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磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置及其試驗(yàn)研究

2018-01-16 03:03張海聰劉同岡李林寧邱先明
中國(guó)機(jī)械工程 2018年1期
關(guān)鍵詞:鐵磁性油樣磨粒

張海聰 劉同岡 李林寧 邱先明

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,徐州,221116

0 引言

油液分析技術(shù)是機(jī)械故障診斷的重要方法之一[1],磨粒監(jiān)測(cè)作為一種與磨損直接相關(guān)的油液分析技術(shù),它能及時(shí)有效地捕捉和跟蹤設(shè)備的狀態(tài)信息,把握其運(yùn)行的趨勢(shì),在失效前對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷[2]?;谶@些優(yōu)點(diǎn),各種磨粒監(jiān)測(cè)技術(shù)被先后應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域[3],實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種設(shè)備的監(jiān)測(cè)[4]。

目前,磨粒分析主要有離線式監(jiān)測(cè)和在線式監(jiān)測(cè)兩種方式。離線式磨粒分析主要采用鐵譜技術(shù),其準(zhǔn)確性高、監(jiān)測(cè)成本低,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。顧良云等[5]通過對(duì)ND5型機(jī)車的柴油機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期鐵譜分析,詳細(xì)提出了一套面向ND5型機(jī)車柴油機(jī)的磨粒分析方法和診斷規(guī)則;樊慶和等[6]針對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn),確定了油液的取樣方法,并提出了一種針對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷的方法;劉同岡等[7]使用油酸作為表面活性劑,使添加的磁性顆粒附著在非鐵磁性磨粒上,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)非鐵磁性磨粒的鐵譜監(jiān)測(cè)。鐵譜監(jiān)測(cè)技術(shù)能通過磨粒的形態(tài)、顏色和尺寸等特征推斷設(shè)備的運(yùn)行狀況,監(jiān)測(cè)信息豐富可靠,其缺點(diǎn)是需定期取樣,取樣之間存在監(jiān)測(cè)的盲點(diǎn),數(shù)據(jù)需要專業(yè)人員分析才能得出可靠的結(jié)論。為克服這些缺點(diǎn),許多研究者探索了在線式磨粒監(jiān)測(cè)方法。范紅波等[8]依據(jù)潤(rùn)滑油中磨粒與電感線圈之間的耦合關(guān)系,設(shè)計(jì)了一種對(duì)粒度(指磨粒直徑)大于500 μm的銅磨粒和粒度大于100 μm的鐵磨粒具有較好檢測(cè)能力的在線磨粒測(cè)試系統(tǒng);陳志雄等[9]基于靜電感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了在線磨粒靜電傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬、非金屬等不同材料荷電磨粒的在線監(jiān)測(cè); WU等[10]研究了鐵譜技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)結(jié)合的可能性,并提出了一種針對(duì)重疊磨粒的快速識(shí)別算法;STACHOWIAK等[11]根據(jù)磨粒的表面紋理和形狀特征,實(shí)現(xiàn)了對(duì)疲勞、層狀、球狀三類磨粒的自動(dòng)識(shí)別與分類;YAN等[12]的研究證實(shí)了數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像處理、專家系統(tǒng)、信息融合等技術(shù)能縮短監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析時(shí)間,提高故障診斷的準(zhǔn)確性與可靠性。

在常見的機(jī)械故障診斷中,上述各種在線式磨粒監(jiān)測(cè)方法大多具有較好的精度,能夠提供可靠的信息,但復(fù)雜的實(shí)施方案嚴(yán)重制約了它們?cè)诠I(yè)上的應(yīng)用和推廣,甚至對(duì)于黏稠的油液無能為力。針對(duì)此問題,本文研制了一種磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置,在磨粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上,通過試驗(yàn)研究獲得了裝置的最佳性能參數(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)磨粒的快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

1 磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的在線式磨粒監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示,主要由稀釋裝置、混合容器、恒流泵、油液容器、磨粒磁場(chǎng)收集裝置、微力傳感器等組成。監(jiān)測(cè)裝置工作前,需先檢測(cè)油液的黏度,若油液黏度過高,則需通過實(shí)驗(yàn)確定其合適的稀釋比。監(jiān)測(cè)裝置工作時(shí),油液從入口進(jìn)入混合容器。若前期檢測(cè)的油液黏度過高,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的稀釋比自動(dòng)打開稀釋裝置進(jìn)行稀釋并攪拌均勻,經(jīng)恒流泵抽送以恒定的流量流經(jīng)油液容器,油液中的鐵磁性磨粒在高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下沉積到油液容器底部,其受到的磁場(chǎng)力通過微力傳感器測(cè)出,并根據(jù)所受磁場(chǎng)力的大小換算出油液中所含的磁性磨粒量,測(cè)后油液直接進(jìn)入廢液容器;若監(jiān)測(cè)油液黏度合適,則不需稀釋直接進(jìn)入油液容器,經(jīng)檢測(cè)后可循環(huán)回流設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑狀況的在線監(jiān)測(cè)。

