CN114894883A - 一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置 - Google Patents

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邹涛
叶兵清
张煜华
于兵
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Abstract

本发明公开了一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置。采用传统的三线圈结构，三个线圈并排绕制在管道上，两侧的励磁线圈与中间的感应线圈之间距离相同，尽可能的对称放置使得接入反向激励电流的励磁线圈所产生的磁场在感应线圈的检测区域相互抵消。基于磁化效应和涡流效应的电感式屑末检测装置具备区分屑末类型的能力，能够判断铁磁性屑末和非铁磁性屑末；屑末携带着发动机零部件磨损状态的重要信息，主要包含磨损程度，磨损位置等，从而判别航空发动机部件磨损发生的部位，及时监控航空发动机磨损状态，有效降低了故障率，保证了航空发动机可靠性。

Description

一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置
技术领域
本发明是一种滑油屑末检测装置，具体地说是一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置。
背景技术
航空发动机长期在高速、高温、过载、重机动、频繁起降等恶劣条件下工作，复杂的零件在保证发动机高性能的同时难免会产生各种类型的故障，造成发动机寿命缩短。因此，为了保证飞行安全，延长发动机寿命，及时精确地进行发动机健康状态监测及故障诊断十分有必要。航空发动机各种类型的故障中，磨损故障是最为常见的故障，磨损失效主要发生在发动机传动系统、齿轮、轴承等部位。磨损会使零部件表面的物理性质发生改变，进一步导致其尺寸及几何形状的变化，严重磨损会直接对发动机的安全性产生影响。严重磨损部件需要及时更换来延长发动机寿命，为了避免产生会造成重大事故的严重磨损，对于航空发动机的零部件进行磨损状态监测十分有必要。为了减少磨损，航空发动机配置有滑油系统，其中往复循环的润滑油具有润滑，密封，能量传递，防锈，抗磨，冷却等重要功能。若航空发动机零部件得不到有效的润滑，机械之间摩擦的加大会导致局部温度迅速升高，摩擦面出现变形，使得零部件精度下降。磨损所产生的屑末都会落入润滑油中并随之一起循环使用，屑末携带着发动机零部件磨损状态的重要信息，主要包含磨损程度，磨损位置等。航空发动机正常运行时产生小屑末，而一旦产生大屑末，会在数小时内造成发动机的严重损坏。因此，对滑油屑末进行监测十分有必要。通过分析滑油中屑末的含量、尺寸、种类等信息，及时监控航空发动机磨损状态，有效降低了故障率，保证了航空发动机可靠性。
发明内容
传统的三线圈电感式屑末传感器的润滑油流道的周围分布着三个多层铜线圈，其中两个励磁线圈对称放置于两侧，感应线圈放置于中间。两个励磁线圈反向并联连接，当交流激励源接入励磁线圈时，两个励磁线圈产生方向相反的交变磁场，两个磁场相互抵消，使两个励磁线圈中心的感应线圈处于零磁场，产生的感应电动势在理想情况下为零。当屑末流经感应线圈时，原先的磁场状态会受其影响使得磁场平衡被打破，感应线圈的磁场发生变化，输出类似于一个周期正弦函数的感应电动势。根据法拉第电磁感应定律：
Figure BSA0000272576460000011
其中，ε是感应线圈两端输出的感应电动势；Φ是通过感应线圈的磁通圈数；N为感应线圈的匝数；S是感应线圈的横截面积；B是感应线圈的磁感应强度。感应电动势的方向取决于磁场的方向和变化，大小正比于磁通量变化率。
铁磁性屑末通过带电螺线管引起的磁通量变化与非铁磁性屑末引起的磁通量变化相反。这是因为具有不同电磁特性的屑末产生附加磁场的原因不同。由于铁磁性屑末作为铁磁性介质，具有较高的相对磁导率(μr＞＞1)，因此它会受到较强的磁化效应的影响，从而产生额外的磁场。与磁化效应相比，涡流效应的影响几乎可以忽略，这使得铁磁性屑末增强了磁场。相反，非铁磁性屑末的相对磁导率μr约为1，因此磁化效应产生的磁场可以忽略不计，只有涡流效应产生会衰减磁通量的附加磁场，并削弱总磁场强度。因此，当铁磁性屑末和非铁磁性屑末流过传感器时，感应电动势相位相反，以此来区分铁磁性屑末和非铁磁性屑末，屑末的大小可以通过输出信号的幅值来判断。实际检测过程中，由于屑末十分微小，产生的感应电动势也很微弱，很容易被各种噪声淹没，需要采用信号处理的手段进行提取。
附图说明
图1为单匝励磁线圈模型图。
图2为多匝励磁线圈模型图。
图3为传感器模型图。
图4为铁磁和非铁磁屑末特征信号的典型形状图。
图5为传感器示意图。
具体实施方式
图1为单匝励磁线圈产生的磁场。假设真空中存在一个半径为r1的球型屑末，将球心设置为坐标系原点O，忽略位移电流。正弦电流I随时间谐波系数ejωt(ω为角频率)在励磁线圈中流动。
球型屑末的电导率和磁导率分别为γ1和μ1，μ1的表达式为：
μ1＝μ0μr1 (1)
其中μ0是真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m，μr1是相对磁导率。d是当前回路的半径，r2是原点到回路上任意一点的距离，H1是环路中心到原点的距离。
整个电磁场分为三个区域：空间1(0≤r＜r1)，空间2(r1≤r＜r2)，空间3(r2≤r)。这三个区域的边界是同心球面。对于轴对称磁场，磁势Ei只有周向分量
Figure BSA0000272576460000031
约束方程可以写成：
Figure BSA0000272576460000032
其中，i＝1，2，3，
Figure BSA0000272576460000033
且
Figure BSA0000272576460000034
各区域的磁矢量的表达式为：
Figure BSA0000272576460000035
Figure BSA0000272576460000036
Figure BSA0000272576460000037
其中：
Figure BSA0000272576460000038
Figure BSA0000272576460000039
Figure BSA00002725764600000310
Figure BSA00002725764600000311
Figure BSA00002725764600000312
Figure BSA00002725764600000313
其中，Jn(k1r)和Jn-1(k1r)是第一类Bessel函数，
Figure BSA00002725764600000314
和
Figure BSA00002725764600000315
是Legendre函数。
此时，由于模型中的介质假定为线性，屑末外部的磁矢量E3可被视为仅由励磁线圈产生的入射场的磁矢量Ein和仅由屑末产生的散射场的磁矢量Esc之和。因此，描述散射场的磁矢量计算如下：
Figure BSA0000272576460000041
其中，r应该大于r1。磁感应强度的方向沿着轴线方向，和线圈电流I的方向之间满足右手定则。
图2为多匝线圈产生的磁场。理论上，紧密缠绕的螺线管与单匝线圈的内径相同，可视作单匝线圈的组合。实际的传感器线圈都是由单匝线圈多层多匝绕制而成的具有厚度和高度的线圈，此时模型图如图2所示。线圈的内径为R1、外径为R2、宽度为S、匝数Ne、从线圈几何中心到原点的距离D。匝数密度为：
Nc＝(Ne/S·(R2-R1)) (13)
为了便于分析，采用了归一化过程。将所有尺寸均按球型屑末的半径进行标准化：
Figure BSA0000272576460000042
通过沿励磁线圈横截面积分，可以得到屑末外部散射场的磁矢量：
Figure BSA0000272576460000043
图3为传感器模型。实际传感器的模型如图3所示。两侧是励磁线圈，励磁线圈之间的距离为X。感应线圈放置于两个励磁线圈之间。左右两个励磁线圈中心与原点的距离分别为X1，X2。满足如下关系：
X＝X1+X2 (16)
通过叠加左侧多匝励磁线圈和右侧多匝励磁线圈产生的磁场，求解了屑末外部的散射场。
对于感应线圈的产生的感应电动势，首先在励磁线圈的横截面上积分(3)-(5中的表达式，然后采用叠加定理得到每个区域的磁矢量：
Figure BSA0000272576460000044
Figure BSA0000272576460000045
Figure BSA0000272576460000046
其中，
Figure BSA0000272576460000047
Figure BSA0000272576460000048
Figure BSA0000272576460000049
在柱坐标系下，磁通密度矢量为：
Figure BSA0000272576460000051
如果屑末沿线圈的中心轴，从(-r1-S/2)至(r1+S/2)通过，感应线圈的磁通量为：
Figure BSA0000272576460000052
其中，S1是感应线圈内部屑末的横截面积，S2是感应线圈的周围区域。感应电压和磁通量之间的关系可以表示为：
Figure BSA0000272576460000053
最终，感应线圈输出的感应电动势典型情况如图4所示，即为屑末的特征信号。可以看出，感应电动势幅值与屑末属性，线圈结构，激励磁场有关，并且信号峰峰值与球型屑末半径三次方近似成正比关系。当传感器的参数固定之后，即可通过输出信号的幅值判别屑末的尺寸大小，屑末类型则由输出信号的极性表征。综合分析屑末信息，即可为判断磨损状态提供依据。

