黃 炎， 王立清， 馬 靜

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術研究所，北京 101111; 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111)

航空發(fā)動機工作環(huán)境惡劣，受高溫、高壓等因素影響，對航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測是確保飛機安全運行的重要保證。近些年，許多學者對航空發(fā)動機[1]、齒輪箱等大型旋轉部件油液監(jiān)測開展了相關研究[2-7]， Li等[8]利用最大重疊離散小波變換增強傳感器監(jiān)測磨粒的能力，白晨朝等[9]基于微流控檢測技術，為液壓油污染物快速檢測提供了技術支持。

滑油在線屑末監(jiān)測器具有識別金屬顆粒和非金屬顆粒的特點，可以實時監(jiān)測滑油系統(tǒng)零部件磨損狀態(tài)?；驮诰€屑末監(jiān)測器屬于感應式磨粒監(jiān)測器，主要包括傳感器、電纜和信號處理單元。其中，傳感器線圈作為核心部件，其結構參數(shù)會直接影響滑油在線屑末傳感器的性能。在設計滑油在線屑末傳感器線圈時，常采用經驗法和傳統(tǒng)的解析法，這些方法極大降低了設計效率。有限元分析方法具有減少實驗過程、縮短研發(fā)周期、減少成本等特點，在軍工領域發(fā)展迅速。

王志娟等[10]采用有限元分析方法來模擬計算傳統(tǒng)三螺線管式傳感器的半徑以及感應線圈長度減小對輸出信號的影響。何永勃等[11]通過APDL方法，建立了傳感器仿真模型，實現(xiàn)了對油液內的大磨粒監(jiān)測與識別，為航空發(fā)動機的故障診斷研究提供了一定的理論依據(jù)和相關數(shù)據(jù)。聶鵬等[12]基于Maxwell 對三線圈差動傳感器建立仿真模型，檢測分析滑油中半徑為50～300 μm 磨粒通過時的電感特性。任藝軍[13]建立了差動式傳感器結構的等效數(shù)學模型，并基于COMSOL對其進行了有限元分析。

本文首先基于COMSOL 對滑油在線屑末傳感器線圈的電磁特性及其主要參數(shù)內徑、外徑進行仿真研究，并通過試驗測試分析，驗證有限元技術的可靠性，然后聯(lián)合ANSYS Maxwell建立了滑油傳感器的仿真模型，分析滑油在線屑末監(jiān)測器對不同顆粒種類、大小和位置的響應，為設計傳感器提供理論依據(jù)。

1 滑油在線屑末傳感器工作原理

滑油在線屑末傳感器利用電磁感應原理，其包含了2個激勵線圈和1個反饋線圈，如圖1所示，當傳感器通交流電時，由于激勵線圈J1和激勵線圈J2反向繞制，因此在反饋線圈處的磁場大小相等、方向相反，在理想情況下，反饋線圈感應電動勢為零。當非鐵磁性金屬顆?；蛘哞F磁性金屬顆粒通過時，改變傳感器磁場的微平衡，反饋線圈檢測到變化的磁場，從而產生感應電動勢。

圖1 滑油在線屑末監(jiān)測器工作原理

滑油在線屑末傳感器能夠檢測出不同種類顆粒(即非金屬和金屬顆粒)，原因在于傳感器對顆粒感應的機理不同。當鐵磁性顆粒經過滑油傳感器時，由于磁化效應使得原有磁場強度增加。當非鐵磁顆粒經過傳感器時，非金屬顆粒內部會產生感應電流，稱為渦流。根據(jù)楞次定律，感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，渦流產生的磁場方向與原磁場方向相反，減弱了原有磁場。由此可以看出，由于傳感器對顆粒感應機理不同，故使得反饋線圈產生相位相反的感應電動勢。

2 有限元分析

有限元是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術，廣泛應用于各個領域[14-15]。采用COMSOL和ANSYS Maxwell 聯(lián)合仿真建立了滑油屑末傳感器，用于分析線圈電磁特性以及傳感器對磨粒特性的響應。

2.1 線圈電磁特性仿真模型

2.1.1 幾何模型的建立

激勵線圈和反饋線圈作為滑油在線屑末傳感器系統(tǒng)的重要組成部分，其電磁特性對整個傳感器的性能有重要影響，故本節(jié)對線圈電磁特性進行深入分析。

在COMSOL軟件中建立線圈三維計算模型，如圖2所示，球體作為空氣域，組成部分參數(shù)如下：空氣域半徑為30 mm，線圈內徑為10～14 mm，外徑為11～17 mm，線徑為0.18 mm。材料選擇如下：空氣域材料為空氣，線圈材料為銅，相對磁導率為1，相對介電常數(shù)為1，電導率為5.998×107 S/m。

