基于有限元技术滑油屑末监测器检测机理研究

2021-05-14王立清

测控技术 2021年4期

黄炎，王立清，马静

(1.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111; 2.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 101111)

航空发动机工作环境恶劣，受高温、高压等因素影响，对航空发动机的状态监测是确保飞机安全运行的重要保证。近些年，许多学者对航空发动机[1]、齿轮箱等大型旋转部件油液监测开展了相关研究[2-7]， Li等[8]利用最大重叠离散小波变换增强传感器监测磨粒的能力，白晨朝等[9]基于微流控检测技术，为液压油污染物快速检测提供了技术支持。

滑油在线屑末监测器具有识别金属颗粒和非金属颗粒的特点，可以实时监测滑油系统零部件磨损状态。滑油在线屑末监测器属于感应式磨粒监测器，主要包括传感器、电缆和信号处理单元。其中，传感器线圈作为核心部件，其结构参数会直接影响滑油在线屑末传感器的性能。在设计滑油在线屑末传感器线圈时，常采用经验法和传统的解析法，这些方法极大降低了设计效率。有限元分析方法具有减少实验过程、缩短研发周期、减少成本等特点，在军工领域发展迅速。

王志娟等[10]采用有限元分析方法来模拟计算传统三螺线管式传感器的半径以及感应线圈长度减小对输出信号的影响。何永勃等[11]通过APDL方法，建立了传感器仿真模型，实现了对油液内的大磨粒监测与识别，为航空发动机的故障诊断研究提供了一定的理论依据和相关数据。聂鹏等[12]基于Maxwell 对三线圈差动传感器建立仿真模型，检测分析滑油中半径为50～300 μm 磨粒通过时的电感特性。任艺军[13]建立了差动式传感器结构的等效数学模型，并基于COMSOL对其进行了有限元分析。

本文首先基于COMSOL 对滑油在线屑末传感器线圈的电磁特性及其主要参数内径、外径进行仿真研究，并通过试验测试分析，验证有限元技术的可靠性，然后联合ANSYS Maxwell建立了滑油传感器的仿真模型，分析滑油在线屑末监测器对不同颗粒种类、大小和位置的响应，为设计传感器提供理论依据。

1 滑油在线屑末传感器工作原理

滑油在线屑末传感器利用电磁感应原理，其包含了2个激励线圈和1个反馈线圈，如图1所示，当传感器通交流电时，由于激励线圈J1和激励线圈J2反向绕制，因此在反馈线圈处的磁场大小相等、方向相反，在理想情况下，反馈线圈感应电动势为零。当非铁磁性金属颗粒或者铁磁性金属颗粒通过时，改变传感器磁场的微平衡，反馈线圈检测到变化的磁场，从而产生感应电动势。

图1 滑油在线屑末监测器工作原理

滑油在线屑末传感器能够检测出不同种类颗粒(即非金属和金属颗粒)，原因在于传感器对颗粒感应的机理不同。当铁磁性颗粒经过滑油传感器时，由于磁化效应使得原有磁场强度增加。当非铁磁颗粒经过传感器时，非金属颗粒内部会产生感应电流，称为涡流。根据楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，涡流产生的磁场方向与原磁场方向相反，减弱了原有磁场。由此可以看出，由于传感器对颗粒感应机理不同，故使得反馈线圈产生相位相反的感应电动势。

2 有限元分析

有限元是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，广泛应用于各个领域[14-15]。采用COMSOL和ANSYS Maxwell 联合仿真建立了滑油屑末传感器，用于分析线圈电磁特性以及传感器对磨粒特性的响应。

2.1 线圈电磁特性仿真模型

2.1.1 几何模型的建立

激励线圈和反馈线圈作为滑油在线屑末传感器系统的重要组成部分，其电磁特性对整个传感器的性能有重要影响，故本节对线圈电磁特性进行深入分析。

在COMSOL软件中建立线圈三维计算模型，如图2所示，球体作为空气域，组成部分参数如下：空气域半径为30 mm，线圈内径为10～14 mm，外径为11～17 mm，线径为0.18 mm。材料选择如下：空气域材料为空气，线圈材料为铜，相对磁导率为1，相对介电常数为1，电导率为5.998×107 S/m。

图2 线圈三维计算模型

选择低频电磁场模块，在线圈类型中选择Numeric，以便设置线圈匝数。COMSOL具有自动生成网格和手动设置网格的功能，采用自由剖分三角形网格，剖分后的网格如图3所示，通过对模型进行求解设置，得到线圈电感值。

图3 滑油传感器线圈网格划分

2.1.2 线圈内径和外径对电感值的影响

内径是线圈结构的重要参数，会对电感值有较大影响，对不同规格的滑油传感器进行设计时，油管的尺寸与内径相互关联，当油管管径较小时，不论是激励线圈还是反馈线圈，会选择内径尺寸小的线圈；当油管管径较大时，则会选择内径尺寸大的线圈。同样，外径受到线圈匝数的影响，当线径和宽度相同时，匝数、层数越多，则外径越大。模拟时选择线圈内径为10～14 mm，外径为11～17 mm，线径为0.18 mm，宽度为2 mm，每层9匝。线圈结构参数和有限元分析结果如表1所示。对比分析线圈1和线圈2的参数可以看出，当内径一定时，随着外径的增加电感值增加，同样对比分析线圈4和线圈5，也可得到相同的规律。

