蘇欣平，劉 寅，趙慧敏

(1.軍事交通學院軍事物流系，天津300161;2.軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161;3.軍事交通學院軍用車輛系，天津300161)

磨損是機械零部件失效的主要因素之一，機器零件失效形式中，磨損失效占70%以上?，F代社會人們?yōu)榱巳〉酶蟮慕洕б妫洺Ｊ箼C器設備處于連續(xù)運轉狀態(tài)，增大了機器內部零件的疲勞磨損，增加了故障發(fā)生概率?，F在大部分維修依據的是裝備的運行時間，即“定期維修”。但客觀來看，定期維修缺乏科學性。首先，在定期維修之前，一些故障可能已經發(fā)生;其次，定期維修時，對狀態(tài)良好的復雜機構，反復拆裝會造成損傷，且易產生“過度維修”，造成損失。綜上所述，要提高機械設備的使用可靠性，應該采用在線監(jiān)測方式，實時對裝備磨損情況作出評估，在適當時期進行修理。

經過大量實踐人們發(fā)現，磨粒隱含著機械設備運行狀態(tài)的大量信息，能反映設備的磨損現狀與趨勢，同時也是診斷設備故障、進行預測維修、對設備進行改進設計的重要依據。一般在機械設備出現嚴重故障前，因為運轉不順暢等原因，摩擦副間會加大磨損，鐵磁性磨損顆粒會增多增大，所以如果檢測到鐵磁性顆粒質量異常增加趨勢時，就應立即停機檢修以避免重大機械故障的發(fā)生。

1941年美國Denver＆Rio Grand西部鐵路公司實驗室使用光譜法對內燃機車用潤滑油進行分析。光譜法所分析的元素種類較多，精度也較高，但缺點是它不能反映磨粒的形狀、尺寸。并且，因為光譜法的原理是通過某種方式對磨粒進行燃燒，所以能分析的磨粒最大不能超過10μm，同時，光譜分析儀的價格昂貴，需要離線分析，不便于推廣使用。

20世紀70年代，美國麻省理工學院的W.W.Seifert和Foxboro公司的 V.C.Westcott提出了鐵譜技術的原理，并且由Foxboro公司制成了第一臺商用分析式鐵譜儀。但鐵譜法存在準確性和可重復性差，容易造成人為誤判，且分析速度慢，不能做到在線檢測的缺點。

2005年加拿大GasTOPS公司利用電磁感應的原理，研制了MetalSCAN在線油液磨粒檢測儀。該檢測儀是目前較好的在線式檢測儀器，但是其傳感器設計復雜，成本很高，調試過程繁瑣，易受外界電磁干擾，且不能識別大量連續(xù)性流動顆粒，應用于污染較嚴重的油路環(huán)境中監(jiān)測效果不佳［1］，目前，僅應用于民航客機和風力發(fā)電機等少數裝備價值高、機油清潔度要求高的場合。

本文基于磁力檢測原理，設計開發(fā)了電磁式鐵磁性磨粒監(jiān)測傳感器。該系統(tǒng)與監(jiān)控軟件相結合，對油路中的鐵磁性磨粒進行實時累積質量計量，并按照設定時間段進行存儲，統(tǒng)計出變化趨勢以備分析。當累積質量超過設定值或在敏感時間段累積質量增加過快時，立刻報警。另外，本文通過實驗得出了機油中鐵磁性顆粒質量與電磁鐵電流的對應關系，繪制了曲線圖。此傳感器已獲國家發(fā)明專利［2］。

1 數學模型

1.1 電磁鐵磁力與電流關系

電磁鐵的電磁吸力與電流的關系為［3］

式中:F為電磁鐵磁力，N;I為電磁鐵電流，A;ψ為電磁鐵磁鏈，Wb;δ為電磁鐵磁芯移動距離，mm。

此公式適用于各種電磁鐵，包括電流不變、磁鏈不變以及兩者都變化的電磁鐵。

1.2 強力永久磁鐵磁力與鐵磁性顆粒質量關系

查閱大量科技文獻，找到了一些永久磁鐵磁力庫倫定律的資料，但本文中涉及的永久磁鐵與少量鐵磁性顆粒之間磁力關系研究的相關資料還未見報道。本文在此提出假設:

式中:F'為強力永久磁鐵對鐵磁性顆粒的磁力，N;k為磁力系數;B為強力永久磁鐵磁感應強度，T;m為鐵磁性顆粒質量，g;θ為待定指數;r為強力永久磁鐵質心到鐵磁性顆粒質心的距離，mm。

