3、本发明采用铝壳包裹结构，能够有效屏蔽环境中的工频干扰，提高监测装置精度。

本发明内部的磁极套气隙既屏蔽外部电磁场对检测线圈的干扰，也保证只在气隙处产生磁场，减小了内部高梯度磁场对外部环境产生影响。

附图说明

图1为本发明的金属颗粒的在线监测装置俯视图；

图2为本发明的金属颗粒的在线监测装置的剖切图；

图3为本发明中电磁铁组件的示意图；

图4为本发明中磁极套示意图；

图5为本发明中连接一个电磁铁组件时的监测装置示意图；

图6为本发明的监测装置的各个组件的装配示意图；

图7为本发明中材料为铁的颗粒通过监测装置，其运动路径的磁场强度变化图；

图8为本发明中铁颗粒通过监测装置时，检测线圈输出的电压信号变化图；

图中，1、传感器壳体，2、油路连接头，25、限位条；3、铁芯，4、激励线圈，5、第一磁极，56、气隙，6、第二磁极，7、检测线圈，8、油管，9、磁极套，90、开槽，92、导槽；10、密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的一种金属颗粒的在线监测装置，所述监测装置包括传感器壳体1、两个油路连接头2、N个电磁铁组件、一个检测线圈7、一个磁极套9以及油管8；检测线圈7套设于油管外表面中部的凹槽处；磁极套9套设在油管外，且磁极套9外表面的周向均匀分布N个电磁铁，其中N≥3；油路连接头2与油管8之间设有密封圈10，且油路连接头2设有N个均匀分布的限位条25；油路连接头2与传感器外壳1通过螺纹连接形成磁场屏蔽结构。

所述电磁铁组件包括铁芯3、激励线圈4、第一磁极5和第二磁极6，铁芯3套设在激励线圈4中，激励线圈4与第一磁极5、第二磁极6通过螺纹连接，第一磁极5和第二磁极6之间有气隙。

第一磁极5和第二磁极6之间的气隙宽度为1～3mm。

所述油管8中部外表面设置凹槽，并在凹槽处套设检测线圈7，检测线圈7套设在磁极套9内部；磁极套9设有导槽92，形状与磁极匹配，且磁极套9外表面的中部设有开槽90，开槽90宽度大于气隙56宽度；油路连接头2设有限位条25，用于限位电磁铁。

其中，导槽92的形成是通过在磁极套9内周设置N个凸条，每两个凸条之间则形成一个导槽，最终形成N个导槽。

实施例2

本发明的一种金属颗粒的在线监测装置的装配方法，可参考如图3～图6所示，包括通过油管8、磁极套9、量块实现各个电磁铁的气隙宽度等量，通过油路连接头2、传感器外壳1将电磁铁装备至目标位置；所述磁极套9设有导槽92，与油管8外表面配合用于限位磁极，包括第一磁极5和第二磁极6；所述油路连接头2设有限位条25，用于限位电磁铁；装配过程可按以下步骤：

S1、将油管8套设在磁极套9中，将第一磁极5与第二磁极6送至导槽92内，第一磁极5与第二磁极6进入方向相对，形成气隙56，气隙56位于磁极套9开槽90下方；

S2、将量块推入开槽90，量块置于气隙56中，第一磁极5与第二磁极6夹持量块，将磁极与铁芯3螺纹连接，实现气隙56宽度固定，取出量块；

S3、激励线圈4套设铁芯3，铁芯3与第一磁极5、第二磁极6螺纹连接，将磁极侧边推入油路连接头2限位条25中，两个油路连接头2夹持电磁铁，并与传感器外壳1通过螺纹连接实现电磁铁固定。

如图6所示，两个油路连接头2与传感器外壳1通过螺纹连接形成磁场屏蔽结构；油管8外套设有磁极套9，且油管8的两头各自与两个油路连接头2连接，并在油路连接头2和油管8之间设置密封圈10；磁极套9的外表面均匀分布有N个电磁铁，且电磁铁组件中第一磁极5和第二磁极6之间形成气隙56。

实施例3

基于实施例1和实施例2，本发明的一种金属颗粒的在线监测装置的监测方法，可通过以下过程来实现：

本实施例中，以油管8内径等于50mm为例，通过油路连接头2将油液从油路系统导入装有监测装置的大口径油管(外径60mm×内径50mm×长度110mm)，在油管8周向均布6个电磁铁组件，检测线圈7(7000匝)设置于油管8中部外表面凹槽处，与电压信号放大装置(输入电压5V)和信号采集装置(电压信号采集)连接；

