一种旋流磨损颗粒检测传感器及其分散效果分析方法与流程

本发明涉及磨损检测设备技术领域，特别是涉及一种旋流磨损颗粒检测传感器及其分散效果分析方法。

背景技术：

机械设备工作过程中，零部件的磨损是不可避免的。磨损现象的产生不仅会降低设备的工作效率，还会影响其使用寿命。相关研究表明，由元件磨损引起的机械故障是影响机械设备正常运行的重要因素之一，机械设备中不同种类的摩擦副间发生相对运动时会产生大量的磨损颗粒，这些磨损颗粒随润滑油液在机械系统中运动时，会进一步加剧设备磨损程度，并最终导致严重机械故障的发生。此外，磨损颗粒作为磨损现象的产物，包含了丰富的设备磨损状态信息，因此，为了预防元件过度磨损引发的严重机械故障、提高设备运行可靠性和安全性、降低维护与维修成本，对机械系统磨损状态进行在线监测与评估具有重要意义。

现有技术中机械系统磨损状态监测过程中一般需用到电磁式磨损颗粒检测传感器，且因其结构形式简单、温度稳定性好、抗背景噪声能力强、可靠性高等特点被广泛研究和应用。电磁式磨损颗粒检测传感器通过检测磨损颗粒引起的磁场扰动程度估计磨损颗粒粒度及材料属性，由于磨损颗粒随润滑油液运动并通过检测传感器时会受到流体力及电磁力的综合作用而产生聚合效应，聚合效应会使多颗磨损颗粒聚集在一起形成颗粒团(多铁磁性磨损颗粒团、多非铁磁性磨损颗粒团、多混合材料磨损颗粒团)，在磨损颗粒检测过程中，若多颗磨损颗粒以颗粒团的形式同时通过传感器检测区域，颗粒团内部会产生磁耦合效应，并改变检测传感器内部磁场扰动程度。其中，同种材料属性(均为铁磁性或均为非铁磁性)的磨损颗粒团会加剧传感器内磁场扰动，而导致传感器输出严重偏大的异常磨损信号，造成磨损状态的误报故障；不同材料属性(铁磁性和非铁磁性混合)的磨损颗粒团则会削弱传感器内的磁场扰动，而导致传感器输出偏小的异常磨损信号，造成磨损状态的漏报故障。

目前，国内外研究机构围绕磨损颗粒团分散开展了大量的科学研究工作。所采用的主要方法包括：高梯度磁场分离技术及磁泳技术。但二者附加的外磁场均会改变电磁式磨损颗粒检测传感器内部磁场，进而会显著降低传感器检测灵敏度和准确度。而由于机械设备中大量零部件由铁或钢材料构成，因此，机械系统润滑油液中铁磁性磨损颗粒数量远大于非铁磁性磨损颗粒的数量。同时，由于铁磁性磨损颗粒在磁场的作用下会迅速磁化，因此磨损颗粒间会产生更大的磁力，使得其随着润滑油液通过传感器时会更容易产生团聚效应。且研究表明同等粒度、同等间距的铁磁性颗粒团和非铁磁性颗粒团以相同姿态通过磨粒检测传感器时，铁磁性颗粒间磁耦合效应最强，对检测线圈检测到的磁场有较大的增强效应，所导致的颗粒检测结果误差也最为明显。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种旋流磨损颗粒检测传感器及其分散效果分析方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高磨损颗粒检测传感器的检测灵敏度和准确度，降低磨损故障检测过程中磨损颗粒检测传感器的漏报和误报概率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种旋流磨损颗粒检测传感器，包括湍流分离区和磨粒检测区，所述湍流分离区为一带有空腔的圆盘，所述圆盘的内壁为圆柱面，所述圆盘的侧壁处设置有向外突出的延伸管，所述延伸管上开设有油液入口，所述油液入口偏置设置于所述圆盘上，所述圆盘上设置有油液出口，所述油液出口与所述磨粒检测区的进口连通。

