(1.武汉理工大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430070;2.广州机械科学研究院有限公司 广东广州 510535)

油液监测技术通过对设备在用润滑油中磨损金属颗粒的检测分析，可获得有关设备摩擦副磨损状态信息，同时参考设备的运行工况和运动部件材料，可预测设备可能出现的磨损故障隐患，从而有针对性地对设备进行检查和维修，避免设备重大事故的发生。

润滑油是保障野外装备安全可靠运行的重要基础，然而润滑磨损导致的“润滑隐患”成为野外装备故障的重要根源。当前我国野外装备使用过程中存在换油依据过“死”、维修保养方式过于传统、润滑与磨损状态监测实时性较差等问题[1]，因此，开发一种便携式磨粒监测仪，可以在野外现场环境下对装备润滑油中的磨粒进行检测，为野外装备管理人员提供维修决策依据，对于提升维修效益，降低维修成本[2]，提高野外装备运行的安全性、可靠性及技战术性能具有重要的意义。

1 润滑油中磨粒的检测原理

对油中颗粒的检测，既有单纯对油中颗粒进行计数的设备，如HIAC、Hydac、Pall、PAMAS等公司的相关产品，也有专门针对油中磨损金属颗粒进行检测，以判断设备磨损量的主设备，如Kittiwake、Eaton、MACOM、GasTOPS、Manor等公司的相关产品。从检测原理上来看，主要可以分为元素法、遮光法、图像法、电磁感应法、介电常数法等几种方法。

元素法主要是基于X射线荧光光谱法[3]，由于其较高的成本和对使用环境的要求较高，目前尚难以用于现场检测。遮光法[4]主要用于液压和透平等对清洁度要求较高的系统中对所有固体颗粒的计数，但一般不区分颗粒的形貌，或者区分形貌的可靠度较低。图像法可以看成是遮光法的升级版，能够很好地识别颗粒的形貌[5]，根据磨粒的捕获原理又可以分成流通型与沉积型2种。电磁感应法利用金属颗粒对磁场的感应和扰动作用来识别颗粒，但很难检测微米级的颗粒。介电常数法的原理是当油液中的老化产物、金属磨屑和水污染增加时，油液的介电常数会增大，但实验研究[6]和实际应用表明，水对介电常数的影响远大于油液老化和金属磨屑。因此在润滑系统有进水的情况下，很难根据油液的介电常数来判断磨粒含量。

本文作者设计一种基于图像法原理的磨粒检测仪，该仪器利用磁铁将试管中的磨粒吸附到成像系统的焦平面上并使之呈链状排列。这种排列方式有利于对铁磁性磨粒进行识别和重叠磨粒的分割。

2 检测仪设计

2.1 整体结构设计

检测仪的整体结构如图1所示。在检测仪的壳体上部有一个试管槽，用于固定装有被测油样的试管。检测仪壳体内部主要包括磁极、成像镜头、CCD传感器和控制器等。其中，磁极的作用是将被测油样中的铁磁性磨粒吸附到成像系统的焦平面上并使之呈链状排列。成像镜头将磨粒图像进行光学放大使之可以呈现微米级的颗粒。CCD传感器负责采集磨粒图像并传送到控制器中。控制器负责磨粒的图像采集、数据处理并传送到云端。

图1 便携式磨粒采集仪结构

2.2 磨粒沉积区域的磁场设计

在采集仪使用过程中，装有油样的试管被放入检测仪中。试管的底部为磨粒的目标沉积区域。需要针对试管油样中悬浮的铁磁性磨粒设计一个磁场，一方面使悬浮的磨粒在磁力的作用下尽可能多地沉积到试管底部区域[7]；另一方面使沉积下来的磨粒按照磁力线进行排布，以方便磨粒识别。因此，设计了一个基于线圈驱动的磁场，如图2所示。2个针状磁极相对布置，中间的区域为磨粒沉积区，磁极后面通过铁芯由线圈驱动。

图2 沉积区的磁力线图

由图2可以看出，磁力线主要是沿着铁芯的方向密集分布，向四周传播得较少，在尖头铁芯处出现了一个向周围散射的磁场，磁力线由密到疏，磁场呈现对称分布的趋势[8-9]。

3 磁极结构对磨粒沉积区域的影响

3.1 开环磁极与闭环磁极

在设计吸附磨粒的磁极时，可以采用2种磁极模式，即开环磁极(如图3所示)和闭环磁极(图2所示)。从表1可以看出，从磁感应强度总值看，开环状态明显小于闭环状态；从指针值看，闭环时磁感应强度是开环时的几十倍。从图3可看出，开环磁极磁感应强度最大值为0.186 97 T，而且主要分布在线圈周围，在铁芯位置几乎没有磁感应分布。可知闭环优于开环，因此采用了闭环磁极的设计方案。

