一种用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法

一种用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，依次通过滤波器、温控模块、磁化模块、机械离心模块、旋转磁场离心模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块和消磁模块进行磨损微粒监测；滤波器一端设有油液入口；消磁模块的一端设有油液出口。本发明引入基于电容边缘效应的相邻电容传感器技术，实现磨损微粒非侵入、无约束监测；通过磁化、机械离心和旋转磁场离心模块使油液中的磨损微粒磁化、聚合成大颗粒并运动到管壁附近并被吸附模块吸附，以提高相邻电容传感器的输出监测信号强度；通过温控模块及合理设计相邻电容传感器极板层结构，抑制噪声并最优化相邻电容传感器监测装置的整体性能。
【专利说明】一种用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种液压管路油液中的磨损微粒在线监测方法，具体涉及一种用滤 波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，属于液压系统技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 液压系统油液中的磨损微粒不但可以使运动副产生磨粒磨损而且可以使运动副 的相对运动受阻而导致控制部件动作失灵。国内外的资料统计表明，液压机械70%故障源 自油液的颗粒污染。因此，对油液中的磨损微粒进行在线监测已成为减少磨损及液压系统 故障的重要途径之一。
[0003] 电容传感器因其制作方便、成本低廉而被应用于机器油液的污染监测。专利文献1 (中国发明专利授权公告号CN 101435788B)公开了一种基于介电常数测量的在线油液监测 传感器及其系统，该发明的传感器包括支座及其固定在内部的三根极柱，三根极柱构成了 差动式圆柱电容，能监测传感器电容值的微小变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进 而实现对油液污染度的实施监测。该监测方法中的传感器极柱浸入到油液中，造成了油液 流态的改变，影响了测量精度;油液在传感器极柱表面会形成沉积油膜，不仅造成测量精度 下降，同时还带来传感器清洗问题。
[0004] 文献2(赵新泽等，武汉水利电力大学（宜昌）学报，1999(3))公开了一种油液污染 监测用电容传感器探头，该探头由一圆筒玻璃管与紧贴该管外壁的两半圆形电极组成，其 实质为平行板电容传感器。该电容传感器激励极板与接收极板间距受液压管道直径约束， 由于液压管道直径相对较大，该传感器灵敏度不够理想。
[0005] 同时，现有技术的磨损微粒进行在线监测设备中的流体剧烈波动，会导致监测数 据大幅度波动而导致监测失败。
[0006] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的用滤波、电磁离心和相邻电 容的磨损微粒监测方法，以克服现有技术中的所述缺陷。 【
【发明内容】
】
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用滤波、电磁离心和相邻电容 的磨损微粒监测方法，其采用非侵入的测量方式、对被测量的无约束性、监测信号强且灵敏 度高、低成本、环境适应性强。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损 微粒监测方法，其采用一种监测设备，该设备包括滤波器、温控模块、磁化模块、机械离心模 块、旋转磁场离心模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块以及消磁模块;其中，所述滤波 器、温控模块、磁化模块、机械离心模块、旋转磁场离心模块、吸附模块、相邻电容微粒监测 模块和消磁模块依次连接;所述滤波器的一端设有油液入口，其包括输入管、外壳、输出管、 波纹管、弹性薄壁以及胶体阻尼层;其中，所述输入管连接于外壳的一端;所述输出管连接 于外壳的另一端，其延伸入外壳内；所述输入管、输出管和弹性薄壁共同形成一 K型滤波器； 所述弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔;所述弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥 形阻尼孔，锥形阻尼孔连通共振容腔;所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通 过多个锥形插入管连通;所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关;所述波 纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联Η型滤波器;所述消磁模块的一端设有油液出口， 其由剩磁传感器和消磁器组成；
[0009] 其包括如下步骤：
[0010] 1)，液压管路中的油液携带磨损微粒通过滤波器，通过滤波器衰减液压系统中的 高、中、低频段的脉动压力，以及抑制流量波动；
[0011] 2)，通过温控模块控制油液温度恒定在42°C ;
[0012] 3)，磁化模块将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，使微米级的磨损微粒聚合成 大颗粒
[0013] 4)，磁化聚合颗粒在机械离心模块中初步离心；
[0014] 5)，旋转磁场模块对磁化聚合颗粒进行二次离心；
[0015] 6)，吸附模块吸附经旋转磁场模块离心后聚集在管壁附近的磁化聚合大微粒；
[0016] 7)，通过相邻电容微粒监测模块在线监测液压管路中磨损微粒状况
[0017] 8 )，消磁模块给磁化颗粒消磁。