表1 不同结构参数下线圈的电感值

2.1.3 试验验证

为了验证有限元分析的正确性，制作了线圈组件，采用0.18 mm高温漆包线平绕的方式，绕组2从卡槽B处开始，共绕50匝，绕组1和绕组3从卡槽A开始，共绕69匝，绕线用AFR-250 0.035 mm2高温氟塑料线引出，并采用高温浸漆的工艺进行处理，如图4所示。试验采用YD2817B-I LCR数字电桥对线圈绕组电感值进行测试，如图5所示。表2给出了不同参数线圈通过有限元分析和实际测量的电感值，可以看出有限元分析与测量之间的误差在±5 μH之内，说明了有限元分析的准确性，可应用于实际工程中。

图4 滑油屑末监测器线圈组件

图5 线圈电磁特性测试系统

表2 不同参数下线圈的预测电感值和实际电感值单位：μH

2.2 滑油屑末监测系统模型

2.1节基于COMSOL软件对线圈电磁特性进行了分析，得到了其电感值。为了研究传感器输出电压对不同颗粒种类、大小和位置的响应，基于ANSYS Maxwell电磁场仿真分析软件，在瞬态磁场中进行求解。根据滑油在线屑末传感器的工作原理，将其激励源类型设置为绕组外电路激励源。为了了解磨粒传感器内部磁感应强度的分布情况，将线圈结构网格剖分设定为整个内部的剖分。最后进行求解域的设定，从而可以对线圈模型进行仿真分析，如图6所示。在进行有限元仿真分析时，ANSYS Maxwell将电磁场计算转换为许多组矩阵方程的求解，而这些方程组的求解需给定边界条件。在本节的传感器模型中，为了尽量减少求解时间和计算资源，采用气球边界条件(也被称为无穷远边界条件)，以缩小求解域的绘制范围，有效减少计算机CPU和内存的应用。

图6 滑油在线屑末监测器系统模型

同时，采用ANSYS Maxwell Circuit Editor模块设计滑油在线屑末传感器外电路，如图7所示。考虑到该传感器没有磁芯，主要通过空气耦合，漏磁现象较为明显，故在电路中设置了漏感，其中电感L1和电感L3为269.8 μH,L2为145.3 μH，电阻R1和电阻R3为5.7 Ω，电阻R2为4.3 Ω，电压V1设置为23 V，电压V2设置为0 V。

图7 外电路配置图

3 仿真结果与分析

3.1 传感器测试原理有限元分析

根据滑油屑末传感器工作原理，当激励线圈加相反电压时，在感应线圈区域磁感应强度几乎为0，如图8所示，证明了有限元模型的有效性。

3.2 磨粒轴向位置与输出电压的关系

为了研究磨粒轴向位置与输出电压的关系，在滑油屑末传感器轴线上设定21个对称分布的位置。设置磨粒的半径为150 μm，相对磁导率为200，仿真结果如图8所示。

图8 滑油在线屑末监测器磁感应强度分布云图

图9中给出了典型磨粒通过滑油屑末传感器的波形，可以看出当磨粒经过激励线圈时，幅值最大，当磨粒经过反馈线圈时，幅值最小，呈现出类正弦(或余弦)信号。

图9 输出电压与磨粒轴向位置的关系

3.3 磨粒性质与输出电压的关系

滑油在线屑末传感器是通过分析被监测油液携带磨损颗粒的信息，获得装备摩擦系统的润滑和磨损状态，从而在装备的状态监测和维修管理之间建立起一座桥梁。磨粒大小是故障诊断的重要参考指标，加拿大的Gatops指标反映的就是当持续出现大颗粒时表示滚动轴承出现故障。

下面分析滑油在线屑末传感器对不同种类和不同尺寸磨粒的感应信号。选用两种不同结构参数的传感器进行分析：传感器A结构参数为管径20 mm，线圈骨架外径28 mm，反馈线圈匝数50匝，激励线圈69匝，线径0.18 mm；传感器B结构参数为管径12.7 mm，线圈骨架外径20.5 mm，反馈线圈61匝，激励线圈84匝，线径0.18 mm。选用铁磁性颗粒的相对磁导率为200，电导率为0.01 S/m，磨粒直径分别为200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm，选用非铁磁性颗粒铜的相对磁导率为1，电导率为5.8×107S/m，磨粒直径分别为200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm。通过计算得到传感器A磨粒与感应电压的关系曲线(如图10所示)。通过反馈线圈的电压幅值可以看出，不同尺寸的颗粒感应电压不同，随着铁磁性的颗粒尺寸增加，幅值增加，随着非铁磁性颗粒尺寸增加，幅值也增加。

图10 磨粒与感应电压的关系曲线(传感器A)

当铁磁性颗粒通过滑油屑末检测器时，幅值较大，当非铁磁性颗粒通过传感器时，幅值较小，两者相位相反，原因在于检测铁磁性颗粒时，由于磁化效应使得原有磁场强度增加，而检测非铁磁性颗粒时，涡流效应使得原有的磁场削弱。

同样，通过计算得到传感器B磨粒与感应电压的关系曲线如图11所示，同样可以看出，不同尺寸的颗粒感应电压不同，随着铁磁性和非铁磁性颗粒尺寸增加，幅值增加。另外，对比图10和图11可以看出，两种不同传感器对颗粒的响应，结构参数影响传感器对颗粒的响应，传感器管径越小，线圈骨架外径越小，反馈线圈幅值越大，说明传感器对颗粒响应越灵敏。