基于电磁感应的齿轮箱润滑油磨粒检测试验.pdf

2024年 第48卷 第2期Journal of Mechanical Transmission基于电磁感应的齿轮箱润滑油磨粒检测试验王良健1 陈 奇1 张道成2 夏同良2 宋 晖1 黄丽源1（1 合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230000）（2 方盛车桥（合肥）有限公司，安徽 合肥 230000）摘要 为了探究齿轮箱内铁屑磨粒对原有润滑系统的负面影响规律，基于电磁感应原理，以STM32F103ZET6单片机为控制单元，设计了一套齿轮箱润滑油磨粒在线检测系统，比较了样品油液和某齿轮箱油液铁屑磨粒体积、数量测量结果；以单个磨粒体积为指标，判定某齿轮箱润滑油清洁程度，分析了齿轮不同转速运行对在线测量结果的影响。试验结果表明，该齿轮箱润滑油在线检测系统检测效果良好；齿轮箱静态检测数值远低于动态检测数值；齿轮箱动态检测输入齿轮大于一定转速阈值时，磨粒体积、数量检测结果增幅明显。研究对齿轮润滑系统故障诊断及风险预警具有一定实用价值。关键词 齿轮传动 润滑油 铁屑磨粒 电磁感应Abrasive Testing of the Gearbox Lubricating Oil Based on Electromagnetic InductionWang Liangjian1 Chen Qi1 Zhang Daocheng2 Xia Tongliang2 Song Hui1 Huang Liyuan1(1 School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230000,China)（2 Fangsheng Axle(Hefei)Co.,Ltd.,Hefei 230000,China）Abstract In order to explore the negative influence rule of the iron debris abrasive particles in the gearbox on the original lubrication system,based on the principle of electromagnetic induction and STM32F103ZET6 microcontroller as the control unit,a set of gearbox lubricating oil abrasive particles online detection system is designed,and the abrasive particle volume and quantity measurement results of the sample oil and a gearbox oil are compared.With the volume of a single abrasive particle as the index,the cleaning degree of lubricating oil in a gearbox is determined,and the influence of gear running at different speeds on the online measurement results are analyzed.The test results show that the gearbox lubricating oil online detection system has good detection effect.The static detection value of the gearbox is much lower than that of the dynamic detection value.When the input gear of the gearbox dynamic detection is larger than a certain speed threshold,the detection results of the abrasive volume and quantity increase obviously.This research has certain practical value for fault diagnosis and risk warning of the gear lubrication system.Key words Gear drive Lubricating oil Iron abrasive particles Electromagnetic induction0 引言齿轮传动是现有机械传动中最重要的传动方式之一，在工业机器中具有举足轻重的作用。润滑油集润滑减磨、清洁冷却、密封防锈功能于一体，是齿轮传动中不可或缺的要素。齿轮啮合磨损、点蚀、胶合均会导致铁屑磨粒沉积于润滑油当中，进而引起齿轮磨损加剧。调查显示，约60%的发动机故障和38.5%齿轮故障是由磨损引起的11-2。定时检测润滑油系统的磨粒大小和数量，评估润滑系统油液健康度，对延长齿轮传动系统使用寿命、保障关键设备稳定运行具有重要意义。因此，近年来，润滑油磨粒检测试验技术逐渐得到研究学者的关注。现阶段常用的油液磨粒检测方法有光谱分析法、铁谱分析法、电磁感应法和显微镜分析法。霍威2指出了现有电磁感应传感器的缺陷，设计出一种新型内外层布置的激励线圈与感应线圈磨粒传感器，具有更高的耦合系数，提高了传感器检测的灵敏度。韩瑞欣等3基于 STM32 单片机，根据颗粒消光法原理，通过油液中颗粒介质对激光反射吸收的特性测定颗粒大小数量，并设计了离线交互界面。洪宇4在已有文章编号：1004-2539（2024）02-0165-05DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2024.02.023165第48卷遮光颗粒计数传感器基础上，建立了反向传播（Back Propagation，BP）神经网络污染度预测模型。曹宏庆5运用显微成像微流体传感器，在自适应光照系统下对污染磨粒进行光学扫描和视觉分析，从而获取磨粒形貌、体积等深层信息。