航空發動機滑油系統金屬屑末在線監測技術

武憲威,王 冠,錢 智,錢征華*,李 錕,李小劍

(1.南京航空航天大學 機械結構力學與控制國家重點實驗室,江蘇 南京 210016; 2.中國航發四川燃氣渦輪研究院, 四川 綿陽 621000; 3.中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心,江蘇 南京 211106)

航空發動機是整個飛機的動力來源,對于整個飛機的飛行安全起到至關重要的作用。由于航空發動機的工況比較惡劣,其內部各個零部件之間的摩擦會導致工作表面發生不同程度的磨損,磨損產生的金屬屑末會隨著滑油穿梭在發動機機體內部。航空發動機滑油系統中的滑油除了為發動機摩擦件提供潤滑和散熱的功能,還提供傳輸金屬屑末的功能。大量的研究發現,航空發動機在服役了一定時間后會出現異常磨損,金屬屑末顆粒濃度逐漸增加。隨著時間的推移,其運行狀態逐步惡化,金屬屑末濃度快速上升、尺寸快速增大。最終,這些異常磨損會導致零部件出現災難性的故障。因此,可以通過監測航空發動機滑油中金屬屑末的參數,來判斷發動機的磨損情況,能夠在發動機出現嚴重問題之前發出告警,從而有效避免重大事故的發生,保證飛行人員的人身安全[1-3]。

現有的檢測技術主要包括離線檢測法和在線檢測法(監測)。離線檢測法具有檢測周期長、費用高和不能實時地對設備進行檢測的特點,在工業應用中具有一定的局限性。在線檢測法主要包括以下6類：光散射計數器法[4-5]、電容法[6-7]、電阻法[8]、超聲波法[9]、X射線法[10]和感應法[11-13]。感應式金屬磨屑檢測法具有結構簡單、安裝方便、不受油質影響、能夠區分鐵磁性金屬顆粒和非鐵磁性金屬顆粒等優勢,研究人員對感應法進行了大量的研究。國外應用最廣泛的感應式傳感器是加拿大GasTOPS公司研制的MetalSCAN傳感器,其可在直徑為17.8 mm的管道中檢測到200 μm(球形)的鐵磁性金屬顆粒和405 μm(球形)的非鐵磁性金屬顆粒[14],并且已成功用于F22、F35、阿帕奇直升機、CH-124“海王”直升機等多種新型戰機,具有豐富的工程應用經驗。Du等[15-17]使用平行LC諧振方法在傳感器的原始基礎上進行了改進,改進后能夠檢測到20 μm的鐵顆粒。由于采用了直徑為250 μm的微流控通道,通道容易被堵塞,并且該傳感器通道中還存在相當大的節流效應,不適合大流量的監測,實際應用仍然受到限制。國內也對感應式傳感器做了一定的研究,任藝軍[18]提出了一種采用一個激勵線圈、兩個感應線圈的傳感器,其管道直徑為34 mm,能夠檢測到120 μm鐵磁性金屬顆粒和210 μm非鐵磁性金屬顆粒。吳瑜[19]針對微電感線圈對金屬顆粒檢測理論進行了大量的研究,并通過有限元仿真軟件研究了不同形態的金屬顆粒對電感變化的影響。

國內針對航空發動機滑油系統的金屬屑末在線監測技術近年來越來越受到重視,但是還缺少關鍵的在線監測傳感器和實際的工程應用經驗。

1 傳感器檢測原理

1.1 傳感器結構設計及工作原理

感應式金屬屑末傳感器采用傳統的三線圈結構設計,如圖1所示,中間為感應線圈,兩側為激勵線圈。兩側激勵線圈采用反向繞制,并聯加載一定頻率的交流電壓驅動,由于兩個激勵線圈參數相同,所產生的磁場大小相等,方向相反,在感應線圈處正好相互抵消。感應式傳感器工作原理圖如圖2所示。無金屬顆粒通過傳感器時,感應線圈的輸出電壓為零。當鐵磁性金屬顆粒通過傳感器時,兩個因素(磁導率和渦流)將相互作用,如圖2(b)所示,首先,由于鐵磁性金屬顆粒的磁導率較高,磁通量將增加。其次,鐵磁性金屬顆粒內部的渦流將產生一個與原始磁場方向相反的磁場,進而減少總磁通量。在頻率相對較低時,磁通量的增加占主導地位,這意味著當鐵磁性金屬顆粒通過傳感器時將產生正電壓脈沖。當非鐵磁性金屬顆粒通過傳感器時,由于非鐵磁性金屬顆粒磁導率較低(接近空氣),磁導率對磁場的影響可以忽略,非鐵磁性金屬顆粒對磁場的影響只有渦流效應,如圖2(c)所示,這意味著當非鐵磁性金屬顆粒通過傳感器時將產生負電壓脈沖。