[0018] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述输入 管和输出管的轴线不在同一轴线上;所述锥形阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度 角为10°;所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内，其锥度角为10°;所述锥形插入管和锥 形阻尼孔的位置相互错开;所述胶体阻尼层的内层和外层分别为外层弹性薄壁和内层弹性 薄壁，外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间由若干支柱固定连接;所述外层弹性薄壁和内层 弹性薄壁之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水，纯净水内悬浮有多孔硅胶;所述胶体阻 尼层靠近输出管的一端和外壳相连;所述胶体阻尼层靠近输出管的一端设有一活塞。
[0019] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述温控 模块包括加热器、冷却器和温度传感器;所述加热器采用带温度检测的重庆金鸿的润滑油 加热器;所述冷却器选用表面蒸发式空冷器，冷却器的翅片管选KLM型翅片管;温度传感器 采用铂电阻温度传感器。
[0020] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述磁化 模块包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳、法兰以及若干磁化电流输出模块;其中，所述若干 绕组分别绕在铝质管道外，各绕组由正绕组和逆绕组组成，正绕组和逆绕组内的电流大小 相等;所述铁质外壳包覆于铝质管道上;所述法兰焊接在铝质管道的两端;每一磁化电流输 出模块连接至一绕组。
[0021 ]本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述机械 离心模块采用旋流离心模块;所述旋流离心模块包括旋流管壁、第一导流片、第二导流片、 步进电机以及流量传感器;其中，所述第一导流片设有3片，该3片第一导流片沿管壁内圆周 隔120°均匀分布，其安放角设为18°;所述第二导流片和第一导流片结构相同，其设置在第 一导流片后，并和第一导流片错开60°连接在管壁内，其安放角设为36°C;所述第一导流片 的长边与管壁相连，短边沿管壁的轴线延伸；其前缘挫成钝形，后缘加工成翼形，其高度为 管壁直径的0.4倍，长度为管壁直径的1.8倍;所述步进电机连接并驱动第一导流片和第二 导流片，以调节安放角;所述流量传感器设置在管壁内的中央。
[0022] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述旋转 磁场离心模块包括铝质管道、铁质外壳、三相对称绕组、法兰以及三相对称电流模块;所述 三相对称绕组绕在铝质管道外;所述铁质外壳包覆于铝质管道上;所述法兰焊接在铝质管 道的两端;所述三相对称电流模块连接所述三相对称绕组。
[0023] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述吸附 模块采用同极相邻型吸附环;所述同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向 螺线管以及铁质导磁帽;所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者 通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极;所述铁质导磁 帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线 管和反向螺线管轴线的中间点。
[0024] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述吸附 模块采用带电击锤的同极相邻型吸附环;所述带电击锤的同极相邻型吸附环包括铝质环形 管道、正向螺线管、反向螺线管、铁质导磁帽、隔板、电击锤以及电磁铁;所述正向螺线管和 反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反 向螺线管相邻处产生同性磁极;所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正 向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点；所述隔板位 于正向螺线管和反向螺线管之间；所述电击锤和电磁铁位于隔板之间；所述电磁铁连接并 能推动电击锤，使电击锤敲击铝质环形管道内壁。
[0025] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法进一步为:所述相邻 电容微粒监测模块包括有机玻璃内壁、接地屏蔽层、接收极板、激励极板以及外壁;其中，所 述机玻璃内壁、接地屏蔽层和外壁呈管状结构，并依次自内而外设置;所述机玻璃内壁的厚 度为0.5mm，介电常数为2.5;所述接地屏蔽层的介电常数为1.5-2.5,厚度为外壁厚度的1到 2倍;所述接收极板、激励极板嵌设在接地屏蔽层上，并位于机玻璃内壁外侧;所述接收极 板、激励极板均采用皮亚诺曲线结构极板层，两者之间设有隔离层;所述隔离层的宽度为有 机玻璃内壁厚度的0.8-1倍。
[0026] 本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法还为:其包括一 E⑶， 所述滤波器、剩磁传感器、消磁器、加热器、冷却器、温度传感器、磁化电流输出模块、机械离 心模块、旋转磁场离心模块、吸附模块和相邻电容微粒监测模块均电性连接至ECU上。
[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0028] 1.本发明的多对正逆线圈结构的磁化模块，线圈电流可在线数字设定，以产生磁 化需要的非均匀磁场，使油液中的磨损微粒强力磁化并聚合成大颗粒，同时使胶质颗粒分 解消融并抑制气泡生长;机械和磁场离心模块使磁化微粒"分离"并向腔壁运动;通过吸附 模块捕获管壁表面磁化聚合大颗粒。
