一种重载设备润滑油路的静电信号监测装置

本发明属于一种传感器，具体为一种重载设备润滑油路的静电信号监测装置。

背景技术：

1、航空发动机、采煤机、输送机和齿轮箱等重载设备，在重载、高速、高温条件下运行，这些零部件最常见的失效形式是接触区的高接触应力导致的疲劳裂纹，进一步在滚动表面产生局部损伤，但是裂纹、点蚀、剥落，失效过程发展很快，往往只有短暂的几个小时，因此对这些零部件状态的实时、在线监测与对零部件衰退的早期症兆进行发现、预警和处理具有非常重要的意义。基于静电感应原理用于各类润滑系统(如航空发动机滑油系统)磨粒的在线状态监测始于1997年英国南安普顿大学的wood r j k教授，此项技术通过对发动机润滑油路磨粒中荷电颗粒的电荷水平的监测来实现对发动机涉及油路的工作部件的实时监控，提供油路故障早期预警，从而实现发动机工作状态的在线监测，保证了故障诊断的实时性，有助于油液润滑系统发现预知维修目标。同时，此技术有利于增加视情维修在重载设备维修保障策略中所占的比例，提高维修经济效益和重载设备的健康管理水平。

2、在重载设备油液磨粒静电模拟监测系统中，核心是实时监测润滑油路的微小金属磨粒和非金属磨粒，监测技术是对静电信号的监测和参数获取。作为重载设备油路静电监测系统的核心模块，油路磨粒静电传感器的最终目的是利用监测信号分析重载设备润滑系统部件的磨损情况，并建立其静电监测信号与零部件在不同工况条件下发生摩擦磨损的对应关系，以期通过静电信号对故障的早期征兆敏感，来实现对故障零部件的诊断。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种重载设备润滑油路的静电信号监测装置，有效的解决了上述背景技术中提到的的问题。并且本发明把对航空发动机、输送机、采煤机和齿轮箱等重载设备内部零部件故障的监测转化为对润滑油路磨粒所带静电信号的监测，又针对静电信号难以监测的问题，利用有限元优化仿真分析，设计了一种利用润滑油静电监测重载设备零部件的装置，旨在对设备油路工作部件的静电信号进行实时监测，对设备工作状态的实时监控和故障预警，有利于实现对故障零部件的及时诊断，提高重载设备的健康管理水平。该装置通过安装在传感器上的三个静电信号探极来完成对设备润滑系统油液中的静电信号采集，实现对重载设备油路静电信号的在线监测。

2、重载设备油路故障原因：航空发动机、输送机、采煤机和齿轮箱等重载设备的齿轮和轴承等部件的正常工作是保证其能正常运转的最基本条件。在设备工作过程中，润滑系统及其润滑对象对大型复杂旋转机械系统的安全经济可靠的运行起着非常关键的作用。这些重载设备在正常工作时，零部件处于一种重载、高温、高压、高速的环境中，在零部件表面会发生裂纹、点蚀、剥落等故障现象，从而导致油路部件故障。轴承和齿轮箱等零部件最常见的失效原因是接触区的高接触应力导致的疲劳裂纹，进一步在滚动表面产生局部损伤，如裂纹、点蚀、剥落、失效，从而留下巨大的安全隐患。研究表明润滑系统中因摩擦副磨损产生的磨粒通常携带一定量的电荷，当带电磨粒经过传感器时，根据静电感应原理，由于电荷引起的部分电场线终止于传感器表面，传感器中的电子重新分布，以平衡传感器附近的额外电荷，从而产生电流，电流可通过适当的调理电路转换成电压信号，从而被采集电路采集到。基于上述原理，静电传感器对磨粒的材质类型并没有特别的要求，并且对微小磨粒也有很高的监测能力。

3、油路磨粒荷电机理：在自然界中，起电现象主要来自于两个物体发生的接触和分离，并且伴随着电荷的转移，带电量的大小则与材料的费米能级、环境因素、接触分离情况等因素有关。摩擦副的摩擦实际上是两个摩擦表面连续不断的接触和分离的过程。在常规状态下，由于金属具有良好的导电性能，接触分离后，电荷很快会被导走，因而金属接触常常显示电中性。但是在润滑油介质下，当某种类型的磨损发生时，磨粒从材料表面脱落，那么脱落瞬间它的表面将携带一部分电荷。脱落后，磨粒由于悬浮于绝缘的润滑油中，因此磨粒上的电荷不会发生逸散，会继续保持带电状态。在油液介质下，磨损磨粒带电情况十分复杂。研究表明，当发动机、齿轮箱等重载设备发生裂纹、点蚀、剥落、失效等故障时，磨粒电荷的产生与摩擦起电(tribo-charging)、表面电荷(surface charge)、电发射(triboemission)以及磨粒形成时金属键的断裂有关。胶合磨损时产生的磨粒带正电荷，电荷的大小与总体积损失直接相关，随后带电磨粒将随着润滑油进入润滑系统中，这也是磨粒带电的基本原理。

