CN111665175A - 一种滑油磨粒综合诊断探测器及实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机检测技术领域，特别涉及一种滑油磨粒综合诊断探测器及实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致的方法，滑油磨粒综合诊断探测器，包括诊断单元壳体；诊断单元壳体上、下两端分别设置有滑油进口和滑油出口；诊断单元壳体内部设置有电容传感器，电容传感器的上进口与滑油进口对应设置，其下出口通过下连接座连接；下出口下方设置有滑油磨粒收集薄膜，并将其下方的诊断单元壳体内部空间分为第一间隔空间和第二间隔空间。本发明提供的滑油磨粒综合诊断探测器，能够确保滑油高通量，保证磨粒高捕获率；而采用单元集成设计形式，可减少对滑油管路的影响，便于安装维护，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
技术领域
本发明涉及发动机检测技术领域，特别涉及一种滑油磨粒综合诊断探测器及实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致的方法。
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。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。
目前，除了少数磨粒探测器(主要是面向铁磁性磨粒)具有监测和收集功能外(但收集的磨粒信息也仅用于离线后检查分析)，磨粒监测传感器和磨粒收集器一般是分开的，然后布置在滑油管路系统不同位置各司其职。实际上，磨粒监测受到滑油过滤程度的影响，若能将磨粒监测和滑油滤上磨粒在线分析相结合，则能提高关键旋转部件磨损诊断结果的可靠性；此外传感器与滑油管道的合理集成关系到技术应用的成败。因此，有必要解决传感器集成、磨粒监测和磨粒过滤收集之间的协调交互问题。
专利CN201910300916.1，公开了多功能滑油磨粒收集薄膜及发动机磨损状态的诊断方法，公开日为2019年07月02日；专利CN201910282282.1，公开了同轴电容传感器及发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，公开日为2019年04月09日。上述专利技术均为本专利发明人进行的设计，然后发明人发现，同轴电容传感器与微振动多功能薄膜的协调一致性及其与滑油管路集成设计的优劣关系到实际应用可行性。而如何确保整个单元内部流场稳定性，尽量减少压降以及如何实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致，是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种滑油磨粒综合诊断探测器，包括诊断单元壳体；所述诊断单元壳体上、下两端分别设置有滑油进口和滑油出口；
所述诊断单元壳体内部设置有电容传感器，所述电容传感器的上进口与所述滑油进口对应设置，其下出口通过下连接座连接；所述下出口下方设置有滑油磨粒收集薄膜，并将其下方的诊断单元壳体内部空间分为第一间隔空间和第二间隔空间。
在上述方案的基础上，进一步地，所述电容传感器的下出口端与所述下连接座转动连接。
在上述方案的基础上，进一步地，所述电容传感器的下出口端与所述下连接座通过轴承连接。
在上述方案的基础上，进一步地，所述电容传感器的上进口端通过上连接座与所述诊断单元壳体内壁采用齿轮连接。
在上述方案的基础上，进一步地，所述滑油进口的内部直径为D1，所述第一空间的内部直径为D2，所述滑油出口的内部直径为D3；其中，D1＝D3，D1和D2满足：
D2 2·η1·η2＝D1 2；
其中，η1为多功能薄膜的孔隙率，η2为薄膜因电极布置和支撑骨架导致的孔隙损失率。
在上述方案的基础上，进一步地，所述电容传感器内部设有中心轴承、电极支撑绝缘基体和电极板若干，所述电极支撑绝缘基体和中心轴承将所述同轴电容传感器内部由划分为多个探测子空间，所述电极板分别附于所述电极支撑绝缘基体上。
在上述方案的基础上，进一步地，所述电极板包括了平面电极和曲面电极，以在所述探测子空间内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