[0029] 2.在液压管路磨损微粒监测装置中引入基于电容边缘效应的相邻电容传感器，通 过将磨损微粒磁化、聚合成大颗粒并离心吸附到管壁以提高颗粒浓度，增加管壁表面油液 的介电常数，极大提高了传感器输出信号强度并巧妙解决了信号强度和穿透深度指标冲突 的矛盾。
[0030] 3.在极板层设计中引入了有效边缘长且结构复杂的皮亚诺曲线结构。该皮亚诺曲 线结构极板层中，激励极板、接收极板和隔离极板组成的曲线能遍历正方形极板层中所有 的点，得到一条充满整个正方形极板层空间的曲线。在极板层面积固定的情况下，该结构具 有最长有效边缘、最大极板面积和最复杂结构，以此来获得最佳信号强度。
[0031] 4.滤波器可衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压力，并可抑制流量波动，保 证监测结果准确。
[0032] 5.滤波器、温控模块、磁化模块、机械离心模块、旋转磁场离心模块、吸附模块、相 邻电容微粒监测模块相结合的液压管路磨损微粒监测技术路线，既保证了监测可靠性，同 时又使得监测系统的整体性能最优。 【【附图说明】】
[0033] 图1是本发明的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒在线监测设备的结构示 意图。
[0034]图2是图1中的滤波器的结构示意图。
[0035]图3是插入式Η型滤波器示意图。
[0036]图4是单个的Η型滤波器和串联的Η型滤波器频率特性组合图。其中，实线为单个的 Η型滤波器频率特性。
[0037]图5是Κ型滤波器的结构示意图。
[0038]图6是弹性薄壁的横截面示意图。
[0039] 图7是胶体阻尼层的纵截面示意图。
[0040] 图8是图1中的磁化模块的结构图。
[0041] 图9是图8中的磁化线圈的结构图。
[0042] 图10是图8中的磁化电流输出模块的结构图。
[0043 ]图11 -1是图1中的旋流离心模块的横向示意图。
[0044] 图11 -2是图1中的旋流离心模块的径向示意图。
[0045] 图12是图1中的旋转磁场离心模块示意图。
[0046] 图13是图1中的吸附装置为同极相邻型吸附环的结构示意图。
[0047] 图14是图1中的吸附装置为带电击锤的同极相邻型吸附环的结构示意图。
[0048] 图15-1是图1中的相邻电容微粒监测模块的径向半剖图。
[0049] 图15-2是图1中的相邻电容微粒监测模块的横向剖面图。
[0050]图15_3是图15_1中的接收极板和激励极板的不意图。
[0051 ]图15-4是图15-3中Α处的局部放大图。
[0052]图16是E⑶的连接示意图。 【【具体实施方式】】
[0053]请参阅说明书附图1至附图16所示，本发明为一种用滤波、电磁离心和相邻电容的 磨损微粒在线监测设备，其由滤波器8、温控模块1、磁化模块2、机械离心模块3、旋转磁场离 心模块4、吸附模块5、相邻电容微粒监测模块6、消磁模块7以及ECU 10等几部分组成。其中， 所述滤波器8、温控模块1、磁化模块2、机械离心模块3、旋转磁场离心模块4、吸附模块5、相 邻电容微粒监测模块6和消磁模块7依次连接。
[0054]所述滤波器8的一端设有油液入口 91，用于将液压油输人装置，并可衰减液压系统 中的高、中、低频段的脉动压力，和抑制流量波动，保证监测结果准确。所述滤波器8由输入 管81、外壳89、输出管811、波纹管83、弹性薄壁87以及胶体阻尼层88等几部分组成。
[0055]其中，所述输入管81连接于外壳89的一端；所述输出管811连接于外壳89的另一 端，其延伸入外壳89内的长度为L2。所述弹性薄壁87沿外壳的径向安装于外壳89内。所述输 入管81和输出管811的轴线不在同一轴线上，这样可以提高10%以上的滤波效果。
[0056]所述输入管81、输出管811和弹性薄壁87共同形成一 K型滤波器，从而衰减液压系 统高频压力脉动。按集总参数法处理后得到的滤波器透射系数为：
[0058] a-介质中音速P-流体密度d2-插入式输出管直径Z-特性阻抗。
[0059] 由上式可见，K型滤波器和电路中的电容作用类似。不同频率的压力脉动波通过该 滤波器时，透射系数随频率而不同。频率越高，则透射系数越小，这表明高频的压力脉动波 在经过滤波器时衰减得越厉害，从而起到了消除高频压力脉动的作用。
[0060] 所述K型滤波器的设计原理如下:管道中压力脉动频率较高时，压力波动作用在流 体上对流体产生压缩效应。当变化的流量通过输入管进入K型滤波器容腔时，液流超过平均 流量，扩大的容腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量时放出液流，从而吸收压力脉动能 量。
[0061] 所述弹性薄壁87通过受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动。按集总参数 法处理后得到的弹性薄壁固有频率为：
[0063] k-弹性薄壁结构系数h-弹性薄壁厚度R-弹性薄壁半径 [0064] E-弹性薄壁的杨氏模量P-弹性薄壁的质量密度
[0065] η-弹性薄壁的载流因子μ-弹性薄壁的泊松比。
[0066] 代入实际参数，对上式进行仿真分析可以发现，弹性薄壁87的固有频率通常比Η型 滤波器的固有频率高，而且其衰减频带也比Η型滤波器宽。在相对较宽的频带范围内，弹性 薄壁对压力脉动具有良好的衰减效果。同时，本发明的滤波器结构中的弹性薄壁半径较大 且较薄，其固有频率更靠近中频段，可实现对液压系统中的中高频压力脉动的有效衰减。 [0067]所述弹性薄壁87的设计原理如下：管道中产生中频压力脉动时，双管插入式容腔 滤波器对压力波动的衰减能力较弱，流入双管插入式容腔的周期性脉动压力持续作用在弹 性薄壁的内外壁上，由于内外壁之间有支柱固定连接，内外弹性薄壁同时按脉动压力的频 率做周期性振动，该受迫振动消耗了流体的压力脉动能量，从而实现中频段压力滤波。由虚 功原理可知，弹性薄壁消耗流体脉动压力能量的能力和其受迫振动时的势能和动能之和直 接相关，为了提高中频段滤波性能，弹性薄壁的半径设计为远大于管道半径，且薄壁的厚度 较小，典型值为小于O.lmm。