4、静电信号监测原理：静电传感器的信号监测是基于静电感应的原理。静电感应是固体物质的荷电方式之一，当带电物体与不带电的导体相互靠近时，由于带电物体有外电场的作用，会使导体产生内部电子流动，内部电荷将被重新分布，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体的另一端，这种现象叫静电感应。当油液从进油口进入时，滑油中带电磨粒经过静电传感器附近，导致传感器的导体探极内部电子流动，电荷重新分布以平衡附近的电荷，进而静电传感器会产生感应电流，经过信号调理电路将电流信号按比例转换为电压信号。在这一过程中，带电体与静电传感器之间并没有电荷的交换，探极电荷由静电感应产生。当带电颗粒离开传感器附近，即外电场撤掉时，正负感应电荷将会迅速移动并互相中和，传感器探极内部的电子将重新恢复到电中性状态，监测得到的感应信号将恢复至零。本发明中的油路静电传感器就是基于上述的原理。

5、静电传感器设计原理：静电传感器根据油路中带电颗粒相互作用的原理，可以分为直接接触式和非接触式两种。由于磨损磨粒的带电量很小，检测装置需要较高的灵敏度以及较好的抗干扰能力；并且润滑系统本身对滑油流动特性要求较高，流动中不能有阻碍流动的障碍存在；同时润滑管路的管径通常很小(50mm以下)，此传感器的探极通常采用非接触的环状结构。但是环状结构通常只有两个固定探极，对油路中润滑油携带的磨粒静电信号监测能力十分有限，对噪声的识别能力也很弱，且制作与安装也比较麻烦，而螺旋式探极相对于环状，不仅能更好地辨别和对比磨粒中的静电信号与噪声，还便于安装和拆解。基于上述原因，油路静电传感器探极采用非接触的螺旋式结构。

6、感应探极安装的方式：三个感应探极的阵列安装方式，可以在油液经过螺旋状感应探极前后，形成信号的对比，可排除噪声及其他影响监测效果的因素，增强信号的准确性，能够全方位的监测油液中的带电量的变化，提高传感器采集数据的效率，可靠性强，同时阵列安装方式也具有可扩展性。本发明中油路探极安装是基于上述方式。

7、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于深潜器可调节取样直径的岩芯取样钻机一种重载设备润滑油路的静电信号监测装置，包括外壳，所述外壳前侧端部连接有前端盖，所述外壳后侧端部连接有后端盖，所述前端盖远离所述外壳一侧外表面连接有进油口，所述后端盖远离所述外壳一侧表面连接有出油口，所述外壳上均匀加工有三个安装槽，所述安装槽上依次连接有前侧信号输出接插头、中部信号输出接插头、后侧信号输出接插头，所述外壳内连接有陶瓷管道，所述陶瓷管道前侧末端外表面螺旋缠绕连接有前端感应探极，所述陶瓷管道后侧末端螺旋缠绕连接有后端感应探极，所述前端感应探极与所述后端感应探极之间的所述陶瓷管道的外表面螺旋缠绕连接有螺旋状感应探极，所述前端感应探极与所述前侧信号输出接插头之间通过信号传输铜线连接，所述螺旋状感应探极与所述中部信号输出接插头之间通过所述信号传输铜线连接，所述后端感应探极与所述后侧信号输出接插头之间通过所述信号传输铜线连接，所述进油口与所述出油口分别与监测管道前后连接。

8、优选的，所述外壳的外表面套接有两个安装环，所述安装环固定安装在支撑块的上表面，所述安装环远离所述外壳一侧表面均匀螺纹连接有固定螺杆，所述安装环上贯穿加工有与所述固定螺杆相互配合的螺纹孔，所述固定螺杆远离所述外壳一侧末端固定连接有手把，所述支撑块内滑动插接有调节板，所述调节板上均匀加工有调节螺纹孔，所述支撑块底部螺纹连接有调节螺栓，所述调节螺栓与所述调节螺纹孔之间螺纹连接，所述支撑块上加工有与所述调节螺栓配合的螺纹孔，所述调节板远离所述支撑块一侧端壁上固定连接有安装板，所述安装板上对称加工有安装螺纹孔，所述安装螺纹孔内连接有固定螺栓，通过所述固定螺栓将所述安装板固定安装在相应的位置。

9、优选的，所述前端盖与所述后端盖内侧表面固定连接有固定环，所述固定环内侧表面固定连接有夹紧垫，所述陶瓷管道插入到所述夹紧垫中，所述夹紧垫采用弹性材料制成，所述夹紧垫内侧表面设有防滑材料，所述陶瓷管道末端插入到所述夹紧垫中。

