CN114608998A - 一种滑油磨粒分类收集监测器及磨粒在线监测和分析方法 - 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分类收集监测器及磨粒在线监测和分析方法，包括上、下两端分别设置有滑油进口和滑油出口的外壳体；外壳体内设置有可旋转的同轴电容传感器，其上进口与滑油进口对应设置，下出口与连接座的出口可转动连接；连接座的出口下方设置有磨粒收集腔；磨粒收集腔内设置有至少一组薄膜电阻抗传感器；薄膜电阻抗传感器呈同心环状设置在磨粒收集腔的截流面上。本发明提供的监测器利用多传感器集成设计，实现滑油磨粒全流域在线监测、收集及分类，减少磨粒对滑油管路的影响的同时，能够有效防止磨粒过多堵塞薄膜电阻抗传感器造成油路压降过大的情况发生，适用于航空发动机技术领域，具有重要的应用价值。

Description

一种滑油磨粒分类收集监测器及磨粒在线监测和分析方法
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分类收集监测器及磨粒在线监测和分析方法。
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，只有少数的磨粒探测器(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)，其存在无法对磨粒进行在线感知分析、对磨粒和滑油的分离只能进行静态收集的问题，该类问题的存在不利于对旋转润滑部件的磨损进行及时诊断和预测，存在一定误差；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；专利CN202010701842.5一种滑油磨粒综合诊断探测器及磨粒在线监测和分析方法。上述专利技术均为本专利发明人进行的设计，发明人在继续研究中发现，上述诊断探测器在使用过程中存在磨粒过多堵塞传感器而导致油路压降过大的情况发生，从而影响探测器的诊断和寿命。
发明内容
为解决上述现有技术中诊断探测器存在的不足，本发明提供一种滑油磨粒分类收集监测器，包括外壳体，所述外壳体上、下两端分别设置有滑油进口和滑油出口；所述外壳体内部设置有可旋转的同轴电容传感器，所述同轴电容传感器的上进口与所述滑油进口对应设置，其下出口与连接座的出口可转动连接；所述连接座的出口下方设置有磨粒收集腔；所述磨粒收集腔内部设置有至少一组薄膜电阻抗传感器；所述薄膜电阻抗传感器呈同心环状设置在磨粒收集腔的截流面上。
在一实施例中，所述薄膜电阻抗传感器包括支撑骨架、多孔导电薄膜、电极以及绝缘隔离层；所述支撑骨架水平支撑多孔导电薄膜展开，所述多孔导电薄膜呈同心环状，若干电极环状分布在多孔导电薄膜上；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。
在一实施例中，所述薄膜电阻抗传感器至少设置有两组，并由上而下布置在磨粒收集腔的截流面上；其中，位于上层的多孔导电薄膜孔径大于位于下层的多孔导电薄膜孔径。
在一实施例中，所述薄膜电阻抗传感器设置有两组，其中位于上层的多孔导电薄膜孔径的设置范围在90～100μm之间，位于下层的多孔导电薄膜52孔径的设置范围在20～50μm之间。
在一实施例中，所述同轴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。
在一实施例中，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。
在一实施例中，所述磨粒收集腔内部还设置有平行弧形板电容传感器，所述平行弧形板电容传感器用于监测磨粒存在于磨粒收集腔时的电信号。
在一实施例中，所述平行弧形板电容传感器包括相互平行的第一弧形电极板和第二弧形电极板；所述第一弧形电极板为弧形圆台壳状，其上开口与连接座的出口连通，下开口与磨粒收集腔的截流面连通；所述第二弧形电极板为弧形圆台壳状，其上开口与第一弧形电极板的上开口连通形成中部流道，下开口与薄膜电阻抗传感器连接形成外部流道。
在一实施例中，所述同轴电容传感器和平行弧形板电容传感器的电极板均采用柔性薄膜电极。
本发明还提供一种磨粒在线监测和分析方法，采用如上所述的滑油磨粒分类收集监测器，具体方法包括以下步骤：
S10，将滑油磨粒分类收集监测器安装在滑油管路中，并使其内部有滑油通过；
S20，使同轴电容传感器旋转，利用旋转产生的离心力使磨粒流入磨粒收集腔中，磨粒的存在使得同轴电容传感器、平行弧形板电容传感器介质的电容发生变化，利用数据采集系统采集同轴电容传感器、平行弧形板电容传感器的电信号；
S30，磨粒收集腔的中部流道向滑油出口方向流过几乎不含磨粒的滑油，其外部流道会依次通过至少一组薄膜电阻抗传感器，磨粒将被收集在薄膜电阻抗传感器上，而过滤后的滑油将向滑油出口流出；
S40，根据布置于多孔导电薄膜上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，将多孔导电薄膜表面的磨粒分布带识别出来，以表征磨粒状态变化。