[0068]进一步的，所述弹性薄壁87和外壳89之间形成圆柱形的共振容腔85。所述弹性薄 壁87的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔86,以保证在整个滤波器的范围内均能实现插入式 串并联滤波。锥形阻尼孔86连通共振容腔85。所述锥形阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内， 其锥度角为10°，用于展宽滤波频率范围，按集总参数法处理后得到的滤波器固有角频率 为：
[0070] a-介质中音速L一阻尼孔长S-阻尼孔横截面积V-并联共振容腔体积。
[0071]所述波纹管83呈螺旋状绕在共振容腔85外，和共振容腔85通过多个锥形插入管82 连通。所述锥形插入管82开口较宽处位于波纹管83内，其锥度角为10°用于展宽滤波频率范 围。所述锥形插入管82和锥形阻尼孔86的位置相互错开。所述波纹管83各圈之间通过若干 支管810连通，支管810上设有开关84。所述波纹管83和共振容腔85组成插入式螺旋异构串 联Η型滤波器。
[0072] 由图4可知，串联Η型滤波器有2个固有角频率，在波峰处滤波效果较好，而在波谷 处则基本没有滤波效果;插入式螺旋异构串联Η型滤波器中采用了螺旋异构的波纹管83结 构，波纹管本身具有弹性，当液压系统的流量和压力脉动经过波纹管时，流体介质导致液 压-弹簧系统振动，抵消波动能量，从而起到滤波作用；同时，各圈波纹管83之间的若干支管 810的连通或断开，引起波的干涉和叠加，从而改变串联Η型滤波器的频率特性;合理安排滤 波器参数以及连通支管的数量和位置，可使串联Η型滤波器的频率特性的波谷抬高，使滤波 器在整个中低频段均有良好的滤波性能，实现中低频段的全频谱滤波。
[0073] 所述弹性薄壁87的内侧设有一胶体阻尼层88。所述胶体阻尼层88的内层和外层分 别为外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82,外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82之间由若干支 柱814固定连接。外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净 水816,纯净水816内悬浮有多孔硅胶815。所述胶体阻尼层88靠近输出管811的一端和外壳 89相连;所述胶体阻尼层88靠近输出管811的一端还设有一活塞817。
[0074]由于外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82间距很小且由支柱814固定连接，在压力 脉动垂直作用于薄壁时，内外壁产生近乎一致的形变，胶体阻尼层厚度几乎保持不变，对压 力脉动没有阻尼作用;胶体阻尼层88的活塞817只感应水平方向的流量脉动，流量脉动增强 时，活塞817受压使胶体阻尼层收缩，挤压作用使得胶体阻尼层88中的水由纳米级输送通道 进入微米级中央空隙;流量脉动减弱时，活塞817受反压，此时胶体阻尼层膨胀，胶体阻尼层 中的水从中央空隙经通道排出。在此过程中，由于硅胶815微通道吸附的力学效应、通道表 面分子尺度的粗糙效应及化学非均质效应，活塞跟随胶体阻尼层收缩和膨胀过程中做"气-液-固"边界的界面功，从而对流量脉动实现衰减，其实质上是一个并行R型滤波器。该滤波 器相对于一般的液体阻尼器的优势在于:它通过"气-液-固"边界的界面功的方式衰减流量 脉动，可以在不产生热量的情况下吸收大量机械能，且能量消耗不依赖于活塞速度，衰减效 率有了显著提高。
[0075]本发明还能实线工况自适应压力脉动衰减。当液压系统工况变化时，既执行元件 突然停止或运行，以及阀的开口变化时，会导致管路系统的特性阻抗发生突变，从而使原管 道压力随时间和位置变化的曲线也随之改变，则压力峰值的位置亦发生变化。由于本发明 的滤波器的轴向长度设计为大于系统主要压力脉动波长，且滤波器的插入式螺旋异构串联 Η型滤波器的容腔长度、Κ型滤波器的长度和弹性薄壁的长度和滤波器轴线长度相等，保证 了压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围内；而插入式螺旋异构串联Η型滤波器的 锥形阻尼孔86开在弹性薄壁87上，沿轴线方向均匀分布，螺旋异构缠绕的波纹管83和共振 容腔85间的锥形插入管在轴向均匀分布，使得压力峰值位置变化对滤波器的性能几乎没有 影响，从而实现了工况自适应滤波功能。考虑到三种滤波结构轴向尺寸和滤波器相当，这一 较大的尺寸也保证了液压滤波器具备较强的压力脉动衰减能力。
[0076] 采用本发明的压力脉动抑制装置进行液压脉动滤波的方法如下：
[0077] 1)，液压流体通过输入管进入Κ型滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压 力脉动的滤波；
[0078] 2)，通过弹性薄壁87受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤 波；
[0079] 3)，通过插入式螺旋异构串联Η型滤波器，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产 生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波；
[0080] 4)，将滤波器的轴向长度设计为大于液压系统主要压力脉动波长，且插入式串并 联Η型滤波器长度、双管插入式滤波器长度和弹性薄壁87长度同滤波器长度相等，使压力峰 值位置一直处于滤波器的有效作用范围，实现系统工况改变时压力脉动的滤波。
[0081] 所述温控模块1由加热器、冷却器和温度传感器组成。该温控模块1主要目的是为 磁化装置提供最佳的磁化温度约42°C。同时，温度作为最主要的环境噪声，不同的温度会导 致液压管路中的油液介电常数发生显著变化，保持温度恒定即可避免相邻电容传感器受温 度噪声的影响。