优选的，所述油液出口的中心线与所述油液入口的中心线相互垂直，所述油液出口设置在所述圆盘的底面上且与所述圆盘共轴线。

优选的，所述圆盘的所述底面上固定且连通有锥型罩，所述油液出口通过所述锥型罩与所述磨粒检测区的进口连通，所述磨粒检测区的外壁上开设有凹槽，所述凹槽中用于绕设检测线圈。

优选的，所述圆盘侧壁的另一处设置有向外突出的连接管，所述油液出口设置在所述连接管上，所述连接管上套设有检测线圈，所述延伸管连与所述接管平行。

优选的，所述延伸管和所述连接管的厚度均与所述圆盘的厚度相等，所述延伸管的外壁和所述连接管的外壁与所述圆盘中心的间距相等。

本发明还提供了一种旋流磨损颗粒检测传感器的分散效果分析方法，应用上述所述的旋流磨损颗粒检测传感器，并包括以下分析步骤：

第一步，判断湍流分离区内润滑油液的流动状态：

将润滑油液经油液入口通入圆盘，利用如下公式计算润滑油液的雷诺数，

式中，ρ为润滑油液密度，ν为润滑油液速度，d为磨损颗粒检测传感器的管路直径，μ为润滑油液动力粘度，根据润滑油液的雷诺数判断湍流分离区内润滑油液的流动状态；

第二步，对润滑油液中磨损颗粒团的分散效果进行仿真：

所述的旋流磨损颗粒检测传感器用于对润滑油液中的磨损颗粒进行检测，机械设备初期异常磨损阶段产生的磨损颗粒直径为50～100μm，且磨损颗粒在润滑油液中体积分数低于10％，所以在磨损颗粒团的分散研究过程中将各磨损颗粒均视为离散相，采用欧拉-拉格朗日方法对磨损颗粒的受力及运动情况进行建模，同时综合考虑各湍流模型的特点，选用κ-ε模型，并通过求解湍流变量得到湍流涡流和平均涡寿命引起的速度脉冲，进而与拉格朗日颗粒模型进行耦合，以对润滑油液中磨损颗粒团的分散效果进行仿真；其中，对于稳态不可压缩流动，使用κ-ε湍流模型时所求解的方程为

湍动能产生项pk为：

式中：ρ为润滑油液流体密度，μ为润滑油液流体速度，κ为湍动能，ε为湍动能耗散系数，为湍流粘性系数，f为外部力；

第三步，对湍流分离区中旋流状态下的磨损颗粒进行仿真：

当润滑油液通过油液入口进入湍流分离区中呈旋流运动状态时，对旋流运动状态下的磨损颗粒的受力情况进行建模，且不考虑其他固体颗粒对磨损颗粒团的碰撞效应以及在流体中的旋转，此时，金属磨损颗粒在旋流磨损颗粒检测传感器中运动时受到重力、浮力、流体曳力、液桥力及和saffman力的综合作用，各独立磨损颗粒的运动方程均由牛顿第二定律进行描述，

式中：mp为磨损颗粒质量，qi为磨损颗粒i的位置，fmi为磨损颗粒i所受磁力，fgi为磨损颗粒i所受重力，fμi为磨损颗粒i所受浮力，κ为磨损颗粒系统中颗粒数量，fcont,i为磨损颗粒i所受的来自其他颗粒的接触力(液桥力)，fdi为磨损颗粒i所受流体的拖曳力，fsi为磨损颗粒i所受saffman力；

对磨损颗粒团的分散效果进行仿真时需耦合麦克斯韦方程组对多个磨损颗粒团中磁感应强度分布进行计算，

并得到了磨损颗粒团内的电磁力

磨损颗粒团自身重力fg及浮力fu分别为：

固体颗粒在流体中运动并相互碰撞时形成动态液桥，当流体粘度较高或颗粒运动速度较低时，多颗粒间碰撞产生的反弹力不足以完全克服液桥力，此时运动的固体颗粒会被彼此俘获而形成颗粒团，研究表明颗粒团内液桥力表征为：

fl＝fcap+fvis(13)