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的滑油磨粒分类收集监测器利用同轴电容传感器、薄膜电阻抗传感器的集成设计，实现滑油磨粒全流域在线监测、收集及分类，同时将薄膜电阻抗传感器设置为同心环状，使其中部预留出中部流道供滑油流过，能够有效防止磨粒过多堵塞薄膜电阻抗传感器造成油路压降过大的情况发生。上述设计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。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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简单地介绍，显而易见，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆以图示组件绘示的方向为基准。
图1为本发明提供的滑油磨粒分类收集监测器的结构示意图；
图2为本发明提供的薄膜电阻抗传感器的结构示意图；
图3为两组薄膜电阻抗传感器分析成像后表征出的磨损状态示意图；
图4为本发明提供的同轴电容传感器的主视图；
图5为本发明提供的同轴电容传感器的立体图；
图6为150μm、100μm、50μm尺寸的磨粒运动轨迹仿真分析图。
图7为本发明提供的磨粒在线监测和分析方法的步骤流程图。
附图标记：
10外壳体 20滑油进口 80滑油出口
30同轴电容传感器 40连接座 70磨粒收集腔
50薄膜电阻抗传感器 51支撑骨架 52多孔导电薄膜
53电极 31中心轴承 32电极支撑绝缘基体
33探测子空间 60平行弧形板电容传感器 61第一弧形电极板
62第二弧形电极板
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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
参阅图1～图6，本发明提供一种滑油磨粒分类收集监测器，包括外壳体10，所述外壳体10上、下两端分别设置有滑油进口20和滑油出口80；较佳地，滑油进口20与滑油出口80的内部直径相等，以保证内部流场的稳定性。
所述外壳体10内部设置有可旋转的同轴电容传感器30，所述同轴电容传感器30的上进口与所述滑油进口20对应设置，其下出口与连接座40的出口可转动连接，具体地，同轴电容传感器30可采用不限于蜗轮蜗杆机构来实现旋转，其下出口则可通过轴承与连接座40的出口连接。具体可采用如专利号CN201910282282.1公开的同轴电容传感器。
所述连接座40的出口下方设置有磨粒收集腔70；所述磨粒收集腔70内部设置有至少一组薄膜电阻抗传感器50；所述薄膜电阻抗传感器50呈同心环状设置在磨粒收集腔70的截流面上。具体的，其同心环状的薄膜电阻抗传感器50将磨粒收集腔70沿轴向分成中部流道和外部流道，由于同轴电容器30旋转的离心力作用下，外部流道将流过裹挟着磨粒的滑油，而中部流道流过几乎不含磨粒的滑油。与现有技术中整个薄膜覆盖整个截流面相比，该设计能够有效防止磨粒过多堵塞薄膜造成油路压降过大的情况发生，结构更为简单。
优选地，如图2所示，所述薄膜电阻抗传感器50包括支撑骨架51、多孔导电薄膜52、电极53以及绝缘隔离层54；所述支撑骨架51水平支撑多孔导电薄膜52展开，所述多孔导电薄膜52呈同心环状，若干电极53环状分布在多孔导电薄膜52上；所述绝缘隔离层55设置在多孔薄膜51上，并将不同电极53间隔分离。较佳地，所述多孔导电薄膜52可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，其中多功能材料为碳纳米管或石墨烯。具体还可参考专利CN201910300916.1中所公布的多功能滑油磨粒收集薄膜。
优选地，所述薄膜电阻抗传感器50至少设置有两组，并由上而下布置在磨粒收集腔70的截流面上；其中，位于上层的多孔导电薄膜52孔径大于位于下层的多孔导电薄膜52孔径。通过上述设置方式，能够对不同直径大小的磨粒进行分类收集，一方面能够减轻一组薄膜电阻抗传感器50带来的堵塞压力，保证滑油流动更为流畅，另一方面能够更准确地对磨粒状态进行分析。
优选地，所述薄膜电阻抗传感器50设置有两组，其中位于上层的多孔导电薄膜52孔径的设置范围在90～100μm之间，用于收集较为严重的磨损磨粒，位于下层的多孔导电薄膜52孔径的设置范围在20～50μm之间，用于收集一般磨损的磨粒，从而实现不同大小磨粒的分类监测。较佳地，所述上层多孔导电薄膜52孔径设置为100μm，下层多孔导电薄膜52孔径设置为50μm，据此收集的磨粒分析成像后表征出的磨损状态如图3所示。