[0082] 所述加热器为电加热器，可采用本身带温度检测的重庆金鸿的润滑油加热器。冷 却器可选用表面蒸发式空冷器，兼有水冷和空冷的优点，散热效果好，采用光管，流体阻力 小;冷却器翅片类型为高翅，翅片管选KLM型翅片管，传热性能好，接触热阻小，翅片与管子 接触面积大，贴合紧密，牢固，承受冷热急变能力佳，翅片根部抗大气腐蚀性能高;空冷器的 管排数最优为8。温度传感器采用铂电阻温度传感器。
[0083] 所述磁化装置2能将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，并使微米级的磨损微粒 聚合成大颗粒，可提高相邻电容传感器的输出信号强度。同时，由电磁学理论可知，磁场强 度越大，对铁磁性颗粒的吸引力也就越大，大尺寸的铁微粒移动速度比小尺寸的铁微粒快 得多，将磨损微粒聚合成大颗粒也便于后续分离。
[0084] 油液中携带的胶质颗粒和气泡的介电常数和液压油以及磨损颗粒的介电常数都 不相同，为了避免对后面的相邻电容传感器监测造成影响，需要设计非均匀磁场分解或去 除胶质颗粒和气泡。
[0085] 根据磁场使分子取向排列论，当油液流过磁场时，磁场对油液中的胶质颗粒的运 动会产生一定的影响，使得胶质颗粒在管路中作有序流动，减少了胶质颗粒的相互连接，从 而起到分离胶质颗粒的降粘作用。同时，磁化的颗粒之间存在着内聚力，此力限制了气泡的 形成和长大。无气泡时油液中的磁力线分布均匀，处于磁稳状态。当油液中有气泡时，气泡 局部的磁力线发生弯由，弯曲的磁力线有恢复成原来均匀、平行、稳定状态的趋势，因而产 生指向气泡中心的磁张力，此力能限制气泡的长大。
[0086] 但磁场太强或太弱都很难取得好的磁处理效果。当磁感应强度在某一值附近时， 磁处理具有最佳效果。同样，温度太高和太低降粘效果都不好。液压油中的胶质颗粒的分解 降粘需要一定的温度和磁场强度，典型值为磁场强度在200mT左右，温度约42°C。设计非均 匀磁场时要考虑到磁场的边缘效应所造成的影响，磁感应强度应设计为在油液流入的一端 较强，而在油液流出的一端较弱，满足油液流出端，降低磁场、减轻边缘效应影响的要求，同 时保证在油液的流入端的磁化效果。
[0087]本发明的磁化装置由铝质管道21、若干绕组22、铁质外壳23、法兰24以及若干磁化 电流输出模块25组成。其中，所述铝质管道21使油液从其中流过而受到磁化处理，且铝的磁 导率很低，可以使管道21中获得较高的磁场强度。
[0088] 所述若干绕组22分别绕在铝质管道21外，由直径为1.0mm左右的铜丝涂覆绝缘漆 制成。各绕组22都是相互独立设置的，分别由相应的磁化电流输出模块25控制，其中电流根 据系统需要各不相同。由于每圈绕组22相互独立，其引出端会造成该线圈组成的电流环不 是真正的"圆"，而是有个缺口，这会造成铝质管道21内磁场的径向分布不均匀，从而影响磁 化效果。为解决此问题，本创作的每圈绕组22都由正绕组26和逆绕组27组成，目的是为了产 生同极性方向的磁场并同时弥补缺口造成的磁场不均衡。正绕组和逆绕组内的电流大小相 等。在铝质管道21轴线方向上排列有多对正逆绕组，通过不同的电流，用以形成前述要求的 非均勾磁场。
[0089] 所述铁质外壳23包覆于铝质管道21上，铁质的材料会屏蔽掉大部分的磁通。所述 法兰24焊接在铝质管道21的两端。
[0090] 每一磁化电流输出模块25连接至一绕组22,并由ECU 10控制，其利用数字电位计 具有和ECU 10实时通讯并实时修改阻值的特点，实现非均匀磁场的实时控制。所述磁化电 流输出模块25使用的数字电位计为AD5206,具有6通道的输出，可以和ECU之间实现单总线 数据传输。ECU通过单总线实现对磁化绕组的多块磁化电流输出模块的电流设定和恒定输 出。运放AD8601和M0S管2N7002通过负反馈实现了高精度的电压跟随输出。恒定大电流输出 采用了德州仪器(TI)的高电压、大电流的运放0ΡΑ 549。
[0091] 所述离心装置3使油液在离心作用下，质量较大的磁化颗粒被甩向腔壁，而油液中 的气泡则在离心力作用下移向管道的中心轴线处，其选用旋流离心模块3。
[0092] 所述旋流离心模块3采用沿程起旋的方式，其设计原理如下:在管道中设置一定高 度和长度的扭曲的导流片，并使叶面切线与轴线成一定角度，因管流边界发生改变可使流 体产生圆管螺旋流，该螺旋流可分解为绕管轴的周向流动和轴向平直流动，流体中携带的 颗粒物产生偏轴线向心螺旋运动。该旋流离心模块3由旋流管壁31、第一导流片32、第二导 流片33、步进电机34以及流量传感器35等几部分组成，所述步进电机34和流量传感器35电 性连接至E⑶10。
[0093]其中，所述第一导流片32设有3片，该3片第一导流片32沿管壁31内圆周隔120°均 匀分布，其安放角（第一导流片32和旋流管壁31之间的夹角）设为18°，以保证最佳切向流 动。所述第二导流片33和第一导流片32结构相同，其设置在第一导流片32后，并和第一导流 片32错开60°连接在管壁31内，其安放角设为36°C，用于减少阻力并加大周向流动的强度。 另外，可根据实际分离效果同样再设置第三或更多的导流片，安放角逐次增加。所述步进电 机34连接并驱动第一导流片32和第二导流片33,以调节安放角，从而可获得更好的离心效 果，获知使导流片32、33适应不同的工况。所述流量传感器35设置在管壁31内的中央，EOT 10通过读取流量传感器35的数值分析旋流分离效果，并据此控制步进电机34,步进电机34 调节各导流片32、33的安放角，以获得更加分离效果。
[0094]进一步的，所述第一导流片32的长边与管壁31相连，短边33沿管壁31的轴线延伸； 为减小阻力，其前缘挫成钝形；为避免绕流，后缘加工成翼形；其高度为管壁31直径的0.4 倍，使形成的螺旋流具有较大的强度;长度为管壁31直径的1.8倍，以保证较大的对油液的 作用范围。
[0095]所述旋转磁场装置4由铝质管道41、铁质外壳42、三相对称绕组43、法兰44以及三 相对称电流模块45组成。所述三相对称绕组43绕在铝质管道41外。所述铁质外壳42包覆于 铝质管道41上。所述法兰44焊接在铝质管道41的两端。所述三相对称电流模块45连接所述 三相对称绕组43,并由E⑶10控制。