式中：为毛细管力，为粘性耗散力，γ为液体表面张力，

球体颗粒在流体中所受的拖曳力表征为：

式中：μ为磨损颗粒位置处的流体流速，ν为磨损颗粒运动速度，τp为磨损颗粒松弛时间(si单位：s)

式中：ρp为磨损颗粒密度，dp为磨损颗粒直径，ρ为润滑油液流体密度，cd为曳力系数；

曳力系数cd的确定取决于流体中颗粒的相对雷诺数rer，当磨损颗粒为球形时，相对雷诺数表征为：

当磨损颗粒相对雷诺数rer＜＜1时，适用于斯托克斯曳力定律，此时曳力系数及磨损颗粒松弛时间分别表征为：

磨损颗粒在有速度梯度的流场中运动时，由于磨损颗粒上下部分的流速差异，导致磨损颗粒会受到一个沿垂直方向的作用力，当磨损颗粒上部的速度大于磨损颗粒下部的速度时，该力的合力表现为向上的升力，该力即为saffman力，如方程(19)

优选的，所述第一步中，正常工作时润滑油液温度高于90℃，计算过程中取90℃下的油液动力粘度μ＝0.025pa·s，此外，旋流磨损颗粒检测传感器安装于回油管路中，润滑油液的最大流速为4m/s，且圆盘的内径取为16mm。

优选的，模型方程(2)-(6)中各无量纲常数数值分别为：

cμ＝0.09,cz1＝1.44,cz2＝1.92,σz＝1.3,σk＝1.0(7)。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将磨损颗粒检测传感器的内部区域分为湍流分离区和磨粒检测区，改进湍流分离区的结构，使润滑油液在磨损颗粒检测传感器流道内呈现旋流运动方式，聚集的磨损颗粒团在离心力、速度梯度力等的作用下实现有效分散，以保证各磨损颗粒独立通过磨损颗粒检测传感器的磨粒检测区，以显著提高磨损颗粒检测传感器的检测灵敏度和准确度，降低磨损故障检测过程中磨损颗粒检测传感器的漏报和误报概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明旋流磨损颗粒检测传感器的结构示意图(管状流道)；

图2为本发明旋流磨损颗粒检测传感器的剖视图(管状流道)；

图3为旋流磨损颗粒检测传感器内润滑油液流动状态的仿真示意图(管状流道)；

图4为磨损颗粒团在旋流磨损颗粒检测传感器中运动情况的仿真示意图(管状流道)；

图5为磨损颗粒团在湍流分离区内运动时外层颗粒团所受的电磁力随时间的变化图(管状流道)；

图6为本发明旋流磨损颗粒检测传感器的结构示意图(片状流道)；

图7为旋流磨损颗粒检测传感器内润滑油液流动状态的仿真示意图(片状流道)；

图8为磨损颗粒团在湍流分离区内运动时外层颗粒团所受的电磁力随时间的变化图(片状流道)；

其中：1-湍流分离区，2-磨粒检测区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图8所示：本实施例提供了一种旋流磨损颗粒检测传感器，包括湍流分离区1和磨粒检测区2，湍流分离区1为一带有空腔的圆盘，圆盘的内壁为圆柱面，圆盘的侧壁处设置有向外突出的延伸管，延伸管上开设有油液入口，油液入口偏置设置于圆盘上，圆盘上设置有油液出口，油液出口与磨粒检测区2的进口连通，旋流磨损颗粒检测传感器主要分为管状流道和片状流道，本实施例将两种旋流磨损颗粒检测传感器的湍流分离区1均设置为一圆盘，且油液入口偏置设置于圆盘上。将磨损颗粒检测传感器的内部区域分为湍流分离区1和磨粒检测区2，改进湍流分离区1的结构，使润滑油液从偏置的油液入口进入并在圆盘内实现旋流运动，同时如图3和图7所示，湍流分离区1内呈现明显的高速流区和低速流区，不同流速区域间的速度梯度有助于实现润滑油液中磨损颗粒团的分散，从而团聚的磨损颗粒团在旋流中受到离心力及速度梯度力的作用而实现有效分散，以保证各磨损颗粒独立通过磨损颗粒检测传感器的磨粒检测区2，以显著提高磨损颗粒检测传感器的检测灵敏度和准确度，降低磨损故障检测过程中磨损颗粒检测传感器的漏报和误报概率。

