基于金屬屑傳感器密封性改進設計

智文虎，劉柏青，簡榮坤，夏云陽，秦仕鵬，趙鵬程

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

金屬屑傳感器是一種檢測和清除滑油系統中金屬屑的傳感器，傳感器利用永磁鐵做探頭，可以及時捕捉油路中的金屬屑，當金屬屑達到一定量時為外部檢測系統提供報警信號［1～3］。傳感器內部設有自動密封油路的機構，在清理金屬屑過程中不影響管路系統正常工作［4～6］。傳統的金屬屑傳感器經歷壓力和溫度疲勞后容易出現漏油故障，本文通過采用聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）加工傳感器密封裝置和玻璃燒結技術相結合的方式，對金屬屑傳感器的結構進行了改進設計，實現了傳感器耐壓力、溫度疲勞的使用要求，提高了產品的可靠性［7～9］。

1 工作原理

金屬屑傳感器采用永磁材料做探頭，利用永磁材料兩極磁場的吸附能力，在一定的空間范圍內磁性顆粒能夠被傳感器探頭吸附［10～12］。當探頭兩極吸附的金屬屑數量不斷增加時，2個探頭之間的電阻值會不斷減小。2個探頭之間的電阻達到一定阻值時，外部采集和監測系統會給出金屬屑堆積過多的報警信號，提示系統進行傳感器的金屬屑清理工作［13］，傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理示意

金屬屑信號傳感器主要由基座和感應體2 個部分組成，其結構如圖2所示，基座上的螺紋負責將傳感器固定在滑油管路上。當需要對傳感器進行金屬屑清理時，將下端的閥蝶機構卸下，基座負責將油路密封實現金屬屑在線清理操作。感應體是傳感器實現功能的主體部分，利用下端的2個磁體吸引滑油管路中的磁性金屬屑，當金屬屑將2個磁體導通（兩磁體之間的阻值小于測試電路設定的閾值）時，由插針、卡槽及磁體連成的2個芯體被導通，測試電路輸出金屬屑報警信號，從而提示系統進行金屬屑的清理工作。

圖2 金屬屑信號傳感器實物與感應體內部結構

2 故障情況

2.1 故障概述

傳感器安裝于滑油回路中，由于使用過程中滑油溫度、壓力不斷變化使傳感器內部非金屬材料出現疲勞和損壞現象，導致傳感器出現2個磁體高度不一致，金屬屑傳感器與連接的航插有滑油泄漏故障現象，故障傳感器如圖3所示。

圖3 故障傳感器

2.2 故障原理分析

傳感器內部密封結構件名稱為定位套，是由PTFE 材料加工形成，主要是靠外力壓緊PTFE墊片，使其本身發生彈性或塑性變形以填滿密封面上的微觀凹凸不平，利用密封面上的阻力大于密封面兩側介質壓力差來實現密封。但在裝配時，由于達不到PTFE墊片所需的壓緊力，或者PTFE墊片的壓緊應力過大，容易將PTFE 墊片壓碎從而失去回彈能力，都無法達到密封效果。同時溫度對PTFE 墊片的密封性能也存在很大影響，PTFE的彈性和塑性變形量均隨溫度升高而變大。而回彈性能隨溫度升高而下降，蠕變量則隨溫度的升高而變大，PTFE墊片的密封性能自然也就會受影響，容易出現PTFE墊片密封失效。

通過傳感器的實際使用環境了解到，環境溫度和壓力的影響因素都客觀存在，長期處于變溫和變壓環境下，引起PTFE密封墊片的老化、失重、蠕變、松弛的現象就會越來越嚴重，導致PTFE墊片密封失效。

2.3 疲勞仿真分析

根據仿真結果發現，在0.6 MPa壓力作用下，磁體定位夾臺肩處應力最大，可達到1.5 MPa，經過長時間的應力作用，磁體定位夾發生連續塑性變形，直至從傳感器中脫落，受力情況如圖4所示。

圖4 一體結構應力分析示意

3 改進方案設計

3.1 密封結構設計

玻璃燒結密封結構主要應用在高原及海洋等一些較特殊的環境領域。由于該類產品需要在壓力變化的環境中保持正常工作，所以，接觸件選用與玻璃膨脹系數接近的可伐合金4J29 或TU系列無氧銅，成型后以高溫燒結來實現玻璃、接觸件、殼體之間的絕緣和封接，然后再進行金屬鍍覆。