优选地，如图4、5所示，所述同轴电容传感器30内部设有中心轴承31、电极支撑绝缘基体32和电极板，若干所述电极支撑绝缘基体32和中心轴承31将所述同轴电容传感器30内部划分为多个探测子空间33，所述电极板分别附于所述电极支撑绝缘基体32上。较佳地，所述同轴电容传感器30为倒圆台构型或圆筒构型。
优选地，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33内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
优选地，所述磨粒收集腔70内部还设置有平行弧形板电容传感器60，所述平行弧形板电容传感器60用于监测磨粒存在于磨粒收集腔70时的电信号，进一步实现全流域检测，防止漏检磨粒。
优选地，如图1所示，所述平行弧形板电容传感器60包括相互平行的第一弧形电极板61和第二弧形电极板62；所述第一弧形电极板61为弧形圆台壳状，其上开口与连接座40的出口连通，下开口与磨粒收集腔70的截流面连通；其弧形圆台状的结构，能够更有利于引导磨粒在离心作用下向外侧的薄膜电阻抗传感器50位置运动。
所述第二弧形电极板62为弧形圆台壳状，其上开口与第一弧形电极板61的上开口连通形成中部流道，下开口与薄膜电阻抗传感器50连接形成外部流道。较佳地，所述支撑骨架51的内部倾斜一定角度向上延伸一段支撑部，使其呈圆台状，所述第二弧形电极板62设置在支撑部上，恰好与第一弧形电极板61的表面平行。通过上述设计，使得磨粒经过两平行的弧形板电容器时，能够更为精确、动态地对滑油磨粒进行监测，同时，其弧形表面还能起到导向作用，以引导磨粒向外侧的薄膜电阻抗传感器50位置运动，实现磨粒的高捕捉率。
优选地，所述同轴电容传感器30和平行弧形板电容传感器60的电极板均采用柔性薄膜电极。
本发明还提供一种磨粒在线监测和分析方法，如图7所示，采用如上所述的滑油磨粒分类收集监测器，具体方法包括以下步骤：
S10，将滑油磨粒分类收集监测器安装在滑油管路中，并使其内部有滑油通过；
S20，使同轴电容传感器旋转，利用旋转产生的离心力使磨粒流入磨粒收集腔中，磨粒的存在使得同轴电容传感器、平行弧形板电容传感器介质的电容发生变化，利用数据采集系统采集同轴电容传感器、平行弧形板电容传感器的电信号；具体地，可采用单片机、阻抗分析仪等设备对监测器内的传感器进行采集。
S30，磨粒收集腔的中部流道向滑油出口方向流过几乎不含磨粒的滑油，其外部流道会依次通过至少一组薄膜电阻抗传感器，磨粒将被收集在薄膜电阻抗传感器上，而过滤后的滑油将向滑油出口流出；
S40，根据布置于多孔导电薄膜上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，将多孔导电薄膜表面的磨粒分布带识别出来，以表征磨粒状态变化。具体电阻抗层析成像方法可参考专利CN201910300916.1中公布的方法。
示例性地，磨粒在多类传感器中受到重力、滑油曳力、离心力等多个力作用，再者传感器内部构造复杂，流场复杂，故难以得到磨粒运动轨迹解析解。因此，根据本发明提供的监测器可采用有限元法对几种飞机发动机典型尺寸磨粒进行多物理场仿真分析，其中，磨粒尺寸设置有三组，分别为150μm、100μm、50μm，仿真结果如图6所示，可以看出大部分磨粒可以被本设计的多类传感器监测收集。
通过上述磨粒的在线监测和分析方法，进一步地，基于多源信息融合、电阻抗层析成像、机器学习、人工神经网络等技术可对信号进行后续处理，从而对发动机的磨损状态进行及时在线诊断和监测，以对发动机旋转部件进行及时有效维护。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种滑油磨粒分类收集监测器及磨粒在线监测和分析方法具有如下优点：
一、多类传感器集成设计，实现了滑油磨粒全流域在线监测。
二、基于信息融合、机器学习技术实现发动机健康状态的精确监测。
三、安装了若干组具有不同孔径的多孔薄膜电阻抗传感器，实现了磨粒的收集与分类。在表征了发动机磨损状况的同时防止了磨粒再次进入油路对旋转部件造成损伤。
四、壳体下部通过多孔薄膜电阻抗传感器和平行弧形板电容传感器的配合以形成中部流道和外部流道的设计，预留出一个磨粒较少的中部流道未安装多孔薄膜，有效防止了磨粒过多堵塞传感器造成油路压降过大的情况发生。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
尽管本文中较多的使用了诸如外壳体、滑油进口、滑油出口、同轴电容传感器、连接座、磨粒收集腔、薄膜电阻抗传感器、支撑骨架、多孔导电薄膜、电极、绝缘隔离层、中心轴承、探测子空间、电极支撑绝缘基体、平行弧形板电容传感器、第一弧形电极板、第二弧形电极板等术语，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；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