在上述方案的基础上，进一步地，所述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；所述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；
在上述方案的基础上，进一步地，所述压电陶瓷传感器通过支撑骨架给多孔薄膜施加微振动，以对多孔薄膜上过滤的磨粒进行自主分类；
根据布置于多孔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，以将多孔薄膜表面的磨粒分布带识别出来。
本发明还提供一种实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致的方法，采用如上任意一项所述的滑油磨粒综合诊断探测器；具体方法包括以下步骤：
步骤A、将滑油磨粒综合诊断探测器安装于滑油管路之中，使其内部有滑油通过，并且对其磨粒碎屑进行收集；
步骤B、使电容传感器旋转，利用旋转产生的离心力实现不同尺寸磨粒在薄膜上的初步分离，并将滑油均匀地喷射在多孔薄膜之上；
步骤C、对薄膜施加微振动对磨粒进行二次分离，形成不同磨粒尺寸或质量的有序分布带或聚类；
步骤D、利用不同的磨粒带导致的薄膜电特性变化进行成像，表征磨粒状态变化。
本发明提供的滑油磨粒综合诊断探测器，集成电容传感器网络和多功能薄膜为一体的全流域滑油磨粒诊断单元，其中全流域既确保滑油高通量，又保证磨粒高捕获率，而采用磨粒诊断单元集成设计形式，既可减少对整个滑油管路的影响，又便于安装维护，适用于航空发动机技术领域中，具有重要的实际应用价值。
优选方案中，通过关键结构设计以及设计参数的匹配和交互协调以进一步提高磨粒定性定量监测的可靠性和磨粒有序分布的稳定性。
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为本发明提供的滑油磨粒综合诊断探测器的结构示意图；
图2为本发明提供的电容传感器的结构示意图；
图3为本发明提供的电容传感器与上连接座齿轮连接结构示意图；
图4为本发明提供的下连接座的结构示意图；
图5为本发明提供的滑油磨粒收集薄膜结构示意图一；
图6为本发明提供的滑油磨粒收集薄膜结构示意图二；
图7为本发明提供的滑油磨粒收集薄膜中多孔薄膜结构示意图；
图8为本发明提供的滑油磨粒收集薄膜中支撑骨架结构示意图；
图9为磨粒随转速变化的分布图；
图10为20um的磨粒运动轨迹图；
图11为100um的磨粒运动轨迹图；
图12为磨粒最初位置分布图；
图13为磨粒最终位置分布图；
图14为磨粒水平位移-时间关系图。
附图标记：
10诊断单元壳体 20滑油进口 30电容传感器
40下连接座 50滑油磨粒收集薄膜 51多孔薄膜
52压电陶瓷传感器 53支撑骨架 60第一间隔空间
11上连接座 31上进口 32下出口
33中心轴承 34电极支撑绝缘基体 35电极板
36探测子空间 54电极 70第二间隔空间
80滑油出口
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。
本发明提供一种滑油磨粒综合诊断探测器，如图1-图8所示，包括诊断单元壳体10；所述诊断单元壳体10上、下两端分别设置有滑油进口20和滑油出口80；
所述诊断单元壳体10内部设置有电容传感器30，所述电容传感器30的上进口31与所述滑油进口20对应设置，其下出口32通过下连接座40连接；所述下出口32下方设置有滑油磨粒收集薄膜50，并将其下方的诊断单元壳体10内部空间分为第一间隔空间60和第二间隔空间70。
优选地，所述电容传感器30的下出口32端与所述下连接座40转动连接。具体地，所述电容传感器30的下出口32端与所述下连接座40通过轴承连接。所述电容传感器30的上进口31端通过上连接座11与所述诊断单元壳体10内壁连接。通过连接座的方式，使电容传感器30可旋转连接在诊断单元壳体10内，旋转能够使滑油和磨粒通过离心力均匀从电容传感器30下出口32喷出至多孔薄膜51上，使得其均匀分布。此外，下连接座40与电容传感器30的滑油出口80平行安装，以避免法兰轴承座影响滑油流动特性。利用蜗杆传动机构将来自于发动机附件传动系统的动力传递给该滑油磨粒综合诊断探测器的上连接座11的齿轮，带动电容传感器30旋转。