2 結構與工作原理

如圖1所示，機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器(FerrumSCAN)由電磁鐵、電子存儲與控制單元(內置軟件)、顯示器、電源、采集接管、強力永久磁鐵、接觸式開關等主要元器件組成。

傳感器安裝位置位于機油循環(huán)油路精濾油器之前，它可以依照編制的程序定期完成檢測工作，其測試可在發(fā)動機關機、機油循環(huán)系統(tǒng)不工作時進行，以減小測量誤差。電子存儲與控制單元使電磁鐵通電，電壓從0 V開始，按照每秒增加0.2 V的速率增加，當電磁鐵吸合向下運動時，電磁鐵鐵芯通過推桿使開關閉合，向電子存儲與控制單元發(fā)出指令，存儲時間、電流、對應鐵磁性顆粒質量等參數。當傳感器監(jiān)測到的鐵磁性顆粒質量累計到設定值時，即電磁鐵所通過的電流達到設定值時，系統(tǒng)自動報警，提示應進行中修(或大修)。即當鐵磁性顆粒質量增加到如圖2所示預先設置的中修控制線時，應停機進行中修;當鐵磁性顆粒質量增加到如圖2所示預先設置的大修控制線時，應停機進行大修。在顯示器上定期查看鐵磁性顆粒質量與時間關系的柱狀圖，可實現對發(fā)動機系統(tǒng)磨損情況的總體把握。

圖1 鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器的組成

圖2 鐵磁性顆粒質量分布曲線

3 實驗

為得出電磁鐵電流與鐵磁性顆粒質量的關系曲線，特搭建如圖3所示的實驗電路，進行模擬實驗。電路由穩(wěn)壓電源、電流表、電壓表、電磁鐵、強力永久磁鐵、隔板、鐵磁性顆粒等組成。

圖3 實驗原理示意

3.1 實驗步驟

(1)穩(wěn)壓電源通電后，在盛有機油的燒杯中不加鐵磁性顆粒，從0 V開始由小到大調節(jié)系統(tǒng)電壓，記錄電磁鐵鐵芯吸合時電壓表和電流表的讀數;

(2)在盛有機油的燒杯中增加鐵磁性顆粒，第1次鐵磁性顆?？傎|量為0.5 g，第2次燒杯中鐵磁性顆粒質量增加至1.0 g，以此類推，每次增加0.5 g，最后一次燒杯中鐵磁性顆粒質量增加至2.5 g，調節(jié)電源電壓，記錄每次接觸式開關閉合時電壓表和電流表的讀數。

3.2 實驗結果

依上述方法進行了3次重復實驗，實驗結果見表1。

表1 實驗結果

通過對3次實驗結果的分析，發(fā)現每次在同等鐵磁性顆粒質量下所測得的電流誤差不大，重復性較好。依據3次實驗結果，擬合出電流與鐵磁性顆粒質量的關系曲線(如圖4所示)。

圖4 電流與鐵磁性顆粒質量的關系曲線

上述關系曲線圖所對應的電流與鐵磁性顆粒質量的數據，預先存儲于電子存儲與控制單元，當在線監(jiān)測得出電磁鐵吸合電流時，即可得出相應鐵磁性顆粒質量，并加以存儲。同時，電子存儲與控制單元自動比較測量值與預設報警值的大小，判斷是否需要報警，從而達到在線監(jiān)測的目的。

4 結語

隨著新工業(yè)技術的快速發(fā)展，裝備將越來越精密、復雜，一旦發(fā)生故障，后果會非常嚴重。本文中進行的實驗表明，鐵磁性顆粒的質量與通過傳感器的電流存在非線性的對應關系。機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器由于成本低、重復性好、抗干擾能力強、分辨率高等優(yōu)點，將會極大地促進裝備狀態(tài)檢測技術的發(fā)展。電磁式鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器的研究豐富了油液分析技術，為油液分析技術的實踐應用發(fā)展提供了更為廣闊的空間。如果投入實際應用，把汽車的過度保養(yǎng)和未及時修理所帶來的損失考慮進來，將取得很大的經濟和社會效益。

［1］ 涂群章，龔烈航，王敬濤.油液清潔度在線檢測方法［J］.建筑機械，2000(12):49-51.

［2］ 蘇欣平，趙慧敏，曾銳利.一種機油鐵磁性顆粒在線監(jiān)測傳感器:中國，ZL201010125666.1［P］.2012-10-24.

［3］ 錢家驪.電磁鐵吸力公式的討論［J］.電工技術雜志，2001(1):59-60.