本实施例优选的，如图1和图2所示，旋流磨损颗粒检测传感器具有管状流道，油液出口的中心线与油液入口的中心线相互垂直，油液出口设置在圆盘的底面上且与圆盘共轴线。圆盘的底面上固定且连通有锥型罩，油液出口通过锥型罩与磨粒检测区2的进口连通，磨粒检测区2的外壁上开设有凹槽，凹槽中用于绕设检测线圈，以给监测线圈提供安装位置。延伸管的外壁与圆盘中心的间距等于圆盘的外径，使润滑油液能够达到较好的旋流效果，以达到较明显的速度梯度。

或者，如图6所示，旋流磨损颗粒检测传感器具有片状流道，圆盘侧壁的另一处设置有向外突出的连接管，油液出口设置在连接管上，连接管上套设有检测线圈，延伸管连与接管平行。延伸管和连接管的厚度均与圆盘的厚度相等，延伸管的外壁和连接管的外壁与圆盘中心的间距相等，且等于圆盘的外径，从而使润滑油液能够达到较好的旋流效果，以达到较明显的速度梯度。

另外磨粒检测区2的结构采用平行三线圈式磨损颗粒传感器，其具体结构已经在公开号为cn107340544a的专利中公开，在此不再赘述。

本实施例还提供了一种旋流磨损颗粒检测传感器的分散效果分析方法，应用上述的旋流磨损颗粒检测传感器，并包括以下分析步骤：

第一步，判断湍流分离区1内润滑油液的流动状态：

将润滑油液经油液入口通入圆盘，利用如下公式计算润滑油液的雷诺数，

式中，ρ为润滑油液密度，ν为润滑油液速度，d为磨损颗粒检测传感器的管路直径，μ为润滑油液动力粘度，根据润滑油液的雷诺数判断湍流分离区1内润滑油液的流动状态；优选的，第一步中，正常工作时润滑油液温度高于90℃，计算过程中取90℃下的油液动力粘度μ＝0.025pa·s，此外，旋流磨损颗粒检测传感器安装于回油管路中，润滑油液的最大流速为4m/s，且圆盘的内径取为16mm，具体的润滑油液采用装甲车辆专用传动润滑油(rp-4652d)，从而可计算出雷诺数为2240，湍流分离区1内润滑油液处于湍流状态；具体如图3和图7的仿真示意图所示，能够直观的观察到湍流分离区1内呈现明显的高速流区和低速流区，不同流速区域间的速度梯度有助于实现润滑油液中磨损颗粒团的分散，从而团聚的磨损颗粒团在旋流中受到离心力及速度梯度力的作用而实现有效分散；

第二步，对润滑油液中磨损颗粒团的分散效果进行仿真：

本实施例中的旋流磨损颗粒检测传感器主要用于对润滑油液中的磨损颗粒进行检测，机械设备初期异常磨损阶段产生的磨损颗粒直径为50～100μm，且磨损颗粒在润滑油液中体积分数低于10％，所以在磨损颗粒团的分散研究过程中将各磨损颗粒均视为离散相，采用欧拉-拉格朗日方法对磨损颗粒的受力及运动情况进行建模，同时综合考虑各湍流模型的特点，选用κ-ε模型，并通过求解湍流变量得到湍流涡流和平均涡寿命引起的速度脉冲，进而与拉格朗日颗粒模型进行耦合，以对润滑油液中磨损颗粒团的分散效果进行仿真；其中，对于稳态不可压缩流动，使用κ-ε湍流模型时所求解的方程为

