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金屬磨損顆粒油液在線監(jiān)測的原理和意義解析

來源:英力監(jiān)測


前瞻

 

在現(xiàn)代工業(yè)中,幾乎不可能有一臺(tái)機(jī)器不使用旋轉(zhuǎn)元件。例如,在機(jī)械系統(tǒng)中,軸承通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的必備部件,齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí)也是必不可少的。旋轉(zhuǎn)機(jī)械(如發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、渦輪機(jī))在航空、能源、陸/海/空運(yùn)輸和制造業(yè)等許多行業(yè)中已成為必不可少的。人們一直希望保證它們的健康,以提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)避免昂貴的維護(hù)和不必要的停機(jī)。因此,實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測,獲取用于判斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康狀態(tài)的指示性信息,就變得至關(guān)重要。

 

目前用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要包括振動(dòng)監(jiān)測、熱成像和油液分析。振動(dòng)監(jiān)測可以監(jiān)聽機(jī)械結(jié)構(gòu)故障引起的“噪聲”,適用于由滾動(dòng)面組成的系統(tǒng)元件的監(jiān)測。然而,振動(dòng)的原因是復(fù)雜的,因此所產(chǎn)生的信號(hào)不能毫無困難地解釋和理解。熱分析也能有效地指示旋轉(zhuǎn)機(jī)械的嚴(yán)重故障。但由于溫度變化的遲滯和衰減,這種技術(shù)往往對(duì)系統(tǒng)的健康狀況不敏感。此外,無論是振動(dòng)監(jiān)測還是熱成像,都很難察覺到故障早期的異常變化,更不用說故障前的嚴(yán)重磨損。相比之下,大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械都有潤滑系統(tǒng),以減輕接觸表面的摩擦和磨損。潤滑油攜帶大量與機(jī)械系統(tǒng)摩擦學(xué)行為相關(guān)的副產(chǎn)物,可以直接報(bào)告沾油部件的磨損情況。正如選擇血液測試來輔助疾病診斷一樣,油液分析可以為旋轉(zhuǎn)機(jī)器的即將發(fā)生的故障提供診斷和預(yù)后。此外,由于潤滑油在整個(gè)系統(tǒng)中流動(dòng),潤滑油狀態(tài)監(jiān)測可以在一個(gè)位置監(jiān)測所有油潤滑元件,這是其他技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。因此,旋轉(zhuǎn)機(jī)械金屬磨損顆粒的在線監(jiān)測一直是研究的熱點(diǎn)。

 

意義

 

目前,潤滑油狀態(tài)監(jiān)測主要分為兩大類:潤滑油性質(zhì)分析和潤滑油碎屑監(jiān)測。前者可用于揭示潤滑油內(nèi)部的污染或潤滑油性能的惡化。后者側(cè)重于對(duì)磨損產(chǎn)生的顆粒進(jìn)行分析,這些顆??梢灾甘灸p的程度和趨勢。研究表明,潤滑油中出現(xiàn)的磨粒與摩擦副的摩擦學(xué)特性密切相關(guān),其大小和濃度與磨損嚴(yán)重程度成正比,可作為反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康狀態(tài)的良好指標(biāo)。微觀層面的異常磨損是宏觀層面機(jī)械失效的前兆,磨損碎片的典型尺寸在10-100 um范圍內(nèi),每個(gè)尺寸范圍內(nèi)的濃度加速增長和磨損顆粒的組成可以用來確定故障發(fā)生的位置。此外,磨損機(jī)制的顯著不同導(dǎo)致了這樣一個(gè)事實(shí),即磨損碎片的形態(tài)特征是確定發(fā)生了哪種磨損類型并推斷其發(fā)生原因的關(guān)鍵證據(jù)。特別是近年來,由于集成電路的跨越式發(fā)展和軟件技術(shù)的爆發(fā),磨損顆粒形態(tài)分析備受關(guān)注。鑒于這些事實(shí),檢測磨損碎片的能力對(duì)于緩解部件劣化和實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)非常有意義。