圖1 磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置的組成Fig.1 Composition of wear particle on-line monitoring device

2 磨粒在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖2 磨粒在油液中的受力分析Fig.2 Force analysis of particle in oil

如圖2所示,在磨粒監(jiān)測(cè)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下,油液中的鐵磁性磨粒主要受磁場(chǎng)力Fmy、重力Fg、浮力Ff和黏滯阻力Fs等作用[13]。磨粒監(jiān)測(cè)裝置工作時(shí),油液中磨粒的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,為獲得高效的沉積效率,本節(jié)通過對(duì)磁場(chǎng)中的磨粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,找出影響磨粒沉積的關(guān)鍵因素。

根據(jù)磁場(chǎng)理論,外部磁場(chǎng)作用在被磁化的金屬磨粒上的磁場(chǎng)力F取決于磨粒被磁化后的磁矩和磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度,其大小為

F=M·B

(1)

式中,M為磨粒被磁化后的磁矩,A·m2;B為所在點(diǎn)的磁感應(yīng)梯度,T/m。

在鐵磁質(zhì)磨粒的磁矩未達(dá)到飽和狀態(tài)之前,存在如下關(guān)系:

(2)

式中,χm為微粒單位體積磁化率,Wb∕(A·m);V為微粒體積,m3;μ為相對(duì)磁導(dǎo)率。

由圖1監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)可知,由于磁場(chǎng)收集裝置沿中心徑向?qū)ΨQ,因此磨粒會(huì)沉積在油液容器的中心,故可只考慮磨粒在y方向的運(yùn)動(dòng)。任一鐵磁性磨粒在y方向受到的磁場(chǎng)力的分力為

(3)

式中,Bx、By分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度B在x、y坐標(biāo)方向的分量,T;Mx、My分別為磁矩M在x、y坐標(biāo)方向的分量,A·m2。

故不均勻磁場(chǎng)中任意一個(gè)鐵磁性磨粒受到的磁場(chǎng)力可寫成:

(4)

其中,F(xiàn)my是使磨粒下沉的磁場(chǎng)力,它與磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度有關(guān)。

在外加磁場(chǎng)作用下,油液中的磨粒不僅受向下的磁引力,還受一個(gè)阻止其運(yùn)動(dòng)的黏滯阻力,其可近似為

(5)

式中,η為潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度,N·s/m2;D為磨粒的等效直徑,m;dy為磨粒的下沉速度,m/s。

最后,考慮沉降過程中磨粒之間的碰撞作用,根據(jù)動(dòng)量定理,則任意一個(gè)磨粒i受到其他磨粒j的碰撞力在豎直方向可表示為

(6)

式中,mi、vjy分別為磨粒i的質(zhì)量和y向速度。

在沉積過程中,磨粒i與磨粒j碰撞是有條件的,且不可能時(shí)刻相碰,故式(6)可改寫成

(7)

式中,kij為碰撞條件系數(shù),0

綜上所述,磨粒i在磁場(chǎng)中沉降過程的動(dòng)力學(xué)方程為

(8)

式中,ρ為磨粒密度;ρf為流體密度;g為重力加速度。

將式(8)化為一階微分方程組,使用如表1所示的相關(guān)參數(shù),在MATLAB中運(yùn)用變步長(zhǎng)的Runge-Kutta算法,得到磨粒沉降軌跡的數(shù)值解,如圖3所示。

表1 磨損磨粒的參數(shù)

圖3 磨粒沉降軌跡圖Fig.3 Motion trace of a wear particle

顯然,沉降軌跡的微小突變即為磨粒直接的碰撞作用。從上述分析可知,在沉降初期,磨粒在高梯度磁場(chǎng)作用下,加速向下運(yùn)動(dòng),隨著速度的增加,磨粒受到的黏滯阻力亦增加,磨粒趨于受力平衡,逐漸沉積于油液底部。該結(jié)果表明,磨粒在磁場(chǎng)力、黏滯阻力等的作用下能夠有效地沉積到油液容器底部,并被固定。