所述滑油进口20的内部直径为D1，所述第一空间的内部直径为D2，所述滑油出口80的内部直径为D3；其中，D1＝D3，D1和D2满足：
D2 2·η1·η2＝D1 2；
其中，η1为多功能薄膜的孔隙率，η2为薄膜因电极布置和支撑骨架53导致的孔隙损失率。
具体实施时，如图1所示，所述诊断单元壳体10内且位于所述下连接座40与所述诊断单元壳体10底部之间设置有滑油磨粒收集薄膜50，具体可以采用专利CN201910300916.1中所公布的多功能滑油磨粒收集薄膜；而所述电容传感器30可以采用旋转电容传感器，例如专利CN201910282282.1公开的同轴电容传感器，可以利用涡轮蜗杆机构将发动机附件传动系统的动力驱动电容传感器旋转。
具体工作过程为：滑油以速度v1通过滑油进口20进入滑油磨粒综合诊断探测器内部，具体先进入探测器内的电容传感器30中，此时可以利用电容信号变化探测滑油中是否有磨粒，并从直径为D2的电容传感器30下出口32以速度v2喷射到滑油磨粒收集薄膜50上，如果滑油中磨粒尺寸小于多孔薄膜51孔隙尺寸时，则同滑油一起通过多孔薄膜51，最终由探测器的滑油出口80流出；如果滑油磨粒的尺寸大于多孔薄膜51孔隙尺寸时，滑油磨粒则被收集在薄膜上；在此基础上，通过改变振动薄膜的振动频率ω2和振幅A2，选择合适的频率和振幅实现对给定尺寸范围内的磨粒进行更高精度的分离，再利用不同的磨粒带导致的薄膜电特性(例如电阻抗)变化进行成像，形成不同磨粒尺寸或质量的有序分布带或聚类，其具体的分离和成像方法如参考专利CN201910300916.1中所描述。
在上述过程中，关键地，如图1所示，所述滑油进口20的内部直径为D1，所述第一空间的内部直径为D2，所述滑油出口80的内部直径为D3；其中，D1＝D3，D1和D2满足：
D2 2·η1·η2＝D1 2；
其中，η1为多功能薄膜的孔隙率，η2为薄膜因电极布置和滑油磨粒收集薄膜50导致的孔隙损失率。通过上述设计，能够尽量减少压力损失，减少对整个滑油管路的影响，保证内部流场的稳定性。
所设置的第二间隔空间70用于暂时储存未从出油口排出的滑油，所述第二间隔空间70的高度L2可以需根据流量确定，具体当流量大时，L2可以设置较小值，流量小时，L2可以设置较大值，以达到有层次地初步分离滑油中磨粒的目的，避免磨粒聚集在薄膜中心或薄膜边缘。
优选方案中，如图2所示，所述电容传感器30内部设有中心轴承33、电极支撑绝缘基体34和电极板35，若干所述电极支撑绝缘基体34和中心轴承33将所述电容传感器30内部由划分为多个探测子空间36，所述电极板35分别附于所述电极支撑绝缘基体34上。
优选方案中，所述电极板35包括了平面电极和曲面电极，以在所述探测子空间36内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
优选方案中，如图5-图8所示，所述滑油磨粒收集薄膜50括多孔薄膜51、压电陶瓷传感器52、支撑骨架53、电极54和绝缘隔离层55；所述支撑骨架53支撑所述多孔薄膜51展开；所述压电陶瓷传感器52设置于所述支撑骨架53上；所述电极54为环状，若干所述电极54设置在多孔薄膜51上；所述绝缘隔离层55设置在多孔薄膜51上，并将不同电极54间隔分离；
所述压电陶瓷传感器52通过支撑骨架53给多孔薄膜51施加微振动，以对多孔薄膜51上过滤的磨粒进行自主分类；
根据布置于多孔薄膜51不同位置电极54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51表面的磨粒分布带识别出来；
具体实施时，可以采用3D打印或智能夹层布的方式在其内部布设电极54。
本发明还提供一种实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致的方法，采用如上任意一项所述的滑油磨粒综合诊断探测器；具体方法包括以下步骤：
步骤A、将滑油磨粒综合诊断探测器安装于滑油管路之中，使其内部有滑油通过，并且对其磨粒碎屑进行收集；
步骤B、使电容传感器旋转，利用旋转产生的离心力实现不同尺寸磨粒在薄膜上的初步分离，并将滑油均匀地喷射在多孔薄膜之上；