圖1 感應式傳感器結構圖

圖2 感應式傳感器工作原理圖

1.2 傳感器數學模型

根據畢奧薩伐爾定律,圓形載流導線生成磁場表達式為

(1)

式中：B為圓形載流導線在目標點的磁場強度;μ0為真空磁導率;I為激勵電流;r為圓半徑;x為目標點的橫坐標。

假設金屬顆粒是球型的,半徑為ra;速度為v;金屬顆粒的磁導率為μr;時間為t;線圈內半徑為R1;激勵線圈外半徑為R2;激勵線圈匝數為N1;激勵線圈單位長度的匝數為n1;感應線圈匝數為N2;激勵線圈寬度為l1;感應線圈寬度為l2;線圈間隙為m;設感應線圈中心位置為原點,軸向為x軸,激勵信號為正弦交流電幅值為I;頻率為f。傳感器模型如圖3所示。

圖3 傳感器模型圖

感應線圈中線上磁場強度表達式為

(2)

其中：

(3)

其中：

式中：l為金屬顆粒的軸向坐標。

金屬顆粒進入傳感器后,軸向磁通的改變量為

(4)

(5)

令激勵電流采用正弦交流電i=Icos(2πft),假設金屬顆粒以速度v勻速通過傳感器,取金屬顆粒進入感應線圈的時刻為時間零點,那么l=vt。感應電動勢可以表示為

(6)

2 傳感器模型仿真

2.1 傳感器模型參數

為了驗證傳感器設計,使用COMSOL軟件對傳感器工作過程進行仿真,鐵磁性金屬顆粒選用鐵顆粒,非鐵磁性金屬顆粒選用銅顆粒。傳感器仿真模型圖如圖4所示,激勵線圈位于感應線圈的兩側,與感應線圈的間距為6 mm,模型參數如表1所示。金屬顆粒主要電磁參數如表2所示。

表1 仿真建模參數

表2 金屬顆粒的電磁參數

圖4 傳感器仿真模型圖

2.2 傳感器軸線上磁感應強度的分布

傳感器初始狀態下,其內部的磁感應強度分布為穩態,軸線上磁感應強度分布如圖5所示。

圖5 軸線上磁感應強度分布圖

從圖5中可以看出,傳感器軸線上磁感應強度的大小是基于感應線圈中心位置左右完全對稱的,在感應線圈中心位置處的磁感應強度為0,在激勵線圈中心位置處的磁感應強度達到最大值。

2.3 鐵磁性金屬顆粒通過傳感器時的感應電壓

選用直徑為500 μm的球形鐵顆粒,以1 m/s的速度通過傳感器中軸線,其輸出電壓經過解調后如圖6所示(金屬顆粒起始位置離激勵線圈一端的位置為9 mm),可以看出金屬顆粒經過激勵線圈1的中心時感應電壓達到正的最大值,此時金屬顆粒對線圈磁通量的影響最大;金屬顆粒通過感應線圈中心時,對線圈磁通量的影響最小,感應電壓為0;金屬顆粒通過激勵線圈2的中心時,感應電壓達到負的最大值。這樣金屬顆粒通過傳感器時,感應線圈會輸出一個類似于正弦波形的感應電壓信號。

圖6 500 μm鐵顆粒感應電壓圖

2.4 非鐵磁性金屬顆粒通過傳感器時的感應電壓

選用直徑為500 μm的球形銅顆粒,以1 m/s的速度通過傳感器中軸線,其輸出電壓經過解調后如圖7所示?？梢钥闯鼋饘兕w粒通過傳感器時輸出電壓方向與鐵顆粒的方向相反。這是由于非鐵磁性金屬顆粒對磁性的影響只有渦流效應,產生與原始磁場方向相反的磁場,使原始磁場減弱,輸出電壓為負值。由2.2節可知,在激勵線圈中心處磁感應強度最強,渦流效應也最強,在金屬顆粒到達激勵線圈1的中心時感應電壓達到負的最大值;金屬顆粒到達感應線圈中心時,渦流效應最弱,感應電壓為0;金屬顆粒到達激勵線圈2的中心時,感應電壓達到正的最大值。

圖7 500 μm銅顆粒感應電壓圖

3 實驗研究

3.1 傳感器制作

選用氧化鋁陶瓷制作傳感器線圈骨架,線圈骨架的內徑為13 mm,外徑為14.5 mm,激勵線圈和感應線圈的寬度均為10 mm,線圈間距為6 mm。選用線徑為0.2 mm的銅芯漆包線繞制傳感器線圈,激勵線圈和感應線圈均繞制6層,總共300匝,其中兩組激勵線圈反向繞制,使其在感應線圈處產生的磁場相互抵消。將繞制好的線圈放置在不銹鋼制作的傳感器外殼內,以屏蔽外界磁場的干擾。傳感器外殼及骨架圖如圖8所示。