3 試驗(yàn)方法

通過運(yùn)動(dòng)學(xué)方程分析和數(shù)值仿真結(jié)果可知,磁場(chǎng)梯度與油液黏度影響磨粒的沉積力,而輸送速度決定了磨粒在油液容器的滯留時(shí)間,這三者是影響磨粒沉積效率的主要因素。為獲得最大的沉積效率,本文采用試驗(yàn)研究來獲得磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置的最佳參數(shù),并驗(yàn)證該裝置的測(cè)試性能能否滿足監(jiān)測(cè)要求。

本試驗(yàn)采用M2000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來生成檢測(cè)油樣,圖4為其原理圖,摩擦副由45鋼加工的環(huán)塊試件組成,潤(rùn)滑油為SAE 10W-40汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油,載荷為235 N,轉(zhuǎn)速為200 r/min。在開啟磨損試驗(yàn)機(jī)180 min后,油液已變色,明顯含有摩擦副產(chǎn)生的磨損顆粒,從試驗(yàn)機(jī)油口抽取油液送到在線監(jiān)測(cè)裝置,每隔2 min記錄一次微力傳感器的磁力值。

圖4 M2000磨損試驗(yàn)機(jī)原理圖Fig.4 The principle diagram of the wear machine

試驗(yàn)主要采用控制變量法,即當(dāng)油樣黏度一定時(shí),測(cè)試不同磁場(chǎng)狀態(tài)下油液中磨粒所受的磁場(chǎng)力,從而確定磁場(chǎng)強(qiáng)度的最優(yōu)值。在最優(yōu)磁場(chǎng)狀態(tài)下,通過測(cè)試不同黏度的油樣在不同轉(zhuǎn)速下磨粒所受的磁場(chǎng)力,獲得最佳的轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上,驗(yàn)證監(jiān)測(cè)裝置的線性、重復(fù)性、定量誤差和靈敏度及磨粒捕捉范圍。

4 試驗(yàn)與分析

為了對(duì)磨粒監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)性能進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了如圖5所示的磨粒在線裝置試驗(yàn)臺(tái)模擬磨粒的在線監(jiān)測(cè)。為了簡(jiǎn)化操作,本試驗(yàn)使用的油液均已經(jīng)適當(dāng)稀釋。將稀釋好的油液放置于容器中,通過恒流泵將油液抽送到油液容器中,利用直流電源給電磁鐵供電使其產(chǎn)生高梯度強(qiáng)磁場(chǎng),沉積油液中鐵磁性磨粒。通過精密電子天平(型號(hào)為上平FA1004,分辨力為100g/0.1mg)替代微力傳感器來快速測(cè)定油液中鐵磁性磨粒的含量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備油液的在線監(jiān)測(cè)。

圖5 磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.5 The photo of monitoring device

4.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)

若磁場(chǎng)強(qiáng)度過小,磨粒受到的磁場(chǎng)力將不能克服黏滯阻力,若磁場(chǎng)強(qiáng)度過大,磨粒沉積過快,過高的運(yùn)動(dòng)速度勢(shì)必會(huì)加大顆粒間的相互碰撞和干擾,這都會(huì)影響磨粒的沉積效率。設(shè)定油液與四氯乙烯的體積比(稀釋比)為1∶2,分別測(cè)試12 min內(nèi),油液在相同轉(zhuǎn)速不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下所受的磁場(chǎng)力。圖6僅給出典型的測(cè)試結(jié)果,其轉(zhuǎn)速為30 r/min。試驗(yàn)結(jié)果表明:在油液黏度一定時(shí),磨粒所受的磁場(chǎng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大先增大后減小,磁場(chǎng)力在磁場(chǎng)強(qiáng)度為42 mT時(shí)達(dá)到最大值,故監(jiān)測(cè)裝置選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度42 mT的磁場(chǎng)。

圖6 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磨粒磁場(chǎng)力的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Results of magnetic force under different magnetic intensity for particles

4.2 油樣黏度和輸送速度試驗(yàn)

在磁場(chǎng)強(qiáng)度為42 mT的條件下,設(shè)定稀釋比分別為1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶7的油液,再分別用轉(zhuǎn)速10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min、50 r/min輸送不同稀釋比的油液12 min,可得到不同黏度稀釋比的油樣在不同流速下磁場(chǎng)力的測(cè)試結(jié)果,如圖7所示。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下磨粒磁場(chǎng)力隨稀釋比的變化情況Fig.7 Results of magnetic force under different velocity and different load speed

