基于巨磁电阻传感器的油液铁磁性磨粒检测研究

针对油料原子发射光谱仪对大于10μm的磨粒检测效率不高,不能有效反映油液磨粒浓度的问题。通过检测经特定磁场磁化和聚集后油样中铁磁性磨粒剩余磁场的大小,来反映油样中铁磁性磨粒浓度大小的方法,利用巨磁电阻磁场传感器,设计一种油液铁磁性磨粒检测装置。该检测装置对同一油样的检测具有较好的重复性;对浓度和尺寸分布均不同的铁磁性磨粒油样,其检测结果并没有因尺寸分布的不同而出现明显的差别。该油液磨粒检测装置可以克服原子发射光谱仪对铁磁性大磨粒检测效率不高,不能有效反映油样铁磁性磨粒浓度的缺点。     

一种液压油磨粒检测新方法研究

液压油中的磨粒含有大量有关液压零部件磨损的重要信息,对磨粒的检测可有效预防液压系统的故障。针对电感式磨粒传感器对非铁磁性金属磨粒的检测能力较弱的缺点,本文提出了一种集成式磨粒检测装置,包括一个电容式传感器和一个电感式传感器。电容式传感器可对液压油中的气泡和金属颗粒实现区分检测,电感传感器可对液压油中的铁磁性和非铁磁性磨粒进行区分检测。通过结合比较电感和电容两个传感单元的检测结果,可实现对液压油中的气泡,铁磁性和非铁磁性金属颗粒的高精度检测。所设计的传感装置能够检测并区分80μm气泡,30μm铁颗粒和45μm铜颗粒。电容式传感器和电感式传感器的集成有效地弥补了两种检测方法各自的不足,这种多种传感器融合的方式对提高磨粒检测装置的检测精度具有重要的意义。     

一种基于微流体制备的电阻-电感式磨粒传感器

为了实现油液金属磨粒的高精度测量,基于微流体制备了一种可检测电阻-电感参数的磨粒传感器。通过仿真获得了金属颗粒在时谐磁场中的磁化和涡流效应特征,并通过实验研究了电阻-电感检测的电压特性和频率特性。高频激励可以增强金属颗粒内部的涡流效应,而激励电压对传感器检测结果的影响不大。研究表明电感参数对铁磁性金属的检测能力强,电阻参数对非铁磁性金属的检测能力强。采用2.0 V、2.0 MHz的激励,通过比较分析电阻和电感检测结果,该传感器可有效识别直径60μm的铜颗粒和直径16μm的铁颗粒。这种基于线圈电阻参数检测非铁磁性金属磨粒的方法为增强磨粒传感器的综合测量性能提供了新思路。     

三线圈电感式磨粒传感器的检测电路

润滑油中磨粒反映了机械运行状态的大量信息,所以对磨粒进行检测具有很重要的工程应用价值。依据润滑油中磨粒与电感线圈之间耦合关系,设计了一种三线圈电感式磨粒在线监测传感器。根据传感器测量原理,该检测电路设计主要包括调幅调相驱动电路、前置放大电路、精密整流电路和后级滤波放大电路。实验结果表明:该检测电路结合后续NI信号采集模块与LabVIEW数据处理,对铁磁磨粒的分辨率达到100μm.     

基于GMR磁传感器的油液铁磁性磨粒在线监测实验研究

为实现对油液中铁磁性磨粒的在线监测,设计搭建一套在线监测装置;基于GMR磁传感器芯片可有效检测微弱磁场的特点,利用GMR磁传感器监测单个铁磨粒被磁化后的剩余磁场;采取"模拟在线"的形式,从GMR磁传感器输出的磁场信号中获取磨粒信息。通过优化装置和试验参数,研究温度、磨粒运动速度对测试系统输出结果的影响,探讨传感器的磨粒检出能力及检出结果的一致性。试验结果显示:在95℃以内的温度和5 cm/s以内的磨粒运动速度条件下,传感器的输出值基本不受影响;运动速度一定时,装置对不同粒度的磨粒输出一致性良好。试验初步表明了GMR磁传感器可用于油液铁磁性磨粒的在线监测,可有效检测出尺寸在75μm以上的铁磨粒。     