[0096] 所述旋转磁场装置4的工作原理如下：由于聚合大颗粒的绝对质量较小，经旋流离 心模块3初步离心后，磁化聚合大颗粒虽已被甩离管道轴线，但尚未接近管壁，需要进行二 次离心。磁化聚合大颗粒随油液进入所述旋转磁场装置4后，三相对称绕组43中流过三相对 称电流，该电流在铝质管道41内产生旋转磁场。磁化颗粒在旋转磁场作用下受到磁场力的 作用，并在该力的作用下以螺旋状前进，同时向铝质管道41管壁运动。合理调节磁场强度即 可使油液中的颗粒从油液中"分离"出来，聚集在铝质管道41管壁附近，便于后续吸附。
[0097] 所述吸附模块5用于吸附经旋转磁场装置4离心后聚集在管壁附近的磁化聚合大 微粒。所述吸附模块5采用同极相邻型吸附环时，该同极相邻型吸附环由铝质环形管道51、 正向螺线管52、反向螺线管53以及铁质导磁帽54等部件组成。其中，所述正向螺线管52和反 向螺线管53分别布置于铝质环形管道51内并由ECU 10控制，两者通有方向相反的电流，使 得正向螺线管52和反向螺线管53相邻处产生同性磁极。所述铁质导磁帽54布置于铝质环形 管道51的内壁上，其位于正向螺线管52和反向螺线管53相邻处、以及正向螺线管52和反向 螺线管53轴线的中间点。
[0098]所述同极相邻型吸附环的设计原理如下：吸附环内部有多个带铁芯的通电螺线 管，相邻的螺线管线圈通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同 性磁极。同时，正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线中间点 的吸附环内壁处设有铁质导磁帽，呈条状和吸附环轴线平行，吸附环的外壳为顺磁性铝质 外管壁，这种设置有利于改善磁路，加大吸附环内壁处的磁场强度，增强对颗粒的捕获吸附 能力。各螺线管电流由ECU直接控制，可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化，以获得最 佳吸附性能。吸附完成后，ECU控制电磁铁断电，顺磁性铝质管道失去磁性，附着在管道内壁 上磁性聚合大颗粒随油液沿管壁进入相邻电容微粒监测模块。
[0099]进一步的，所述吸附装置5也可采用带电击锤的同极相邻型吸附环时，该带电击锤 的同极相邻型吸附环由铝质环形管道51、正向螺线管52、反向螺线管53、铁质导磁帽54、隔 板55、电击锤56以及电磁铁57等部件组成。其中，所述正向螺线管52和反向螺线管53分别布 置于铝质环形管道51内并由ECU 10控制，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管52和 反向螺线管53相邻处产生同性磁极。所述铁质导磁帽54布置于铝质环形管道51的内壁上， 其位于正向螺线管52和反向螺线管53相邻处、以及正向螺线管52和反向螺线管53轴线的中 间点。所述电击锤56和电磁铁57位于隔板55之间。所述电磁铁57连接并能推动电击锤56,使 电击锤56敲击铝质环形管道52内壁。所述ECU 10电性连接并控制正向螺线管52、反向螺线 管53和电磁铁57。
[0100] 所述带电击锤的同极相邻型吸附环的设计原理如下：吸附环内部有多个带铁芯的 通电螺线管，相邻的螺线管线圈通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻 处产生同性磁极。同时，正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴 线中间点的吸附环内壁处设有铁质导磁帽，呈条状和吸附环轴线平行，吸附环的外壳为顺 磁性铝质外管壁，这种设置有利于改善磁路，加大吸附环内壁处的磁场强度，增强对颗粒的 捕获吸附能力。各螺线管电流由ECU直接控制，可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化， 以获得最佳吸附性能。相邻螺线管之间还设有由电磁铁控制的电锤，两端通过隔板和螺线 管磁隔离。这一电击锤的设置用于防止颗粒在铁质导磁帽处大量堆积，影响吸附效果。此 时，通过电磁铁控制电锤敲击吸附环的内壁，使得被吸附的颗粒向两侧分散开。同时，在清 洗吸附环时，电击锤的敲击还可以提高清洗效果。吸附完成后，通过电磁铁控制电锤敲击吸 附环的内壁，使得被吸附的颗粒向两侧分散开，随后ECU控制电磁铁断电，顺磁性铝质管道 失去磁性，附着在管道内壁上磁性聚合大颗粒随油液沿管壁进入相邻电容微粒监测模块。
[0101] 请参阅说明书附图15-1至附图15-4所示，所述相邻电容微粒监测模块6在线监测 液压管路中磨损微粒状况。所述相邻电容微粒监测模块6由有机玻璃内壁61、接地屏蔽层 62、接收极板63、激励极板64以及外壁65等几部分组成。其中，所述机玻璃内壁61、接地屏蔽 层62和外壁65呈管状结构，并依次自内而外设置。
[0102] 所述机玻璃内壁61的厚度为0.5mm，介电常数为2.5 (液压油的介电常数约2.1左 右），和液压油的介电常数接近，因此边缘电容为固定值；当有机玻璃内壁表面堆满磁化聚 合大颗粒时，磁化聚合大颗粒、液压油与有机玻璃内壁形成混合电介质，对传感器边缘电容 共同作用，磁化聚合大颗粒的介电常数通常大于10,是液压油和有机玻璃内壁的介电常数 的数倍，足够引起电容传感器边缘电容的明显变化，因此可利用相邻电容传感器电容值的 变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进而实现对磨损微粒的实施监测。
[0103] 基于电容边缘效应的相邻电容传感器性能主要取决于穿透深度(电场线的穿透深 度）、信号强度（电容值的大小）以及噪声抑制、测量灵敏度(对电压变化或电场变化的灵敏 度)和传感器的测量动态范围。现有的相邻电容传感器测量得到的电容值很微弱，通常为PF 级甚至更小，对金属微粒等低介电常数的介质的测量效果则更差，因此提升传感器输出信 号强度尤为关键。同时，信号强度和穿透深度两个指标是相互冲突的，这也是该传感器性能 提升难点。