图3 开环磁极磁感应强度

磁极磁感应强度总值B/T指针1 B1/T指针2 B2/T开环状态0.186 970.007 2470.016 973闭环状态0.339 320.215 080.221 55

3.2 磁极截面积

磁极的截面是用于导通磁极内部的磁力线的，其面积的大小决定了最大磁场强度。但过大的截面对检测仪的结构设计是不利的[10]。以12 mm×12 mm为最大值，改变磁极截面积来观察磁极磁感应强度的变化。如图4所示，尖头磁极截面和回形铁芯截面是同时变化的，其他条件保持不变。

图4 改变磁极截面积对磁感应强度的影响

改变磁极截面积做了7组对比实验，结果如表2所示。可以看出，在截面为8 mm×8 mm时，所有磁感应强度数据都是最小的，12 mm×12 mm截面的指针值比10 mm×10 mm截面的略大。另外，当铁芯截面为4 mm×4 mm和5 mm×5 mm的时候，也具有较强的磁感应强度，可以在以后的分析中对这个尺寸范围给予综合分析。综合观察，当铁芯截面尺寸为12 mm×12 mm时有最佳效果。

表2 改变磁极截面积对磁感应强度的影响

3.3 磁极宽度

在不改变磁极厚度的情况下改变磁极截面积，即单纯改变磁极宽度，探讨磁感应强度的变化。如图5所示，尖头磁极宽度和回形铁芯宽度是同时变化的，其他条件不变。针对不同的磁极宽度做了8组对比实验，结果如表3所示。从磁感应强度总值分析，当铁芯宽度为7和2 mm时有较大值，从指针值可看出也是在宽度为7和2 mm时磁感应强度有较大值。说明在设计的时候，可以考虑用薄片装的磁极来取代方形截面的磁极。

图5 改变磁极宽度对磁感应强度的影响

宽度w/mm磁感应强度总值 B/T指针1 B1/T指针2 B2/T尖头铁芯12,回形120.339 320.215 080.221 55尖头铁芯10,回形100.155 720.150 490.130 91尖头铁芯9,回形90.030 5880.021 5250.010 357尖头铁芯8,回形80.132 30.111 730.103 68尖头铁芯7,回形70.511 760.301 360.473 43尖头铁芯6,回形60.117 050.029 7040.017 734尖头铁芯4,回形40.156 490.042 4470.067 014尖头铁芯2,回形20.729 390.419 250.319 04

3.4 回形铁芯宽度

由于磁极中部的磁场强度较弱，因此，考虑在不改变尖头磁极的情况下，调整回形铁芯的宽度，如图6所示，做了8组对比实验，结果如表4所示。从磁感应强度总值分析，宽度为12 mm时有最大值，从指针值分析，也是在回形铁芯宽度为12时有最大值。

图6 改变回形铁芯宽度对磁感应强度的影响

宽度w/mm磁感应强度总值 B/T指针1 B1/T指针2 B2/T尖头铁芯12,回形120.339 320.215 080.221 55尖头铁芯12,回形100.174 840.169 70.174 84尖头铁芯12,回形90.172 180.165 90.170 54尖头铁芯12,回形80.162 180.142 580.132 71尖头铁芯12,回形70.105 340.016 0130.005 004 6尖头铁芯12,回形60.196 660.125 310.120 6尖头铁芯12,回形40.258 210.106 150.113 91尖头铁芯12,回形20.247 660.042 9710.043 991

3.5 回形铁芯厚度

同样，由于磁极中部的磁场强度较弱，在不改变尖头磁极的情况下，通过调整回形铁芯的厚度，如图7所示，做了9组对比实验，结果如表5所示。从磁感应强度总值看，当铁芯厚度为8 mm时有最小值，铁芯厚度为6和2 mm时有较大值。

图7 改变回形铁芯厚度对磁感应强度的影响

铁芯厚度t/mm磁感应强总值 B/T指针1 B1/T指针2 B2/T20.855 980.224 20.215 1940.412 070.117 880.095 36950.311 760.126 270.137 2260.446 920.271 230.257 6470.173 620.060 2160.043 06780.038 8750.027 0390.025 9390.112 980.064 1410.077 176100.213 640.148 390.131 42120.339 310.215 080.221 55

4 线圈结构对磨粒沉积区域的影响

4.1 线圈厚度

激励线圈作为磁极的激励部件，其尺寸与位置决定了磁极能产生的磁场大小。如图8所示，其他条件均不变，改变线圈的厚度，做了5组实验，结果如表6所示。可看出，磁感应强度总值的最大值是在线圈厚度为22和21 mm时，并且指针最大值也是在这2个线圈厚度下出现。