圖8 傳感器外殼及骨架圖

3.2 信號處理方法

傳感器信號處理方法如圖9所示,使用信號發生器產生幅值為±10 V、頻率為80 kHz的正弦信號Ve作為傳感器的激勵信號。在激勵線圈處并聯一個電容Ce形成LC諧振電路,以獲得更大的激勵電流。在感應線圈處并聯一個電容Cs,以獲得更高的感應電壓。諧振頻率計算公式為

(6)

圖9 傳感器信號處理方法

感應線圈輸出的信號首先經過放大電路進行30 000倍的放大,在放大的過程中傳感器引入的噪聲也會被一起放大,嚴重影響金屬顆粒信號的信噪比,需要對信號做進一步的解調處理,來提取金屬顆粒信號。由于PSD電路比普通濾波電路擁有更高的精度、更高的靈敏度和更強的抗干擾能力,很好地滿足了傳感器對微弱的金屬顆粒信號的提取要求,所以采用相敏檢波(Phase Sensitive Detection,PSD)電路對金屬顆粒信號進行解調處理,PSD電路選用AD630芯片作為同步解調芯片,其可以從100 dB的噪聲中恢復弱小信號。如圖9所示,解調器的輸入信號為感應信號放大后的信號,參考信號采用經過移項后的與輸入信號同頻的激勵信號,最后再通過低通濾波獲得低頻分量,即金屬顆粒信號。

3.3 實驗平臺的搭建

為了能夠準確控制金屬顆粒通過傳感器的速度,將金屬顆粒固定在尼龍繩上。此外,尼龍繩由電機驅動,通過控制電機的轉速來控制尼龍繩的移動速度,進而控制金屬顆粒通過傳感器的速度。尼龍繩的磁導率接近空氣,因此尼龍繩對磁場的影響很小。在實際工程中,機械磨損過程中產生的金屬屑末形狀不一致,這給實驗分析帶來了困難。為了更好地量化實驗結果,采用球形的金屬顆粒進行實驗。為了減少外界信號的干擾,將信號處理電路放入鋁制的盒子里,實驗測試平臺的示意圖如圖10所示。整個實驗平臺如圖11所示。

圖10 實驗測試平臺的示意圖

3.4 傳感器檢測靈敏度測試

3.4.1 鐵磁性金屬顆粒測試

為了測試傳感器對鐵磁性金屬顆粒的采集靈敏度,選擇了一系列鐵金屬顆粒進行實驗,其直徑分別為80 μm、150 μm、200 μm、300 μm和500 μm。金屬顆粒以0.5 m/s的速度通過傳感器,其輸出信號如圖12所示。

從圖12中可以看出,80 μm的鐵顆粒通過傳感器時可以觀察到明顯的輸出信號(大于背景噪聲電壓),這意味著設計的傳感器可以有效地檢測大于80 μm的鐵磁性金屬顆粒。隨著金屬顆粒直徑的增加,輸出電壓的幅度相應地增加。金屬顆粒尺寸與輸出電壓之間的關系如圖13所示。根據這一關系,可以通過檢測輸出電壓值來確定金屬顆粒的尺寸。

圖13 金屬顆粒尺寸與輸出電壓之間的關系

3.4.2 非鐵磁性金屬顆粒測試

為了測試傳感器對非鐵磁性金屬顆粒的采集靈敏度,選擇了直徑分別為350 μm和500 μm的銅顆粒進行實驗測試,其輸出信號如圖14所示?？梢钥闯鲢~顆粒輸出的電壓信號相位與鐵顆粒信號相差180°,可以通過這一點來區分金屬顆粒的屬性,并且350 μm的銅顆粒輸出電壓明顯大于背景噪聲,因此設計的傳感器可以有效地檢測到直徑大于350 μm的非鐵磁性金屬顆粒。

4 結束語

本文針對三線圈結構的感應式金屬屑末在線監測傳感器,基于電磁感應原理,建立了感應式傳感器的數學模型,并建立了傳感器的數值仿真模型。通過PSD技術對傳感器采集到的微弱的金屬顆粒信號進行解調處理,通過實驗驗證,所設計的傳感器在管徑為13 mm的情況下,能夠有效地檢測到80 μm以上的鐵磁性金屬顆粒和350 μm以上的非鐵磁性金屬顆粒。后續將此傳感器應用到航空發動機滑油系統中,可實現對滑油中金屬屑末的尺寸、濃度和產生速率等參數的監測,進而反映滑油系統零部件的健康狀況和磨損狀況,并能夠在零部件出現嚴重問題之前提出告警,從而有效避免重大事故的發生。