由于玻璃餅燒結結構是需要將玻璃與金屬通過高溫封接成為一體，并且保證燒結后產品的密封性問題。在玻璃餅與殼體燒結過程中，應保證殼體表面與玻璃餅之間的光潔度，一般情況下殼體燒結部位的光潔度要保證在Ra1.6以上。在設計過程中殼體的燒結結合面設計成光滑直面，避免出現臺階環槽等，因為臺階或環槽的出現會影響玻璃餅與殼體間的結合，并且由于玻璃在高溫下熔化后其流動性較差，容易在臺階或環槽的地方出現氣泡影響產品燒結質量，所以在設計時應注意燒結結合部位設計成直面。

原金屬屑傳感器內部密封結構件由PTFE密封改為玻璃燒結組件密封，當玻璃與金屬封接時，玻璃液與金屬氧化層互相浸潤形成混合化學鍵，使其封接位置具有足夠的抗拉和抗扭強度；且玻璃燒結部分具有良好的密封性，由試驗驗證可知，改進后的金屬屑傳感器可長期耐受不小于0.6 MPa的壓力變化。

3.2 燒結工藝流程

玻璃燒結工藝流程比較復雜，主要分為6步，具體流程如圖5所示。

圖5 玻璃燒結工藝流程

1）玻璃餅的壓制

玻璃餅的壓制過程和傳統玻璃封接中玻璃餅或玻璃珠的制作過程一樣，即在外購玻璃粉中摻入一定量的高純石蠟切片粉后干壓成型，成型后經排蠟?；?。

2）金屬零件的凈化和氧化處理

金屬零件加工完成后如需要進行除油處理，再進行凈化處理，目的是獲得均勻的相組織，凈化表面，去除表面氣體和雜質，同時消除加工應力。

3）石墨模具的凈化

石墨模具加工過程中容易吸附一些油污雜質且易吸潮，裝模前必須經凈化處理后才能用于封接產品?？梢允褂闷秃途凭磸颓逑粗钡經]有石墨粉塵掉下為止，再進行烘干。

4）裝模

用壓縮空氣將處理好的石墨模具吹凈，和玻璃接觸的表面要用干凈軟布擦光，而后將殼體接觸件、玻璃餅、石墨模等按照產品組裝圖進行組裝。

5）正壓封接

封接是玻璃密封件生產的關鍵工序，封接溫度和時間直接影響玻璃與氧化膜之間的過渡層和剩余氧化膜厚度。

6）表面電鍍

表面電鍍是整個燒結插針中最復雜的工序及工藝，玻璃密封結構有別于其他種類的密封結構，該類密封結構需要在燒結后進行表面電鍍。

3.3 玻璃燒結組件設計

玻璃燒結組件由感應器殼體、插針組成，二者用玻璃胚燒結而成，裝配示意如圖6 所示。經試驗驗證，在壓力0.6 MPa的壓力下氣泡法檢漏無氣泡產生，無泄漏現象出現，此設計方法極大地提高了感應器的密封性，解決了傳感器的滲油現象。

圖6 玻璃燒結組件裝配示意

4 金屬屑傳感器結構設計

金屬屑傳感器殼體與玻璃燒結組件采用激光或電子束焊接方式進行焊接，焊縫深度滿足（1 ±0.15）mm，焊接后進行氣泡法檢查來保證密封性，金屬屑傳感器結構示意如圖7所示。表1為改進前后零件材料對比。

表1 改進前后材料對比

圖7 金屬屑傳感器結構分解示意

5 測試情況

制作2只傳感器樣品，將制作的金屬屑傳感器浸沒于酒精液體中，傳感器一端接入壓力測控儀型號（CPC6000），施加0.6 MPa的恒定壓力（如圖8），持續加壓10 min，觀察傳感器另一端是否有氣泡出現，無氣泡出現證明傳感器密封良好，經測試傳感器耐壓性合格。

圖8 金屬屑傳感器測試示意

6 結 論

通過故障機理分析確定原設計方案采用PTFE材料的密封件密封能力失效導致傳感器漏油失效，利用玻璃燒結設計代替原PTFE密封塞密封設計，保障傳感器整體耐壓性及可靠性能，改進后產品經過高溫、高壓考核，保證了傳感器的整體設計要求，能夠更好地進行金屬屑信號的檢測。