圖2 線圈三維計算模型

選擇低頻電磁場模塊，在線圈類型中選擇Numeric，以便設置線圈匝數(shù)。COMSOL具有自動生成網格和手動設置網格的功能，采用自由剖分三角形網格，剖分后的網格如圖3所示，通過對模型進行求解設置，得到線圈電感值。

圖3 滑油傳感器線圈網格劃分

2.1.2 線圈內徑和外徑對電感值的影響

內徑是線圈結構的重要參數(shù)，會對電感值有較大影響，對不同規(guī)格的滑油傳感器進行設計時，油管的尺寸與內徑相互關聯(lián)，當油管管徑較小時，不論是激勵線圈還是反饋線圈，會選擇內徑尺寸小的線圈；當油管管徑較大時，則會選擇內徑尺寸大的線圈。同樣，外徑受到線圈匝數(shù)的影響，當線徑和寬度相同時，匝數(shù)、層數(shù)越多，則外徑越大。模擬時選擇線圈內徑為10～14 mm，外徑為11～17 mm，線徑為0.18 mm，寬度為2 mm，每層9匝。線圈結構參數(shù)和有限元分析結果如表1所示。對比分析線圈1和線圈2的參數(shù)可以看出，當內徑一定時，隨著外徑的增加電感值增加，同樣對比分析線圈4和線圈5，也可得到相同的規(guī)律。

表1 不同結構參數(shù)下線圈的電感值

2.1.3 試驗驗證

為了驗證有限元分析的正確性，制作了線圈組件，采用0.18 mm高溫漆包線平繞的方式，繞組2從卡槽B處開始，共繞50匝，繞組1和繞組3從卡槽A開始，共繞69匝，繞線用AFR-250 0.035 mm2高溫氟塑料線引出，并采用高溫浸漆的工藝進行處理，如圖4所示。試驗采用YD2817B-I LCR數(shù)字電橋對線圈繞組電感值進行測試，如圖5所示。表2給出了不同參數(shù)線圈通過有限元分析和實際測量的電感值，可以看出有限元分析與測量之間的誤差在±5 μH之內，說明了有限元分析的準確性，可應用于實際工程中。

圖4 滑油屑末監(jiān)測器線圈組件

圖5 線圈電磁特性測試系統(tǒng)

表2 不同參數(shù)下線圈的預測電感值和實際電感值 單位：μH

2.2 滑油屑末監(jiān)測系統(tǒng)模型

2.1節(jié)基于COMSOL軟件對線圈電磁特性進行了分析，得到了其電感值。為了研究傳感器輸出電壓對不同顆粒種類、大小和位置的響應，基于ANSYS Maxwell電磁場仿真分析軟件，在瞬態(tài)磁場中進行求解。根據(jù)滑油在線屑末傳感器的工作原理，將其激勵源類型設置為繞組外電路激勵源。為了了解磨粒傳感器內部磁感應強度的分布情況，將線圈結構網格剖分設定為整個內部的剖分。最后進行求解域的設定，從而可以對線圈模型進行仿真分析，如圖6所示。在進行有限元仿真分析時，ANSYS Maxwell將電磁場計算轉換為許多組矩陣方程的求解，而這些方程組的求解需給定邊界條件。在本節(jié)的傳感器模型中，為了盡量減少求解時間和計算資源，采用氣球邊界條件(也被稱為無窮遠邊界條件)，以縮小求解域的繪制范圍，有效減少計算機CPU和內存的應用。

圖6 滑油在線屑末監(jiān)測器系統(tǒng)模型

同時，采用ANSYS Maxwell Circuit Editor模塊設計滑油在線屑末傳感器外電路，如圖7所示。考慮到該傳感器沒有磁芯，主要通過空氣耦合，漏磁現(xiàn)象較為明顯，故在電路中設置了漏感，其中電感L1和電感L3為269.8 μH,L2為145.3 μH，電阻R1和電阻R3為5.7 Ω，電阻R2為4.3 Ω，電壓V1設置為23 V，電壓V2設置為0 V。