Claims (4)

1.一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置，该检测装置基于磁化效应、涡流效应以及涉及Biot-Savart定律；其特征是该检测装置具备区分屑末类型的能力，能够判断铁磁性屑末和非铁磁性屑末，进一步判别航空发动机部件磨损发生的部位。
2.根据权利要求1所述的一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置，其特征是：所述磁化效应的优势为：物体在微观上分子结构杂乱，使得正负相抵，在宏观上通常不表现出磁性，而将物体放置在磁场中就会受到外部磁场的作用，使得物质内部原子磁矩按同一方向整齐的排列，此时物体就会对外显示出一定的磁性。
3.根据权利要求1所述的一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置，其特征是：所述涡流效应的优势为：导体外部线圈中的交变电流会使线圈产生交变磁场，可将圆周方向视作视为闭合电路，其中磁通量的变化会产生感应电动势及电流，沿导体圆周方向会出现一圈圈电流。
4.根据权利要求1所述的一种基于电感式原理的滑油屑末检测装置，其特征是：所述Biot-Savart定律的优势为：该定律可以用来描述电流元在空间任意点P处所激发的磁场，适用于计算稳定电流产生磁场。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117470948A (zh) * 2023-10-18 2024-01-30 苏州仁正智探科技有限公司 一种感应式油液屑末信号监测与识别系统及方法

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