10、优选的，所述前端盖与所述后端盖和所述外壳之间通过紧固螺栓紧固，所述前端盖与所述后端盖和所述外壳上加工有与所述紧固螺栓相互配合的螺纹孔。

11、优选的，所述进油口上固定连接有前侧螺纹固定块，所述前侧螺纹固定块上连接有前侧油量检测仪，所述前侧螺纹固定块上贯穿加工有螺纹孔，所述前侧油量检测仪外表面设置有螺纹，所述螺纹与所述螺纹孔之间连接，所述前侧油量检测仪深入到所述进油口内部，所述前侧油量检测仪上侧末端连接有前侧信号传输器，所述前侧信号传输器与所述前侧油量检测仪之间电性连接，所述前侧信号传输器与远端的电子显示屏信号连接。

12、优选的，所述出油口上固定连接有后侧固定螺母块，所述后侧固定螺母块上连接有后侧油量检测仪，所述后侧固定螺母块上贯穿加工有螺纹孔，所述后侧油量检测仪外表面设置有螺纹，所述螺纹与所述螺纹孔之间连接，所述后侧油量检测仪深入到所述进油口内部，所述后侧油量检测仪上侧末端连接有后侧信号传输器，所述后侧信号传输器与所述后侧油量检测仪之间电性连接，所述后侧信号传输器与远端的所述电子显示屏信号连接。

13、优选的，所述前侧信号输出接插头上侧末端可拆连接有前侧信号检测器，所述中部信号输出接插头上侧末端可拆卸连接有中部信号检测器，所述后侧信号输出接插头上侧末端可拆卸连接有后侧信号检测器，所述前侧信号检测器与所述前侧信号输出接插头之间电性连接，所述中部信号输出接插头与所述中部信号检测器之间电性连接，所述后侧信号输出接插头与所述后侧信号检测器之间电性连接，所述后侧信号检测器、所述中部信号检测器与所述前侧信号检测器上加工有信号线插口，所述后侧信号检测器、所述中部信号检测器与所述前侧信号检测器上连接有指示灯，所述信号线插口中插入与信号输出线。

14、优选的，所述前端盖与所述后端盖上贯穿加工有通孔，所述通孔与所述进油口和所述出油口之间连通。

15、优选的，所述前端盖与和所述后端盖与所述外壳之间添加有密封介质。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1.本发明传感器内部结构相对简单，且螺旋式探极加工方便，采用缠绕的方式安装固定，和环状探极相比安装方便且成本更低；传感器中间部位采用螺旋式探极，既能保证对带电磨粒更好的识别，还能通过与进出油口两感应探极的信号对比来识别有效磨粒信号和剔除噪声；本静电传感器使用陶瓷材料作为油路监测管道，高硬度、高耐磨、耐蚀、耐热性好，避免了金属材料与油液接触造成的内部干扰；通过实时监测重载设备油路中的静电信号，能实现静电信号的在线传输，保证发动机工作状况在线监测和故障模式诊断；传感器灵敏度高且工作原理清晰，因此对带电故障磨粒的监测可靠性较高。

18、2.本发明中的油路静电传感器用于润滑油路中带电磨粒静电信号的监测，当带电磨粒经过静电传感器的感应探极附近，引起感应探极的内部电子流动，此过程将产生微弱电流信号，螺旋状传感器中三个感应探极都安装在传感器外壳内部，在进油口和出油口附近是两个探极，在中间部位安装一个螺旋状探极；电流通过与感应探极相连的金属导线被引出给传感器外壳的信号接插头，通过接插头传输给信号处理单元，经过信号处理单元电流信号被转换为电压信号，并进一步被放大和滤波。为了防止油液对油路静电监测模拟系统的内部的电磁干扰，滑油的管道使用陶瓷材料，陶瓷材料上安装感应探极，为了防止油路静电监测系统受到外界的干扰，在传感器装有金属外壳，起到电磁屏蔽的作用。在油路静电监测模拟系统中，从润滑油道引出一个额外的通路，静电传感器在通路管道上安装。

19、3.本发明把对航空发动机、输送机、采煤机和齿轮箱等重载设备内部零部件故障的监测转化为对润滑油路磨粒所带静电信号的监测，又针对静电信号难以监测的问题，利用有限元优化仿真分析，设计了一种利用润滑油静电监测重载设备零部件的装置，旨在对设备油路工作部件的静电信号进行实时监测，对设备工作状态的实时监控和故障预警，有利于实现对故障零部件的及时诊断，提高重载设备的健康管理水平。该装置通过安装在传感器上的三个静电信号探极来完成对设备润滑系统油液中的静电信号采集，实现对重载设备油路静电信号的在线监测。

20、4.本发明提供了一种全新的静电信号监测装置，通过对重载设备润滑油路带电磨粒的静电信号采集、传输和分析，来实时监测设备的工作情况，实现对重载设备的在线监测和实时故障诊断。故障早期的监测信号能提供实时的预警信息，节省了定期检测和故障后维修的费用，为航空发动机和齿轮箱等重载设备油路磨粒静电监测系统的研究提供了低成本，高效率的信号采集设备。