便攜式潤滑油中磨粒圖像采集儀的磁極結構參數分析*

(1.武漢理工大學能源與動力工程學院 湖北武漢 430070;2.廣州機械科學研究院有限公司 廣東廣州 510535)

油液監測技術通過對設備在用潤滑油中磨損金屬顆粒的檢測分析，可獲得有關設備摩擦副磨損狀態信息，同時參考設備的運行工況和運動部件材料，可預測設備可能出現的磨損故障隱患，從而有針對性地對設備進行檢查和維修，避免設備重大事故的發生。

潤滑油是保障野外裝備安全可靠運行的重要基礎，然而潤滑磨損導致的“潤滑隱患”成為野外裝備故障的重要根源。當前我國野外裝備使用過程中存在換油依據過“死”、維修保養方式過于傳統、潤滑與磨損狀態監測實時性較差等問題[1]，因此，開發一種便攜式磨粒監測儀，可以在野外現場環境下對裝備潤滑油中的磨粒進行檢測，為野外裝備管理人員提供維修決策依據，對于提升維修效益，降低維修成本[2]，提高野外裝備運行的安全性、可靠性及技戰術性能具有重要的意義。

1 潤滑油中磨粒的檢測原理

對油中顆粒的檢測，既有單純對油中顆粒進行計數的設備，如HIAC、Hydac、Pall、PAMAS等公司的相關產品，也有專門針對油中磨損金屬顆粒進行檢測，以判斷設備磨損量的主設備，如Kittiwake、Eaton、MACOM、GasTOPS、Manor等公司的相關產品。從檢測原理上來看，主要可以分為元素法、遮光法、圖像法、電磁感應法、介電常數法等幾種方法。

元素法主要是基于X射線熒光光譜法[3]，由于其較高的成本和對使用環境的要求較高，目前尚難以用于現場檢測。遮光法[4]主要用于液壓和透平等對清潔度要求較高的系統中對所有固體顆粒的計數，但一般不區分顆粒的形貌，或者區分形貌的可靠度較低。圖像法可以看成是遮光法的升級版，能夠很好地識別顆粒的形貌[5]，根據磨粒的捕獲原理又可以分成流通型與沉積型2種。電磁感應法利用金屬顆粒對磁場的感應和擾動作用來識別顆粒，但很難檢測微米級的顆粒。介電常數法的原理是當油液中的老化產物、金屬磨屑和水污染增加時，油液的介電常數會增大，但實驗研究[6]和實際應用表明，水對介電常數的影響遠大于油液老化和金屬磨屑。因此在潤滑系統有進水的情況下，很難根據油液的介電常數來判斷磨粒含量。

本文作者設計一種基于圖像法原理的磨粒檢測儀，該儀器利用磁鐵將試管中的磨粒吸附到成像系統的焦平面上并使之呈鏈狀排列。這種排列方式有利于對鐵磁性磨粒進行識別和重疊磨粒的分割。

2 檢測儀設計

2.1 整體結構設計

檢測儀的整體結構如圖1所示。在檢測儀的殼體上部有一個試管槽，用于固定裝有被測油樣的試管。檢測儀殼體內部主要包括磁極、成像鏡頭、CCD傳感器和控制器等。其中，磁極的作用是將被測油樣中的鐵磁性磨粒吸附到成像系統的焦平面上并使之呈鏈狀排列。成像鏡頭將磨粒圖像進行光學放大使之可以呈現微米級的顆粒。CCD傳感器負責采集磨粒圖像并傳送到控制器中。控制器負責磨粒的圖像采集、數據處理并傳送到云端。

圖1 便攜式磨粒采集儀結構

2.2 磨粒沉積區域的磁場設計

在采集儀使用過程中，裝有油樣的試管被放入檢測儀中。試管的底部為磨粒的目標沉積區域。需要針對試管油樣中懸浮的鐵磁性磨粒設計一個磁場，一方面使懸浮的磨粒在磁力的作用下盡可能多地沉積到試管底部區域[7]；另一方面使沉積下來的磨粒按照磁力線進行排布，以方便磨粒識別。因此，設計了一個基于線圈驅動的磁場，如圖2所示。2個針狀磁極相對布置，中間的區域為磨粒沉積區，磁極后面通過鐵芯由線圈驅動。