接着，监测装置中的激励线圈4(2000匝)接通恒流驱动源，驱动电流为0.6A，监测传感器对大口径油路施加均匀高梯度静磁场，作为激励源；磁场会在油管处叠加，并沿周向作用与于油路；

然后，当油管中的金属颗粒通过均匀高梯度磁场时，检测线圈磁通量发生变化，导致检测线圈感应电压变化，检测到实时输出的感应电压信号u：

其中，N为检测线圈匝数，Δφ为轴向高梯度磁场回路的磁通量变化，Δt为金属颗粒通过高梯度磁场的时间。通过检测实时输出的感应电压信号，可以实现油路中金属颗粒的监测。

通过检测线圈输出的感应电压信号，实现对油路中金属颗粒的监测。金属颗粒以1m/s的速度匀速通过监测装置时，利用商用仿真软件ANSYS对监测装置进行仿真模拟，结果如图7、8所示。金属颗粒(0.5mm×0.5mm×0.5mm)材料为铁，铁颗粒匀速通过管道内电磁铁产生的均匀磁场。图7为铁颗粒运动路径上的磁场强度变化，其中路径上的最大磁场强度为51mT。图8为铁颗粒通过监测装置时，检测线圈输出的电压信号。本发明通过产生均匀分布的高梯度静磁场作为激励源，避免因磁场分布不均和激励线圈参数非线性变化导致的测量精度下降，具有高可靠性；能够有效的监测出金属颗粒的状态，从而快速判断机械装备的健康状态，保证机械装备安全运行；

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属颗粒的在线监测装置，其特征在于，所述监测装置包括传感器壳体(1)、两个油路连接头(2)、N个电磁铁组件、一个检测线圈(7)、一个磁极套(9)以及油管(8)；检测线圈(7)套设于油管(8)外表面中部的凹槽处；磁极套(9)套设在油管(8)外，且磁极套(9)外表面的周向均匀分布N个电磁铁，其中N≥3；油路连接头(2)设有N个均匀分布的限位条(25)，且油路连接头(2)与油管(8)之间设有密封圈(10)；两个油路连接头(2)分别与传感器外壳(1)通过螺纹连接，形成磁场屏蔽结构。

2.根据权利要求1所述的金属颗粒的在线监测装置，其特征在于，所述电磁铁组件包括铁芯(3)、激励线圈(4)、第一磁极(5)和第二磁极(6)，铁芯(3)套设在激励线圈(4)中，激励线圈(4)与第一磁极(5)、第二磁极(6)通过螺纹连接，第一磁极(5)和第二磁极(6)之间有气隙(56)。

3.根据权利要求2所述的金属颗粒的在线监测装置，其特征在于，第一磁极(5)和第二磁极(6)之间的气隙宽度为0.5～3mm。

4.根据权利要求2所述的金属颗粒的在线监测装置，其特征在于，所述磁极套(9)内表面设有N个均匀分布的导槽(92)，形状与第一磁极(5)和第二磁极(6)匹配，且磁极套(9)外表面的中部设有开槽(90)，开槽(90)宽度大于第一磁极(5)和第二磁极(6)之间气隙(56)的宽度。

5.一种金属颗粒的在线监测装置的装配方法，其特征在于，所述装配方法包括：

S1、将油管(8)套设在磁极套(9)中，将第一磁极(5)与第二磁极(6)送至导槽(92)内，第一磁极(5)与第二磁极(6)进入方向相对，形成气隙(56)，气隙(56)位于磁极套(9)开槽(90)下方；

S2、将量块推入开槽(90)，量块置于气隙(56)中，第一磁极(5)与第二磁极(6)夹持量块，将磁极分别与铁芯(3)螺纹连接，实现气隙(56)宽度固定，取出量块；

S3、激励线圈(4)套设在铁芯(3)上，铁芯(3)分别与第一磁极(5)、第二磁极(6)螺纹连接，将磁极侧边推入油路连接头(2)限位条(25)中，两个油路连接头(2)夹持电磁铁，并与传感器外壳(1)通过螺纹连接实现电磁铁固定。