润滑油金属颗粒传感器设计及试验研究

根据电磁感应原理提出一种润滑油金属磨粒传感器模型,并对金属磨粒传感器的基本结构和检测电路进行设计。在传感器测试试验台上对传感器检测抗磁性磨粒和铁磁性磨粒的能力进行测试,研究电压、温度对传感器的影响。测试结果显示：传感器可以准确判别润滑油内的铁磨粒和铜磨粒,其中铁磨粒和铜磨粒的最小检测直径分别为200 μm和500 μm;在3～5 V电压下该传感器的输出特性稳定;在20～60 ℃温度范围,温度对传感器的影响可忽略,传感器测量精度满足要求。     

集群磁流变效应抛光垫的磨粒“容没”效应机理研究

针对集群磁流变抛光加工方法,研究了集群磁流变效应抛光垫对磨粒的"容没"机理。通过建立磨粒"容没"模型,并在磁流变抛光工作液中掺杂大尺寸磨粒对K9光学玻璃与硅片进行抛光加工实验,发现在粒径为0.6μm的磨粒中掺杂粒径为1.8μm的金刚石粉进行抛光后的表面质量优于粒径为1.1μm的磨粒加工的表面质量,且发现随着掺杂磨粒尺寸的增大,加工表面的Ra、Rv值虽有增大,但增长幅度远小于同等状况下游离磨粒加工的增长幅度。研究结果表明:集群磁流变效应抛光垫的磨粒"容没"效应能够使粒径不同的磨粒均匀作用于工件表面,显著减小甚至消除大尺寸磨粒对加工表面造成的损伤。     

车床主轴箱磨损微粒形态特征研究

利用自行构建的磨粒分析系统考察了车床主轴箱中磨损颗粒的形态特征。结果表明:磨粒大小分布范围基本在0.5~100μm之间,其中88%的磨粒位于20~80μm范围内,磨粒尺寸与积聚数量间基本呈现以50μm为中心的正态分布;磨粒可分为板块状磨粒、椭球状磨粒、层状磨粒、疲劳剥块及片状磨粒等5种类型;不同类型磨粒需多种表征参数共同使用才能有效区分。     

电感式油液磨粒传感器系统设计

油液中的磨粒可反映发动机等设备的磨损状况,为实现油液金属磨粒的在线监测,基于电磁感应原理建立了三线圈传感器的数学模型,通过仿真分析传感器最佳结构参数(内径、间隙、宽度等),利用相干解调模型提取磨粒信号,并分析磨粒信号产生原理.系统采用多层屏蔽结构,可有效减少外部的磁场干扰,设计的传感器检测系统接入风机齿轮箱油路进行相关试验.试验结果表明,本系统可对磨粒信号进行有效提取,且磨粒信号同时受磨粒速度及磨粒尺寸的影响,可在流量为1～18 L/min的工况下实现187 μm铁磁性金属磨粒和578 μm非铁磁性金属磨粒的检测,后续可结合BP神经网络对油液金属磨粒各特征参数进行自适应判别,对今后油液磨粒在线监测设备的开发提供了理论支撑及技术支持,为机械设备故障诊断提供重要依据.     

磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴的冲蚀磨损分析

为了研究固液两相磨粒流对伺服阀阀芯喷嘴的研抛性能,从冲蚀磨损的角度对比分析了不同磨粒硬度下的磨粒流研抛效果。利用计算流体力学方法,求解分析了磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴时流场中的冲蚀磨损特性,采用电子显微镜以及扫描电镜仪检测伺服阀阀芯喷嘴零件经磨粒流研抛前后的表面粗糙度和表面形貌。实验结果表明:采用碳化硅磨粒和白刚玉磨粒加工后的伺服阀阀芯喷嘴主干通道、交叉孔以及小孔区域的粗糙度分别由1.1μm、0.823μm、0.743μm降低为0.735μm、0.721μm、0.571μm和1μm、0.747μm、0.696μm。在本试验中碳化硅磨粒的加工效果优于白刚玉磨粒,即具有高磨粒硬度的磨粒研抛效果好。检测结果显示,磨粒流研抛技术可有效改善伺服阀阀芯喷嘴的表面质量;提高磨粒硬度可提高磨粒流的研抛效果;伺服阀阀芯喷嘴的交叉孔以及小孔区域的表面质量要高于主干通道的表面质量。     