圖2 沉積區的磁力線圖

由圖2可以看出，磁力線主要是沿著鐵芯的方向密集分布，向四周傳播得較少，在尖頭鐵芯處出現了一個向周圍散射的磁場，磁力線由密到疏，磁場呈現對稱分布的趨勢[8-9]。

3 磁極結構對磨粒沉積區域的影響

3.1 開環磁極與閉環磁極

在設計吸附磨粒的磁極時，可以采用2種磁極模式，即開環磁極(如圖3所示)和閉環磁極(圖2所示)。從表1可以看出，從磁感應強度總值看，開環狀態明顯小于閉環狀態；從指針值看，閉環時磁感應強度是開環時的幾十倍。從圖3可看出，開環磁極磁感應強度最大值為0.186 97 T，而且主要分布在線圈周圍，在鐵芯位置幾乎沒有磁感應分布。可知閉環優于開環，因此采用了閉環磁極的設計方案。

圖3 開環磁極磁感應強度

磁極磁感應強度總值B/T指針1 B1/T指針2 B2/T開環狀態0.186 970.007 2470.016 973閉環狀態0.339 320.215 080.221 55

3.2 磁極截面積

磁極的截面是用于導通磁極內部的磁力線的，其面積的大小決定了最大磁場強度。但過大的截面對檢測儀的結構設計是不利的[10]。以12 mm×12 mm為最大值，改變磁極截面積來觀察磁極磁感應強度的變化。如圖4所示，尖頭磁極截面和回形鐵芯截面是同時變化的，其他條件保持不變。

圖4 改變磁極截面積對磁感應強度的影響

改變磁極截面積做了7組對比實驗，結果如表2所示。可以看出，在截面為8 mm×8 mm時，所有磁感應強度數據都是最小的，12 mm×12 mm截面的指針值比10 mm×10 mm截面的略大。另外，當鐵芯截面為4 mm×4 mm和5 mm×5 mm的時候，也具有較強的磁感應強度，可以在以后的分析中對這個尺寸范圍給予綜合分析。綜合觀察，當鐵芯截面尺寸為12 mm×12 mm時有最佳效果。

表2 改變磁極截面積對磁感應強度的影響

3.3 磁極寬度

在不改變磁極厚度的情況下改變磁極截面積，即單純改變磁極寬度，探討磁感應強度的變化。如圖5所示，尖頭磁極寬度和回形鐵芯寬度是同時變化的，其他條件不變。針對不同的磁極寬度做了8組對比實驗，結果如表3所示。從磁感應強度總值分析，當鐵芯寬度為7和2 mm時有較大值，從指針值可看出也是在寬度為7和2 mm時磁感應強度有較大值。說明在設計的時候，可以考慮用薄片裝的磁極來取代方形截面的磁極。

圖5 改變磁極寬度對磁感應強度的影響

寬度w/mm磁感應強度總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T尖頭鐵芯12,回形120.339 320.215 080.221 55尖頭鐵芯10,回形100.155 720.150 490.130 91尖頭鐵芯9,回形90.030 5880.021 5250.010 357尖頭鐵芯8,回形80.132 30.111 730.103 68尖頭鐵芯7,回形70.511 760.301 360.473 43尖頭鐵芯6,回形60.117 050.029 7040.017 734尖頭鐵芯4,回形40.156 490.042 4470.067 014尖頭鐵芯2,回形20.729 390.419 250.319 04

3.4 回形鐵芯寬度

由于磁極中部的磁場強度較弱，因此，考慮在不改變尖頭磁極的情況下，調整回形鐵芯的寬度，如圖6所示，做了8組對比實驗，結果如表4所示。從磁感應強度總值分析，寬度為12 mm時有最大值，從指針值分析，也是在回形鐵芯寬度為12時有最大值。

圖6 改變回形鐵芯寬度對磁感應強度的影響

寬度w/mm磁感應強度總值 B/T指針1 B1/T指針2 B2/T尖頭鐵芯12,回形120.339 320.215 080.221 55尖頭鐵芯12,回形100.174 840.169 70.174 84尖頭鐵芯12,回形90.172 180.165 90.170 54尖頭鐵芯12,回形80.162 180.142 580.132 71尖頭鐵芯12,回形70.105 340.016 0130.005 004 6尖頭鐵芯12,回形60.196 660.125 310.120 6尖頭鐵芯12,回形40.258 210.106 150.113 91尖頭鐵芯12,回形20.247 660.042 9710.043 991

3.5 回形鐵芯厚度

同樣，由于磁極中部的磁場強度較弱，在不改變尖頭磁極的情況下，通過調整回形鐵芯的厚度，如圖7所示，做了9組對比實驗，結果如表5所示。從磁感應強度總值看，當鐵芯厚度為8 mm時有最小值，鐵芯厚度為6和2 mm時有較大值。

圖7 改變回形鐵芯厚度對磁感應強度的影響

鐵芯厚度t/mm磁感應強總值 B/T指針1 B1/T指針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 線圈結構對磨粒沉積區域的影響