圖7 外電路配置圖

3 仿真結果與分析

3.1 傳感器測試原理有限元分析

根據(jù)滑油屑末傳感器工作原理，當激勵線圈加相反電壓時，在感應線圈區(qū)域磁感應強度幾乎為0，如圖8所示，證明了有限元模型的有效性。

3.2 磨粒軸向位置與輸出電壓的關系

為了研究磨粒軸向位置與輸出電壓的關系，在滑油屑末傳感器軸線上設定21個對稱分布的位置。設置磨粒的半徑為150 μm，相對磁導率為200，仿真結果如圖8所示。

圖8 滑油在線屑末監(jiān)測器磁感應強度分布云圖

圖9中給出了典型磨粒通過滑油屑末傳感器的波形，可以看出當磨粒經過激勵線圈時，幅值最大，當磨粒經過反饋線圈時，幅值最小，呈現(xiàn)出類正弦(或余弦)信號。

圖9 輸出電壓與磨粒軸向位置的關系

3.3 磨粒性質與輸出電壓的關系

滑油在線屑末傳感器是通過分析被監(jiān)測油液攜帶磨損顆粒的信息，獲得裝備摩擦系統(tǒng)的潤滑和磨損狀態(tài)，從而在裝備的狀態(tài)監(jiān)測和維修管理之間建立起一座橋梁。磨粒大小是故障診斷的重要參考指標，加拿大的Gatops指標反映的就是當持續(xù)出現(xiàn)大顆粒時表示滾動軸承出現(xiàn)故障。

下面分析滑油在線屑末傳感器對不同種類和不同尺寸磨粒的感應信號。選用兩種不同結構參數(shù)的傳感器進行分析：傳感器A結構參數(shù)為管徑20 mm，線圈骨架外徑28 mm，反饋線圈匝數(shù)50匝，激勵線圈69匝，線徑0.18 mm；傳感器B結構參數(shù)為管徑12.7 mm，線圈骨架外徑20.5 mm，反饋線圈61匝，激勵線圈84匝，線徑0.18 mm。選用鐵磁性顆粒的相對磁導率為200，電導率為0.01 S/m，磨粒直徑分別為200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm，選用非鐵磁性顆粒銅的相對磁導率為1，電導率為5.8×107S/m，磨粒直徑分別為200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm。通過計算得到傳感器A磨粒與感應電壓的關系曲線(如圖10所示)。通過反饋線圈的電壓幅值可以看出，不同尺寸的顆粒感應電壓不同，隨著鐵磁性的顆粒尺寸增加，幅值增加，隨著非鐵磁性顆粒尺寸增加，幅值也增加。

圖10 磨粒與感應電壓的關系曲線(傳感器A)

當鐵磁性顆粒通過滑油屑末檢測器時，幅值較大，當非鐵磁性顆粒通過傳感器時，幅值較小，兩者相位相反，原因在于檢測鐵磁性顆粒時，由于磁化效應使得原有磁場強度增加，而檢測非鐵磁性顆粒時，渦流效應使得原有的磁場削弱。

同樣，通過計算得到傳感器B磨粒與感應電壓的關系曲線如圖11所示，同樣可以看出，不同尺寸的顆粒感應電壓不同，隨著鐵磁性和非鐵磁性顆粒尺寸增加，幅值增加。另外，對比圖10和圖11可以看出，兩種不同傳感器對顆粒的響應，結構參數(shù)影響傳感器對顆粒的響應，傳感器管徑越小，線圈骨架外徑越小，反饋線圈幅值越大，說明傳感器對顆粒響應越靈敏。

圖11 磨粒與感應電壓的關系曲線(傳感器B)

4 結論

① 通過COMSOL建立了滑油屑末傳感器線圈的有限元模型，可以看出線圈內徑和外徑對傳感器的電感值影響較大，并制作了線圈組件搭建了測試平臺，通過試驗驗證了有限元計算的準確度。

② 聯(lián)合ANSYS Maxwell建立了滑油屑末傳感器有限元仿真模型，得到了磨粒通過傳感器時波形圖，當磨粒經過激勵線圈時，幅值最大，當磨粒經過反饋線圈時，幅值最小，呈現(xiàn)出類正弦信號。

③ 分析了滑油在線屑末傳感器對不同顆粒種類、大小的響應，隨著鐵磁性和非鐵磁性顆粒尺寸的增加，幅值增加，傳感器對鐵磁性顆粒響應較為敏感。