润滑油金属磨粒传感器设计及试验研究

根据电磁感应原理提出一种润滑油金属磨粒传感器模型,并对金属磨粒传感器的基本结构和检测电路进行设计。在传感器测试试验台上对传感器检测抗磁性磨粒和铁磁性磨粒的能力进行测试,研究电压、温度对传感器的影响。测试结果显示:传感器可以准确判别润滑油内的铁磨粒和铜磨粒,其中铁磨粒和铜磨粒的最小检测直径分别为200μm和500μm;在3~5 V电压下该传感器的输出特性稳定;在20~60℃温度范围,温度对传感器的影响可忽略,传感器测量精度满足要求。     

DOI:10.3969/j.issn.0254-0150.2012.10.017

磨粒检测已经成为机械设备状态监测和故障诊断的重要手段之一.对某型电磁感应原理的铁量仪的检测性能进行分析,并与原子发射光谱仪进行对比.结果表明:该铁量仪对同一油样的检测具有较好的重复性,可以较好地反映油样实际浓度,能克服油料原子发射光谱仪对大磨粒检测效率不高的缺点.对不同尺寸和浓度分布的铁磁性磨粒油样的检测表明,该铁量仪的测量结果受磨粒尺寸的影响.     

高精度双线圈式磨粒传感器的设计及研究

提出了一种可检测电感和电阻参数的高精度双线圈式磨粒传感器,其可对液压油污染物的检测提供技术支持.激励硅钢片和内置硅钢片通过磁化作用以及对磁场的聚集作用在检测区域中生成了高强度磁场,从而提升了传感器的检测精度.正方形检测通道的设计充分利用了两电感线圈之间的区域,提高了传感器的检测通量.试验表明,内置硅钢片不会改变磨粒传感器的信号噪声,有助于获取更优的信噪比.并且激励硅钢片和内置硅钢片对置区域的磁场强度最强,金属颗粒通过该区域时就会产生电感和电阻变化的脉冲峰值.在搭建的测量系统对油液中的金属磨粒进行检测试验,结果表明电感参数能够检测到25 μm铁颗粒和100 μm铜颗粒,电阻参数方式可检测35 μm铁颗粒和85 μm铜颗粒.通过结合电感参数检测结果和电阻参数检测结果,磨粒传感器可实现对25 μm铁颗粒和85 μm铜颗粒的区分检测.     

黄铜全流量在线磨粒静电监测实验研究

为深入了解静电监测方法对黄铜的监测能力,采用自制的全流量在线磨粒静电传感器开展黄铜的静电监测方法研究。研究了润滑条件下轴承钢-黄铜滑动摩擦荷电磨粒的产生机理并设计了磨粒静电监测系统,开展了三种尺寸的轴承钢球和黄铜球的单颗粒注入实验、双颗粒注入实验以及相同载荷、不同滑动速度的轴承钢-黄铜滑动摩擦磨损实验,对摩擦因数、静电感应信号、静电信号均方根值进行相关性分析。研究结果表明:全流量在线磨粒静电传感器具有较好的检测一致性;静电监测方法对黄铜的监测能力强于对轴承钢的监测能力;摩擦因数与静电监测信号具有相关性,在磨损阶段,静电感应信号出现脉冲尖峰与持续上升。     

基于梳状式电容传感器的滑油磨粒检测方法

航空发动机旋转部件的磨损是影响其寿命的重要因素,而滑油内磨粒的参数能直接反映部件的磨损状态,磨粒监测已是发动机智能诊断的关键技术。提出一种梳状式电容传感器,采用内置多平行板电极结构,分析磨粒检测机理,通过数值模拟分析结构优化方向,确定最佳参数。搭建实验平台进行试验,结果表明,当铁磨粒直径从0.3 mm增至0.9 mm时,电容差值从3 Ff增至17 Ff;当磨粒个数从1增至4时,差值与数量近似成正线性关系,最大增幅在200%～350%左右;电源频率从10 kHz增至100 kHz时,差值降幅在36%～67%。研究表明梳状电容传感器内部电场均匀度较好,利于提高结果一致性与磨粒检出率,可在10 mm管路中检测200μm以上的磨粒,具有较好的区分度,可为航空发动机滑油磨粒监测研究提供技术支持。     