從圖7可看出,在油樣稀釋比一定時(shí),油液中磨粒沉積效率隨轉(zhuǎn)速增大先增大后減小,轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)沉積效率最高。當(dāng)油液流速過小時(shí),油液中大磨粒不能被帶到吸附區(qū),殘留在膠管內(nèi)壁,導(dǎo)致沉積效率偏低;當(dāng)油液流速過大時(shí),由于磨粒滯留時(shí)間縮短,部分鐵磁性磨粒來不及沉積就被回油帶走,也會(huì)降低沉積效率。在轉(zhuǎn)速一定時(shí),沉積效率先隨稀釋比例的增加而增加,繼續(xù)稀釋油液測(cè)量值反而減小,在稀釋比為1∶2時(shí),沉積效率最高。

4.3 磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置性能試驗(yàn)

根據(jù)上述的磨粒沉積規(guī)律,選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度42 mT,油液稀釋比1∶2,輸送速度30 r/min作為監(jiān)測(cè)裝置的性能參數(shù),分別開啟監(jiān)測(cè)裝置2 min、4 min、6 min、8 min、10 min重復(fù)5次試驗(yàn),測(cè)試裝置的線性度、相關(guān)性、重現(xiàn)性、靈敏度,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)裝置性能測(cè)試結(jié)果

4.4 磨粒捕捉范圍

利用KTP-Ⅲ型旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀,分別對(duì)監(jiān)測(cè)前后的油樣進(jìn)行制譜和顯微觀察拍照,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可直觀看出,原油樣鐵譜片上有大量20 μm以上的鐵磁性磨粒,最大的尺寸為25~30 μm,而在二次油樣鐵譜片上主要是10 μm以下的鐵磁性磨粒,基本沒有大于10 μm的鐵磁性磨粒,這說明裝置可有效捕捉到大于10 μm的鐵磁性磨粒,而這個(gè)尺寸范圍的磨粒恰好是機(jī)械摩擦副嚴(yán)重磨損失效的前兆[14],因此該監(jiān)測(cè)裝置可預(yù)報(bào)設(shè)備初期故障。

圖8 沉積前后油樣鐵譜圖Fig.8 Pictures of oil sample deposition

為更精確地描述裝置的沉積效率,利用閾值分界的原理,用IPP軟件分別對(duì)兩張譜片中的磨損顆粒的長(zhǎng)度、面積進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。

表3 原油樣圖譜磨粒的計(jì)算結(jié)果

表4 二次油樣圖譜磨粒的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Computation results of particles in the picture of deposited oil

從IPP計(jì)算結(jié)果可知,原油樣譜圖中磨損顆粒面積小于10pixel2(即0.02 μm2)的數(shù)量為31,磨損顆粒面積在10~135 215pixel2(即279.37 μm2)之間的數(shù)量是27,且磨損顆粒長(zhǎng)度小于3.47pixel(即0.16 μm)的數(shù)量是54,磨損顆粒長(zhǎng)度在3.47~887pixel(即40.32 μm)的數(shù)量是53;而二次油樣譜圖中磨損顆粒面積小于10pixel2的數(shù)量為3,磨損顆粒面積在10~20 560pixel2(即42.48 μm2)的數(shù)量是29,且磨損顆粒長(zhǎng)度小于3pixel(即0.14 μm)的數(shù)量是26,磨損顆粒長(zhǎng)度在3~297pixel(13.5 μm)之間的數(shù)量是2。以上數(shù)據(jù)說明,無論從磨損顆粒的長(zhǎng)度、磨損顆粒的面積或是顆粒數(shù)目來看,二次油樣所含的磨損顆粒都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原油樣,這進(jìn)一步證明了該裝置可有效沉積大尺寸磨損顆粒。

5 結(jié)論

(1)利用Runge-Kutta算法求得的磨粒沉積軌跡表明所研制的磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置產(chǎn)生的高梯度磁場(chǎng)可以使磨粒有效沉積于油液容器底部。

(2)所研制的磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置能夠有效捕捉油液中粒度大于10μm的鐵磁性磨粒,其線性相關(guān)性大于99%,重現(xiàn)性誤差僅為1.23%,靈敏度可在一定范圍內(nèi)調(diào)定,表明所研制的試驗(yàn)裝置可靠性強(qiáng),能準(zhǔn)確反映機(jī)械設(shè)備磨損情況。

(3)所研制的磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置操作簡(jiǎn)單,在油液黏度適合檢測(cè)不需稀釋的情況下,檢測(cè)后的油樣可直接回流設(shè)備循環(huán)利用。

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