步骤C、对薄膜施加微振动对磨粒进行二次分离，形成不同磨粒尺寸或质量的有序分布带或聚类；
步骤D、再利用不同的磨粒带导致的薄膜电特性变化进行成像，表征磨粒状态变化。
即将此滑油磨粒综合诊断探测器安装于滑油管路之中，并利用蜗杆传动机构将来自于发动机附件传动系统的动力传递给该滑油磨粒综合诊断探测器的上连接座11的齿轮，带动电容传感器30旋转，转动速度为ω1，转速ω1可由附件传动系统减速器进行控制；
来自滑油系统的滑油以速度v1进入探测器入口(直径为D1)和旋转的锥形电容传感器30，并从直径为D2的出口流出，利用滑油不可压缩性和流量计算公式，可以得到滑油出口80的流速v2＝v1D1 2/D2 2。由于电容传感器30通过电机利用蜗轮蜗杆传动进行高速旋转,可以旋转离心力将滑油喷射在多滑油磨粒收集薄膜50之上，不同的质量或尺寸的磨粒受到不同离心力，进而实现不同尺寸磨粒在薄膜上的初步分离。通过改变振动薄膜的振动频率ω2和振幅A2，选择合适的频率和振幅实现对给定尺寸范围内的磨粒进行更高精度的分离，形成不同磨粒尺寸或质量的有序分布带或聚类，再利用不同的磨粒带导致的薄膜电特性(例如电阻抗)变化进行成像，表征磨粒状态变化。
上述方案中，优选地，可以控制以下参数，以进一步提高磨粒定性定量监测的可靠性和磨粒有序分布的稳定性，如图1所示，所需要控制的参数为：电容传感器30的高度L1，第一间隔空间60的高度L2、第二间隔空间70的高度L3、电容传感器30的旋转速度ω1、滑油磨粒收集薄膜50的振动频率ω2和振幅A；具体地，上述参数的控制方式为：
滑油流速v1以及ω1使得滑油能均匀的喷射在多孔薄膜4上，L3参数用于暂时储存未从出油口排出的滑油，其高度需根据流量确定，当流量大时，L2可以设置较小值，流量小时，L2可以设置较大值，以达到有层次地初步分离滑油中磨粒的目的，避免磨粒聚集在薄膜中心或薄膜边缘。
滑油磨粒在线综合诊断单元的交互协调目标有三个：一是通过优化ω1，使得电容传感器30探测磨粒的数量尽可能多(即高捕获率f1)；二是通过优化ω1和L2，使得滑油中磨粒在薄膜沉积上分布尽可能地分散(即高分散度f2)；三是通过优化微振动ω2和振幅A，使得薄膜上不同尺度磨粒尽量分离而近似尺度磨粒尽量聚集(即高聚类度f3)。
本发明可以采用了变量简化与控制策略，即遗传算法。首先通过模拟仿真和实验结果，设计和优化ω1，确保同轴电容传感器30具有磨粒高捕获率性能；然后再优化L2、ω2和A，实现设计目标f2和f3的综合平衡。
其中，通过调节ω1以得到高捕获率f1为利用电容传感器30于不同转速下磨粒于滑油磨粒收集薄膜50的分布情况如图9所示：图示中，每个区段从左至右的柱状分别代表a，b，c。实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致。
由于在重力和动力黏度的影响下，管道中心的滑油流速明显大于边缘处的管道流速。流体的速度变化会改变磨粒受到的曳力的大小和方向，改变磨粒的运动轨迹，影响磨粒到达膜后的位置。如图10和图11所示，其为两种磨粒的运动轨迹。从上述两图可以看出直径不同的磨粒均有向管道中心聚集的趋势。根据磨粒在水平方向上到管道中心的距离划分不同的区域，分别记录磨粒释放时和到达薄膜时的位置，统计不同区域内的磨粒数量，所得直方图如图12和图13所示。
对磨粒数据进行处理，得到磨粒水平位置随时间变化的情况，如图14所示。从图中可以看出越靠近管道中心的磨粒水平位移越小，反之越大。
本发明采用磨粒检测和滑油过滤相结合，提高关键旋转部件磨损诊断结果的可靠性；将同轴电容传感器30网络和滑油磨粒收集薄膜有机集成的全流域滑油磨粒诊断单元设计方法，通过多场耦合分析设计和优化，考虑关键结构设计参数与主动控制参数的匹配和交互协调，寻求最优的设计参数以进一步提高磨粒定性定量监测的可靠性和磨粒有序分布的稳定性；从而实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致。
尽管本文中较多的使用了诸如诊断单元壳体、滑油进口、电容传感器、多孔薄膜、支撑骨架、滑油出口等术语，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 (10)