湍动能产生项pk为：

式中：ρ为润滑油液流体密度，μ为润滑油液流体速度，κ为湍动能，ε为湍动能耗散系数，为湍流粘性系数，f为外部力；

优选的，模型方程(2)-(6)中各无量纲常数数值分别为：

cμ＝0.09,cz1＝1.44,cz2＝1.92,σz＝1.3,σk＝1.0(7)。

第三步，对湍流分离区1中旋流状态下的磨损颗粒进行仿真：

当润滑油液通过油液入口进入湍流分离区1中呈旋流运动状态时，对旋流运动状态下的磨损颗粒的受力情况进行建模，且不考虑其他固体颗粒对磨损颗粒团的碰撞效应以及在流体中的旋转，此时，金属磨损颗粒在旋流磨损颗粒检测传感器中运动时受到重力、浮力、流体曳力、液桥力及和saffman力的综合作用，各独立磨损颗粒的运动方程均由牛顿第二定律进行描述，

式中：mp为磨损颗粒质量，qi为磨损颗粒i的位置，fmi为磨损颗粒i所受磁力，fgi为磨损颗粒i所受重力，fμi为磨损颗粒i所受浮力，κ为磨损颗粒系统中颗粒数量，fcont,i为磨损颗粒i所受的来自其他颗粒的接触力(液桥力)，fdi为磨损颗粒i所受流体的拖曳力，fsi为磨损颗粒i所受saffman力；

对磨损颗粒团的分散效果进行仿真时需耦合麦克斯韦方程组对多个磨损颗粒团中磁感应强度分布进行计算，

并得到了磨损颗粒团内的电磁力

磨损颗粒团自身重力fg及浮力fu分别为：

固体颗粒在流体中运动并相互碰撞时形成动态液桥，当流体粘度较高或颗粒运动速度较低时，多颗粒间碰撞产生的反弹力不足以完全克服液桥力，此时运动的固体颗粒会被彼此俘获而形成颗粒团，研究表明颗粒团内液桥力表征为：

fl＝fcap+fvis(13)

式中：为毛细管力，为粘性耗散力，γ为液体表面张力，

球体颗粒在流体中所受的拖曳力表征为：

式中：μ为磨损颗粒位置处的流体流速，ν为磨损颗粒运动速度，τp为磨损颗粒松弛时间(si单位：s)

式中：ρp为磨损颗粒密度，dp为磨损颗粒直径，ρ为润滑油液流体密度，cd为曳力系数；

曳力系数cd的确定取决于流体中颗粒的相对雷诺数rer，当磨损颗粒为球形时，相对雷诺数表征为：

当磨损颗粒相对雷诺数rer＜＜1时，适用于斯托克斯曳力定律，此时曳力系数及磨损颗粒松弛时间分别表征为：

磨损颗粒在有速度梯度的流场中运动时，由于磨损颗粒上下部分的流速差异，导致磨损颗粒会受到一个沿垂直方向的作用力，当磨损颗粒上部的速度大于磨损颗粒下部的速度时，该力的合力表现为向上的升力，该力即为saffman力，如方程(19)

从而利用上述模型进行磨损颗粒分散效应的分析，由于磨损颗粒团随润滑油液通过磨损颗粒检测传感器时，磨损颗粒间会产生电磁力，因此以外层磨损颗粒所受电磁力来表征磨损颗粒团的分散效果。如图5所示，磨损颗粒在湍流分离区1内运动时，外层磨损颗粒所受的电磁力迅速衰减，且在0.006s处几乎衰减至0，此时表明磨损颗粒团得到了有效的分散。再如图8所示，磨损颗粒团在片状流道的磨损颗粒检测传感器内运动时，外层颗粒所受电磁力迅速衰减，且在0.01s处几乎衰减至0，此时表明磨损颗粒团得到了有效的分散。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。