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)

1.一种滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：包括外壳体(10)，所述外壳体(10)上、下两端分别设置有滑油进口(20)和滑油出口(80)；
所述外壳体(10)内部设置有可旋转的同轴电容传感器(30)，所述同轴电容传感器(30)的上进口与所述滑油进口(20)对应设置，其下出口与连接座(40)的出口可转动连接；所述连接座(40)的出口下方设置有磨粒收集腔(70)；
所述磨粒收集腔(70)内部设置有至少一组薄膜电阻抗传感器(50)；所述薄膜电阻抗传感器(50)呈同心环状设置在磨粒收集腔(70)的截流面上。
2.根据权利要求1所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述薄膜电阻抗传感器(50)包括支撑骨架(51)、多孔导电薄膜(52)、电极(53)以及绝缘隔离层(54)；所述支撑骨架(51)水平支撑多孔导电薄膜(52)展开，所述多孔导电薄膜(52)呈同心环状，若干电极(53)环状分布在多孔导电薄膜(52)上；所述绝缘隔离层(55)设置在多孔薄膜(51)上，并将不同电极(53)间隔分离。
3.根据权利要求2所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述薄膜电阻抗传感器(50)至少设置有两组，并由上而下布置在磨粒收集腔(70)的截流面上；其中，位于上层的多孔导电薄膜(52)孔径大于位于下层的多孔导电薄膜(52)孔径。
4.根据权利要求3所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述薄膜电阻抗传感器(50)设置有两组，其中位于上层的多孔导电薄膜(52)孔径的设置范围在90～100μm之间，位于下层的多孔导电薄膜(52)孔径的设置范围在20～50μm之间。
5.根据权利要求1所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述同轴电容传感器(30)内部设有中心轴承(31)、电极支撑绝缘基体(32)和电极板，若干所述电极支撑绝缘基体(32)和中心轴承(31)将所述同轴电容传感器(30)内部划分为多个探测子空间(33)，所述电极板分别附于所述电极支撑绝缘基体(32)上。
6.根据权利要求5所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：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(33)内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
7.根据权利要求5所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述磨粒收集腔(70)内部还设置有平行弧形板电容传感器(60)，所述平行弧形板电容传感器(60)用于监测磨粒存在于磨粒收集腔(70)时的电信号。
8.根据权利要求7所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述平行弧形板电容传感器(60)包括相互平行的第一弧形电极板(61)和第二弧形电极板(62)；所述第一弧形电极板(61)为弧形圆台壳状，其上开口与连接座(40)的出口连通，下开口与磨粒收集腔(70)的截流面连通；所述第二弧形电极板(62)为弧形圆台壳状，其上开口与第一弧形电极板(61)的上开口连通形成中部流道，下开口与薄膜电阻抗传感器(50)连接形成外部流道。
9.根据权利要求8所述的滑油磨粒分类收集监测器，其特征在于：所述同轴电容传感器(30)和平行弧形板电容传感器(60)的电极板均采用柔性薄膜电极。
10.一种磨粒在线监测和分析方法，其特征在于：采用如权利要求1-9任一项所述的滑油磨粒分类收集监测器，具体方法包括以下步骤：
S10，将滑油磨粒分类收集监测器安装在滑油管路中，并使其内部有滑油通过；
S20，使同轴电容传感器旋转，利用旋转产生的离心力使磨粒流入磨粒收集腔中，磨粒的存在使得同轴电容传感器、平行弧形板电容传感器介质的电容发生变化，利用数据采集系统采集同轴电容传感器、平行弧形板电容传感器的电信号；
S30，磨粒收集腔的中部流道向滑油出口方向流过几乎不含磨粒的滑油，其外部流道会依次通过至少一组薄膜电阻抗传感器，磨粒将被收集在薄膜电阻抗传感器上，而过滤后的滑油将向滑油出口流出；
S40，根据布置于多孔导电薄膜上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，将多孔导电薄膜表面的磨粒分布带识别出来，以表征磨粒状态变化。
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