1.一种滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：包括诊断单元壳体(10)；所述诊断单元壳体(10)上、下两端分别设置有滑油进口(20)和滑油出口(80)；
所述诊断单元壳体(10)内部设置有电容传感器(30)，所述电容传感器(30)的上进口(31)与所述滑油进口(20)对应设置，其下出口(32)通过下连接座(40)连接；所述下出口(32)下方设置有滑油磨粒收集薄膜(50)，并将其下方的诊断单元壳体(10)内部空间分为第一间隔空间(60)和第二间隔空间(70)。
2.根据权利要求1所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述电容传感器(30)的下出口(32)端与所述下连接座(40)转动连接。
3.根据权利要求2所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述电容传感器(30)的下出口(32)端与所述下连接座(40)通过轴承连接。
4.根据权利要求1所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述电容传感器(30)的上进口(31)端通过上连接座(11)与所述诊断单元壳体(10)内壁采用齿轮连接。
5.根据权利要求1所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述滑油进口(20)的内部直径为D1，所述第一空间的内部直径为D2，所述滑油出口(80)的内部直径为D3；其中，D1＝D3，D1和D2满足：
D2 2·η1·η2＝D1 2；
其中，η1为多功能薄膜的孔隙率，η2为薄膜由于电极布置和支撑骨架(53)导致的孔隙损失率。
6.根据权利要求1所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述电容传感器(30)内部设有中心轴承(33)、电极支撑绝缘基体(34)和电极板(35)，若干所述电极支撑绝缘基体(34)和中心轴承(33)将所述电容传感器(30)内部由划分为多个探测子空间(36)，所述电极板(35)分别附于所述电极支撑绝缘基体(34)上。
7.根据权利要求1所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述电极板(35)包括了平面电极和曲面电极，以在所述探测子空间(36)内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
8.根据权利要求1所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：所述滑油磨粒收集薄膜(50)包括多孔薄膜(51)、压电陶瓷传感器(52)、支撑骨架(53)、电极(54)和绝缘隔离层(55)；所述支撑骨架(53)支撑所述多孔薄膜(51)展开；所述压电陶瓷传感器(52)设置于所述支撑骨架(53)上；所述电极(54)为环状，若干所述电极(54)设置在多孔薄膜(51)上；所述绝缘隔离层(55)设置在多孔薄膜(51)上，并将不同电极(54)间隔分离。
9.根据权利要求8所述的滑油磨粒综合诊断探测器，其特征在于：
所述压电陶瓷传感器(52)通过支撑骨架(53)给多孔薄膜(51)施加微振动，以对多孔薄膜(51)上过滤的磨粒进行自主分类；
根据布置于多孔薄膜(51)不同位置电极(54)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(51)表面的磨粒分布带识别出来。
10.一种实现磨粒在线监测和有序分布聚类分析的协调一致的方法，其特征在于采用如权利要求1-9任意一项所述的滑油磨粒综合诊断探测器；具体方法包括以下步骤：
步骤A、将滑油磨粒综合诊断探测器安装于滑油管路之中，使其内部有滑油通过，并且对其磨粒碎屑进行收集；
步骤B、使电容传感器旋转，利用旋转产生的离心力实现不同尺寸磨粒在薄膜上的初步分离，并将滑油均匀地喷射在多孔薄膜之上；
步骤C、对薄膜施加微振动对磨粒进行二次分离，形成不同磨粒尺寸或质量的有序分布带或聚类；
步骤D、利用不同的磨粒带导致的薄膜电特性变化进行成像，表征磨粒状态变化。
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