在過去的幾十年里,研究報(bào)道了一些用于離線分析或在線監(jiān)測的油屑裝置。離線測量設(shè)備,如原子光譜儀和鐵譜儀能夠提供關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)器健康狀態(tài)的準(zhǔn)確、詳細(xì)和全面的信息,這些方法被廣泛接受,并且仍然是潤滑劑狀態(tài)監(jiān)測中最常用的工具。然而,這種策略必須通過定期采集油樣來實(shí)現(xiàn),這既耗時(shí)又耗費(fèi)人力。此外,離線油分析無法提供實(shí)時(shí)信息,分析結(jié)果的滯后可能使操作人員無法對(duì)突發(fā)故障采取補(bǔ)救措施。因此,實(shí)驗(yàn)室取樣后的檢測已逐漸不能滿足狀態(tài)維護(hù)的需求。在線油屑傳感器(在線傳感器:主回路監(jiān)測,在線傳感器:旁路監(jiān)測)能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)地獲取有關(guān)旋轉(zhuǎn)設(shè)備健康狀況的信號(hào),正在被廣泛尋求。

 

原理

 

鐵和鋼等鐵合金在組成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的材料中占有相當(dāng)大的比例。此外,摩擦副表面還經(jīng)常采用含有銅、鉻、錳等特殊金屬材料的抗磨涂層,以減輕旋轉(zhuǎn)部件的磨損。就物質(zhì)對(duì)外加磁場的響應(yīng)而言,這些金屬材料可分為三類,包括鐵磁性、順磁性和抗磁性。

鐵磁材料具有較大的相對(duì)磁導(dǎo)率(例如碳鋼~100),當(dāng)它們被磁化時(shí),可以生成一個(gè)與外部磁場具有相同的極性的磁場,生成磁場的磁通密度可達(dá)原磁場的數(shù)倍。對(duì)于順磁性材料,在外部磁場的作用下,也能產(chǎn)生與外加場方向一致的磁場。但由于磁導(dǎo)率較小(如鋁合金~1.000022),產(chǎn)生的磁場較弱,其擾動(dòng)可以忽略不計(jì)。與這兩種材料相反,抗磁性材料在磁場中會(huì)產(chǎn)生與外加磁場相反的磁場,因?yàn)樗鼈兊拇艑?dǎo)率小于1(例如銅~0.999994)。另一方面,當(dāng)存在交變磁場時(shí),金屬材料內(nèi)部會(huì)激發(fā)閉合感應(yīng)電流,即渦流。渦流產(chǎn)生一個(gè)與現(xiàn)有磁場相抗衡的磁場。因此,外部磁場將會(huì)減弱。

金屬磨粒傳感器原理圖.jpg

       英力監(jiān)測的MPS2000和2008系列金屬磨損顆粒油液在線監(jiān)測傳感器恰好滿足了以上的需求。MPS產(chǎn)品采用先進(jìn)的多組電感線圈原理用于檢測潤滑油中的金屬磨損顆粒。多組線圈繞在空心筒管上作為MPS的傳感元件。如圖所示。當(dāng)金屬顆粒被油流引入感應(yīng)線圈時(shí),由于磨損碎片對(duì)線圈磁場的擾動(dòng),感應(yīng)量發(fā)生變化。對(duì)于鐵磁顆粒,較高的相對(duì)磁導(dǎo)率使磁通量增加,而渦流有減小磁通量的趨勢。由于渦流隨激勵(lì)頻率的增加而增強(qiáng),低頻下的總磁通量由磁導(dǎo)率決定,導(dǎo)致電感增大。相反,如果順磁或抗磁金屬顆粒與應(yīng)用磁場耦合,當(dāng)它通過感應(yīng)區(qū)域時(shí),線圈的電感會(huì)下降,原因有兩個(gè):1)渦流在高頻時(shí)起主導(dǎo)作用;(2)磨粒相對(duì)滲透率之間的相關(guān)性可以忽略不計(jì)。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的相位,檢測到的磨損碎片可以分為兩組:(a)鐵磁顆粒(例如鑄鐵,鋼),(b)順磁和抗磁顆粒(例如銅,鉻,鋁)。這也意味著磨損碎片的材料,如黑色金屬和有色金屬碎片,可以通過傳感器區(qū)分。此外,由于傳感器的滲透率和導(dǎo)電性較小,對(duì)氣泡和水滴不敏感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在內(nèi)徑為12mm的管道內(nèi),MPS能夠檢測40um鐵磁性金屬顆粒和150um非鐵磁性金屬顆粒。

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