图8 改变线圈厚度对磁感应强度的影响

线圈厚度δ/mm磁感应强度总值 B/T指针1 B1/T指针2 B2/T200.209 940.164 330.164 12210.357 950.197 080.219 74220.339 320.215 080.221 55230.264 430.134 430.133 95240.087 6320.009 034 10.003 963 5

4.2 线圈直径

改变线圈的直径，即线圈缠绕的匝数，如图9所示，其他条件不变，做了5组实验，结果如表7所示。从磁感应强度总值分析线圈直径在36 mm出现最大值，从指针值分析，也是在线圈直径为36 mm出现最大值。

图9 改变线圈直径对磁感应强度的影响

线圈直径d/mm磁感应强度总值 B/T指针1 B1/T指针2 B2/T340.199 760.087 3690.094 214350.333 150.160 660.146 86360.339 320.215 080.221 55370.143 810.037 3810.03 369 4380.114 480.064 860.067 79

4.3 线圈与铁芯间隙

励磁线圈缠绕在回形铁芯的两侧上，在保持线圈与尖头铁芯中心的相对位置不变的情况下，改变回形铁芯的与线圈的间隙量，观察磁感应强度的变化，结果如表8所示。从磁感应强度总值对比可得出，内边距为4 mm时有最大值；从指针位置数据可看出，也是内边距为4 mm时有最大值。

图10 改变线圈到回形铁芯间隙对磁感应强度的影响

线圈到铁芯内边距s/mm磁感应强度总值B/T指针1 B1/T指针2 B2/T20.161 670.012 0190.040 26130.145 380.120 820.123 9740.339 320.215 080.221 5550.216 610.078 1820.079 78160.157 050.054 5270.056 806

5 磁场强度与磁感应强度分析

根据上述变量的控制分析与优化，结合设计需要获得最优的尺寸参数。对设计的磁极结构的磨粒沉积区域的磁场强度和磁感应强度进行分析。采用ANSYS(APDL)经典模块对部件的磁场工作平面进行二维模拟分析。

图11是磁场强度轮廓图，图12是图11在磨粒沉积区域的局部放大图。可以看出，磁场强度主要集中在尖头铁芯附近，其他地方几乎没有，最大磁场强度为132 684 A/m，并且铁芯尖锐部分出现了最大值。

图11 磁场强度轮廓图(A/M)

图12 磁场强度轮廓局部放大图(A/M)

图13是磁感应强度轮廓图，图14是图13在磨粒沉积区域的局部放大图。最大磁感应强度为0.216 971 T，在铁芯的内边角处。可见，在铁芯的内边角处容易出现磁感应强度最大区域。

图13 磁感应强度轮廓图(T)

图14 磁感应强度轮廓局部放大图

为了更直观地表示沉积区域附近磁场强度的变化情况。以沉积区域中心及2个磁极中心点所在直线的磁场强度变化作为观察对象，如图15所示，可以看出从回形铁芯到磁极端点，磁场强度在不断增强，直到磁极与空气的临界面上到达峰值，随后迅速衰弱，到沉积区域中心后又快速回升，直到另一磁极再次进入铁芯的临界面上又一次达到峰值，如图16所示。从图17中的数据中也可以看出在该直线上磁场强度的变化。如图17所示的3组数据。其中，第一个和第三个点，是在尖头铁芯附近的最大值，第二个点是在2个尖头铁芯中心位置的值，这样就能更准确地理解路径点在各个位置的磁感应强度的大小了。

图15 两磁极中心连线

图16 两磁极中心连线上的磁场强度变化

图17 两磁极中心连线上的磁场强度数据

6 结论

(1)与开环磁极相比，由回形铁芯构成的闭环磁极能提供高出几十倍的磁感应强度。因此在磨粒检测仪的设计中，应在不与镜头发生结构干涉的前提下，采用闭环磁极以获得最佳磨粒沉积效果。

(2)改变磁极的截面形状和截面积的大小，会影响磁极的磁场强度，且并非截面积越大越好。设计合理的小截面铁芯同样可以达到较高的磁感应强度，且可以考虑用薄片装的磁极来取代方形截面的磁极。

(3)励磁线圈的厚度与线圈直径同样会影响励磁效果。分析表明，采用厚度21 mm、直径36 mm的线圈能获得最大的磁感应强度。

(4)尖头磁极可以使磁场集中在一个较小的区域范围内，避免磁场过快衰减从而削弱吸附效果。可以使单位体积内的磨粒尽可能地集中在小区域内，便于图像采集和分析。