[0104] 相邻电容传感器信号强度与传感器极板面积，极板间距，以及传感器与待测物体 间的距离，待测物的介电常数都有着很大的关系。经磁化聚合、离心和吸附处理的磨损微粒 在有机玻璃内壁表面聚集，颗粒数量的增加导致油液介电常数的增大，颗粒聚合带来的粒 径增大也使得油液介电常数的增大，同时磁化也有增加介电常数的功能，三者同时作用，大 大加强了信号强度;而又由于颗粒紧贴有机玻璃内壁表面，对穿透深度要求几乎为零，也解 决了指标冲关问题。
[0105] 由于相邻电容传感器输出信号强度非常微弱，噪声对测量结果的影响显著。通常 噪声主要来源于两方面，传感器自身的噪声和环境噪声。为此设计了接地屏蔽层来降低传 感器自身噪声，接地屏蔽层62的介电常数为1.5-2.5，屏蔽层厚度为相邻电容传感器外壁65 厚度的1到2倍之间为佳，以保证测量灵敏度。
[0106] 所述接收极板63、激励极板64嵌设在接地屏蔽层62上，并位于机玻璃内壁61外侧， 两者之间形成间隙磁场66,用于检测聚合颗粒67。所述接收极板63、激励极板64均采用有效 边缘长且结构复杂的皮亚诺曲线结构极板层。该皮亚诺曲线结构极板层中，激励极板63、接 收极板64组成的曲线能遍历正方形极板层中所有的点，得到一条充满整个正方形极板层空 间的曲线。在极板层面积固定的情况下，该结构具有最长有效边缘、最大极板面积和最复杂 结构，增加了有效极板面积与极板边缘，增加了传感器边缘电容值，降低了对外部接口电路 灵敏度的要求。由此可获得最佳信号强度，传感器激励极板与接收极板采用弧形边缘也避 免了极板拐角处的高灵敏性与不稳定性。进一步的，所述接收极板63、激励极板64两者之间 设有隔离层69;所述隔离层69的宽度为有机玻璃内壁厚度的0.8-1倍，其能有效的将接收极 板63、激励极板64隔离。
[0107] 所述消磁模块7的一端设有油液出口 92，其由剩磁传感器和消磁器组成。由于磁滞 现象的存在，当铁磁材料磁化到饱和状态后，即使撤消外加磁场，材料中的磁感应强度仍回 不到零点，需要外加磁场消磁。为了防止磁化微粒进入液压回路，对污染敏感液压元件造成 损伤，所述消磁模块7根据消磁器出口处剩磁传感器的检测值控制消磁器的消磁强度。此处 采用的消磁方法为电磁退磁，方法是通过加一适当的反向磁场，使得材料中的磁感应强度 重新回到零点，且磁场强度或电流必须按顺序反转和逐步降低。
[0108] 请参阅说明书附图16所示，所述磨损微粒在线监测装置进一步包括所述ECU 10， 其可选择Microchip公司的PIC 16F877。所述滤波器8、剩磁传感器、消磁器、加热器、冷却 器、温度传感器、磁化电流输出模块25、机械离心模块3、旋转磁场离心模块4、吸附模块5、相 邻电容微粒监测模块6均电性连接至E⑶上，并受E⑶控制。
[0109] 采用上述磨损微粒在线监测装置对液压有中的磨损微粒监测包括如下方法：
[0110] 1)，液压管路中的油液携带磨损微粒通过滤波器8,通过滤波器8衰减液压系统中 的高、中、低频段的脉动压力，以及抑制流量波动；
[0111] 2)，通过温控模块控制油液温度恒定在42°C ;
[0112] 3)，磁化模块2将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，使微米级的磨损微粒聚合成 大颗粒
[0113] 4)，磁化聚合颗粒在机械离心模块3中初步离心；
[0114] 5)，旋转磁场模块4对磁化聚合颗粒进行二次离心；
[0115] 6)，吸附模块5吸附经旋转磁场模块4离心后聚集在管壁附近的磁化聚合大微粒；
[0116] 7)，通过相邻电容微粒监测模块6在线监测液压管路中磨损微粒状况
[0117] 8)，消磁模块7给磁化颗粒消磁，防止磁化微粒进入液压回路，对污染敏感液压元 件造成损伤。
[0118] 以上的【具体实施方式】仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创 作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之 内。
【主权项】
1. 一种用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在于:其采用一种监 测设备，该设备包括滤波器、温控模块、磁化模块、机械离心模块、旋转磁场离心模块、吸附 模块、相邻电容微粒监测模块以及消磁模块;其中，所述滤波器、温控模块、磁化模块、机械 离心模块、旋转磁场离心模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块和消磁模块依次连接;所 述滤波器的一端设有油液入口，其包括输入管、外壳、输出管、波纹管、弹性薄壁以及胶体阻 尼层;其中，所述输入管连接于外壳的一端;所述输出管连接于外壳的另一端，其延伸入外 壳内；所述输入管、输出管和弹性薄壁共同形成一 K型滤波器;所述弹性薄壁和外壳之间形 成圆柱形的共振容腔;所述弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔，锥形阻尼孔连通 共振容腔;所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通;所 述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关;所述波纹管和共振容腔组成插入 式螺旋异构串联Η型滤波器;所述消磁模块的一端设有油液出口，其由剩磁传感器和消磁器 组成； 其包括如下步骤： 1)，液压管路中的油液携带磨损微粒通过滤波器，通过滤波器衰减液压系统中的高、 中、低频段的脉动压力，以及抑制流量波动； 2 )，通过温控模块控制油液温度恒定在42 °C ; 3) ，磁化模块将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，使微米级的磨损微粒聚合成大颗 粒 4) ，磁化聚合颗粒在机械离心模块中初步离心； 5) ，旋转磁场模块对磁化聚合颗粒进行二次离心； 6) ，吸附模块吸附经旋转磁场模块离心后聚集在管壁附近的磁化聚合大微粒； 7) ，通过相邻电容微粒监测模块在线监测液压管路中磨损微粒状况 8) ，消磁模块给磁化颗粒消磁。2. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上;所述锥形阻尼孔开口较宽处位于共振容 腔内，其锥度角为10° ;所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内，其锥度角为10° ;所述锥 形插入管和锥形阻尼孔的位置相互错开;所述胶体阻尼层的内层和外层分别为外层弹性薄 壁和内层弹性薄壁，外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间由若干支柱固定连接;所述外层弹 性薄壁和内层弹性薄壁之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水，纯净水内悬浮有多孔硅 胶;所述胶体阻尼层靠近输出管的一端和外壳相连;所述胶体阻尼层靠近输出管的一端设 有一活塞。3. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述温控模块包括加热器、冷却器和温度传感器;所述加热器采用带温度检测的重庆金 鸿的润滑油加热器;所述冷却器选用表面蒸发式空冷器，冷却器的翅片管选KLM型翅片管； 温度传感器采用铂电阻温度传感器。4. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述磁化模块包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳、法兰以及若干磁化电流输出模块;其 中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外，各绕组由正绕组和逆绕组组成，正绕组和逆绕组内 的电流大小相等;所述铁质外壳包覆于铝质管道上;所述法兰焊接在铝质管道的两端;每一 磁化电流输出模块连接至一绕组。5. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述机械离心模块采用旋流离心模块;所述旋流离心模块包括旋流管壁、第一导流片、 第二导流片、步进电机以及流量传感器;其中，所述第一导流片设有3片，该3片第一导流片 沿管壁内圆周隔120°均匀分布，其安放角设为18°;所述第二导流片和第一导流片结构相 同，其设置在第一导流片后，并和第一导流片错开60°连接在管壁内，其安放角设为36°C ;所 述第一导流片的长边与管壁相连，短边沿管壁的轴线延伸;其前缘挫成钝形，后缘加工成翼 形，其高度为管壁直径的0.4倍，长度为管壁直径的1.8倍;所述步进电机连接并驱动第一导 流片和第二导流片，以调节安放角;所述流量传感器设置在管壁内的中央。6. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述旋转磁场离心模块包括铝质管道、铁质外壳、三相对称绕组、法兰以及三相对称电 流模块;所述三相对称绕组绕在铝质管道外;所述铁质外壳包覆于铝质管道上;所述法兰焊 接在铝质管道的两端;所述三相对称电流模块连接所述三相对称绕组。7. 如权利要求6所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述吸附模块采用同极相邻型吸附环;所述同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向 螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形 管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极;所 述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以 及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点。8. 如权利要求6所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述吸附模块采用带电击锤的同极相邻型吸附环;所述带电击锤的同极相邻型吸附环 包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管、铁质导磁帽、隔板、电击锤以及电磁铁;所述 正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正 向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极;所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁 上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点； 所述隔板位于正向螺线管和反向螺线管之间；所述电击锤和电磁铁位于隔板之间；所述电 磁铁连接并能推动电击锤，使电击锤敲击铝质环形管道内壁。9. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:所述相邻电容微粒监测模块包括有机玻璃内壁、接地屏蔽层、接收极板、激励极板以及 外壁;其中，所述机玻璃内壁、接地屏蔽层和外壁呈管状结构，并依次自内而外设置;所述机 玻璃内壁的厚度为〇.5mm，介电常数为2.5;所述接地屏蔽层的介电常数为1.5-2.5,厚度为 外壁厚度的1到2倍;所述接收极板、激励极板嵌设在接地屏蔽层上，并位于机玻璃内壁外 侧;所述接收极板、激励极板均采用皮亚诺曲线结构极板层，两者之间设有隔离层;所述隔 离层的宽度为有机玻璃内壁厚度的0.8-1倍。10. 如权利要求1所述的用滤波、电磁离心和相邻电容的磨损微粒监测方法，其特征在 于:其进一步包括一 ECU，所述滤波器、剩磁传感器、消磁器、加热器、冷却器、温度传感器、磁 化电流输出模块、机械离心模块、旋转磁场离心模块、吸附模块和相邻电容微粒监测模块均 电性连接至E⑶上。
【文档编号】G01N15/06GK106018219SQ201610313328
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】李伟波
【申请人】李伟波