三相磨粒流抛光及其气泡溃灭分布特性

针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题,本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群,利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法,建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型,数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性,得到了工件表面气泡溃灭的分布规律,并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明,通入微尺度气泡群后,平均速度从12.50~13.50m/s提升至15.00~17.00m/s,最高平均速度可达20.00m/s以上。对比加工实验显示,经8h加工后,粗糙度从0.50μm降低到0.05μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。     

电涡流磨粒传感器磁场仿真研究

针对电感式磨粒传感器易受磨粒连续性影响和无法识别磨粒材质的问题,通过增大电感式磨粒传感器中磨粒的涡流作用,提出一种电涡流磨粒传感器。结合有限元软件ANSYS Maxwell建立电涡流磨粒传感器的仿真模型,并对不同材质和尺寸的磨粒进行仿真分析,验证电涡流原理在磨粒监测中的可行性。对不同激励频率及线圈内径的电涡流磨粒传感器进行仿真分析。仿真结果表明:电涡流作用可以识别磨粒尺寸,磨粒产生的涡流作用与磨粒尺寸成三次方关系;电涡流作用可以识别磨粒材质,不同材质的磨粒在相同的磁场环境中产生的涡流作用不同;线圈的激励频率越高,磨粒的涡流作用越大;线圈的内径越大,磨粒的涡流作用越小。     

油液磨粒感应电压特征辨识研究

准确监测滑油液中磨损微粒的大小和分布信息是评估机械设备服役状态和预测剩余生命的重要手段。然而在实际应用中,感应式磨粒检测传感器输出信号常常伴随着各种噪声和干扰,导致微弱的磨粒信号特征难以准确辨识。为此,本文提出了一种自适应感应电压特征辨识方法。首先对检测信号进行多尺度滤波,利用多组不同截止频率滤波结果之间的稳定性进行目标信号的定位和分割。然后,根据信号的数学模型提取数值特征并进行感应电压辨识,从而实现磨损微粒的精确计数和特征分析。实验结果表明,新方法能较为完整地保留磨粒信号的形态特征,并成功提取出直径70μm磨损颗粒所产生的感应电压信号,对传感器检测精度的提高以及磨损状态准确评估提供了基础。     

一种基于神经网络的磨粒混叠误差修正方法

电感式磨粒检测方法采用电磁感应原理,能够实时地检测机械设备所产生的金属磨粒,是目前具有潜力的在线磨损监测方法;然而,多个磨粒同时通过传感器引起的信号混叠是造成检测误差的一个重要原因。提出一种基于神经网络的混叠误差修正方法,通过采用单个磨粒的实际信号构造混叠样本,对神经网络进行训练,从而获得磨粒信号的混叠模型,并且能够解决传感器差异所造成的方法适应性问题。最后,采用正弦波模拟磨粒信号验证了方法的有效性。     

静电层层自组装复合磨粒及抛光液的抛光性能研究

利用静电层层自组装原理,通过PDADMAC在聚合物粒子表面改性和吸附不同层数的SiO2磨粒,制备n-SiO2/BGF复合磨粒及其抛光液。分析了交替吸附PDADMAC和SiO2磨粒的BGF微球表面Zeta电位的变化,利用TEM表征了不同层数的n-SiO2/BGF复合磨粒SiO2磨粒的吸附情况。分析了聚合物表面磨粒的吸附层数、游离磨粒浓度、聚合物粒径对复合磨粒抛光液抛光的影响。抛光实验表明:3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液的材料去除率最高,为368.8nm/min;复合磨粒抛光液中的聚合物粒子为1～2μm、游离磨料SiO2的质量分数为5%时,材料去除率取得较大值。经3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液抛光后的硅表面,在10μm×10μm范围内,表面粗糙度从0.3μm降至0.9nm,峰谷值小于10nm,表明复合磨粒抛光液对硅片具有良好的抛光效果。