4.1 線圈厚度

激勵線圈作為磁極的激勵部件，其尺寸與位置決定了磁極能產生的磁場大小。如圖8所示，其他條件均不變，改變線圈的厚度，做了5組實驗，結果如表6所示。可看出，磁感應強度總值的最大值是在線圈厚度為22和21 mm時，并且指針最大值也是在這2個線圈厚度下出現。

圖8 改變線圈厚度對磁感應強度的影響

線圈厚度δ/mm磁感應強度總值 B/T指針1 B1/T指針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 線圈直徑

改變線圈的直徑，即線圈纏繞的匝數，如圖9所示，其他條件不變，做了5組實驗，結果如表7所示。從磁感應強度總值分析線圈直徑在36 mm出現最大值，從指針值分析，也是在線圈直徑為36 mm出現最大值。

圖9 改變線圈直徑對磁感應強度的影響

線圈直徑d/mm磁感應強度總值 B/T指針1 B1/T指針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 線圈與鐵芯間隙

勵磁線圈纏繞在回形鐵芯的兩側上，在保持線圈與尖頭鐵芯中心的相對位置不變的情況下，改變回形鐵芯的與線圈的間隙量，觀察磁感應強度的變化，結果如表8所示。從磁感應強度總值對比可得出，內邊距為4 mm時有最大值；從指針位置數據可看出，也是內邊距為4 mm時有最大值。

圖10 改變線圈到回形鐵芯間隙對磁感應強度的影響

線圈到鐵芯內邊距s/mm磁感應強度總值B/T指針1 B1/T指針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 磁場強度與磁感應強度分析

根據上述變量的控制分析與優化，結合設計需要獲得最優的尺寸參數。對設計的磁極結構的磨粒沉積區域的磁場強度和磁感應強度進行分析。采用ANSYS(APDL)經典模塊對部件的磁場工作平面進行二維模擬分析。

圖11是磁場強度輪廓圖，圖12是圖11在磨粒沉積區域的局部放大圖。可以看出，磁場強度主要集中在尖頭鐵芯附近，其他地方幾乎沒有，最大磁場強度為132 684 A/m，并且鐵芯尖銳部分出現了最大值。

圖11 磁場強度輪廓圖(A/M)

圖12 磁場強度輪廓局部放大圖(A/M)

圖13是磁感應強度輪廓圖，圖14是圖13在磨粒沉積區域的局部放大圖。最大磁感應強度為0.216 971 T，在鐵芯的內邊角處。可見，在鐵芯的內邊角處容易出現磁感應強度最大區域。

圖13 磁感應強度輪廓圖(T)

圖14 磁感應強度輪廓局部放大圖

為了更直觀地表示沉積區域附近磁場強度的變化情況。以沉積區域中心及2個磁極中心點所在直線的磁場強度變化作為觀察對象，如圖15所示，可以看出從回形鐵芯到磁極端點，磁場強度在不斷增強，直到磁極與空氣的臨界面上到達峰值，隨后迅速衰弱，到沉積區域中心后又快速回升，直到另一磁極再次進入鐵芯的臨界面上又一次達到峰值，如圖16所示。從圖17中的數據中也可以看出在該直線上磁場強度的變化。如圖17所示的3組數據。其中，第一個和第三個點，是在尖頭鐵芯附近的最大值，第二個點是在2個尖頭鐵芯中心位置的值，這樣就能更準確地理解路徑點在各個位置的磁感應強度的大小了。

圖15 兩磁極中心連線

圖16 兩磁極中心連線上的磁場強度變化

圖17 兩磁極中心連線上的磁場強度數據

6 結論

(1)與開環磁極相比，由回形鐵芯構成的閉環磁極能提供高出幾十倍的磁感應強度。因此在磨粒檢測儀的設計中，應在不與鏡頭發生結構干涉的前提下，采用閉環磁極以獲得最佳磨粒沉積效果。

(2)改變磁極的截面形狀和截面積的大小，會影響磁極的磁場強度，且并非截面積越大越好。設計合理的小截面鐵芯同樣可以達到較高的磁感應強度，且可以考慮用薄片裝的磁極來取代方形截面的磁極。

(3)勵磁線圈的厚度與線圈直徑同樣會影響勵磁效果。分析表明，采用厚度21 mm、直徑36 mm的線圈能獲得最大的磁感應強度。

(4)尖頭磁極可以使磁場集中在一個較小的區域范圍內，避免磁場過快衰減從而削弱吸附效果。可以使單位體積內的磨粒盡可能地集中在小區域內，便于圖像采集和分析。