丘雪棠6进行大量试验得到标准样品与污染油液测量值对比数据，研究了温度和光源波动对遮光传感器光谱输出值的影响。靳晨聪139-43对润滑油颗粒检测系统引入局部加权散点平滑算法和极值转换，抑制噪声信号，实现了系统的平稳采样。徐文彬7搭建了试验平台，开发针对汽车发动机润滑系统的预警装置，实现了实车检测功能。王文琪8基于电感电容检测原理，指出油液中铁磁性金属颗粒、非磁性金属颗粒、水和气泡4种不同污染物检测效果，寻找检测铁磁性和非铁磁性金属颗粒的最佳激励频率。综上可知，目前已有试验大多采用遮光法光谱分析和电磁感应金属磨粒两种方法。遮光法检测灵敏度高、速度快，但对含有气泡油液通常易产生误检测，从而造成检测结果偏大9-10。此外，前人测量试验主要针对实验室样品检测，较少涉及现场在线检测系统，针对润滑系统静态检测与动态检测的区别研究甚少。本文以某齿轮箱为例，基于电磁感应原理设计了一套润滑油磨粒在线检测装置，通过对比试验指出齿轮箱不同运行状态对检测结果的影响，为改进齿轮箱润滑油磨粒检测方法提供了依据。1 检测原理考虑到齿轮材料主要为含铁等金属，对齿轮传动造成较大负面作用的杂质以铁屑磨粒为主，适宜采用电磁感应方法对铁屑磨粒进行测定。提出的磨粒计数传感器工作原理如图1所示。图1磨粒计数传感器原理图Fig.1Schematic diagram of the grinding particle count sensor传感器内部绕有3组线圈，2组反向绕制激励线圈及1组感应线圈。激励和感应线圈均工作在谐振状态，可提高检测灵敏度。其中，2组反向串联的激励线圈通上交流电后可产生大小相等、方向相反的高强度磁场，感应线圈区域磁场强度矢量和为0。含铁金属磨粒流经管路时，金属磨粒引起磁场中润滑油磁导率变化，进而改变原有感应线圈区域磁场磁通量，打破感应线圈区域的磁场平衡，致使感应线圈产生感应电动势11-12。金属磨粒的大小与其引起的感应电动势的幅值存在一定函数关系。假设金属磨粒为球状体，半径为ra，相对磁导率为r，当磨粒穿过单圈感应线圈时，电感变化率为LL=1.236r(rar)2ral2+r2-r（1）螺线管电感与其中磁场的关系为L=I=NBSI（2）式中，L为电感变化值；L为电感值；r为感应线圈半径；l为感应线圈长度；N为线圈圈数；B为磁感应强度；S为与磁力线垂直的面积；I为线圈电流。由式（1）、式（2）可知，当传感器磁感应线圈r和l固定时，磨粒半径ra越大，电感变化量越大，输出信号幅值也越大13-14。电压信号经过高灵敏度采样单元、带通滤波单元、信号放大等信号解调模块，将幅值较小的感应电动势转化为大小适宜、稳定的模拟量，可实现金属磨粒体积和磨粒数量的采集功能。2 试验装置与方案2.1搭建试验装置本文试验以齿轮箱润滑油磨粒为检测对象，所开发检测系统主要分为数据采集、数据处理、数据显示3个部分。试验以某减速齿轮箱为测量载体，搭建的试验装置如图2所示。1.电动机；2.转速转矩传感器；3.齿轮箱；4.磁粉制动器；5.LCD显示屏；6.磨粒计数传感器；7.油泵。图2润滑油磨粒检测试验装置Fig.2Testing equipment of the lubricating oil abrasive齿轮箱以三相电动机为动力源，磁粉制动器为负载。调节电动机控制器输入电流可改变三相电动机输入轴转速，箱内装有一定污染程度的润滑油，润滑油从齿轮箱底部出油孔流出，在油泵负压作用下流经磨粒传感器进行检测，再由齿轮箱上端盖孔回流至齿轮箱。磨粒传感器所采集磨粒信号经由收发模块传送至STM32F103ZET6单片机，单片机内部进一步处理解析信号数据，将检测结果呈现在LCD显示屏上。润滑油磨粒检测传感器作为该检测装置的关键，其检测准确性直接影响试验结果的可靠性。试验采166第2期王良健，等：基于电磁感应的齿轮箱润滑油磨粒检测试验用LWTX-07润滑油铁屑检测传感器，该传感器为现有成品，性能稳定，可靠性高。信号传输为RS485差分电平协议，抗干扰能力强，可进行远距离传输。该试验装置具有远程多点检测功能。2.2电路部分检测装置硬件电路包括3个部分：控制器、外围设备和电源。其结构关系如图3所示。图3硬件电路图Fig.3Diagram of the hardware circuit微控制器是整个电路装置的核心部分，STM32F103ZET6单片机具有功耗小、运算能力强、支持多种通信协议等优点，因而将其作为本设计的控制单元。单片机板载安全数字（Secure Digital，SD）卡模块，将SD卡插入卡槽中，对单片机植入相应的代码可将采集后的数据写入SD卡中，读取SD卡内容有助于对系统进行故障诊断分析。24 V电源可为油泵及磨粒计数传感器提供稳定工作电源，24 V转5 V降压模块为单片机及板载设备提供安全电压。传感器采用Modbus串行通信协议，该通信方式支持多台传感器同时工作，所得信号数据经由MAX3485模块转为晶体管-晶体管逻辑电平（Transistor-Transistor Logic，TTL）供单片机读取。LCD显示屏用于实时显示检测结果，包括循环计时数、累计体积数和累计磨粒数3项数值，“重置”按钮可在任意时刻将数据清零并重新测量。显示结果如图4所示。图4测量结果显示Fig.4Display of the measurement result2.3试验方案试验基本方案为：采集5瓶不同污染等级样品油液，对其进行测量标定，作为后续测量结果的对比标本；在齿轮箱非工作状态下，对箱内润滑油进行静态磨粒测量，并以样品油液为基准，判断其清洁程度；在齿轮箱输入轴以不同转速转动时，对箱内润滑油进行动态检测。单次测量以180 s为1个测量周期，记录上述方案测量结果，评估某齿轮箱内润滑油污染程度，探究齿轮箱动态检测结果影响因素。3 试验结果与数据分析3.1样品试验结果某企业提供的5种污染等级齿轮箱润滑油样品如图5所示。该样品从齿轮箱润滑油整个使用周期内取得。在同等条件下，利用该检测装置分别测量5种样品，多次测量取平均值，得到表1所示磨粒数据。图5不同污染等级油液Fig.5Different pollution levels of oils表1样品溶液磨粒数据Tab.1Sample solution pellet data样品序号12345累计体积/（10-3 mm3）17.734.088.5212.5819.3累计数量102146267594901单个磨粒体积/（10-3 mm3）0.1740.2330.3310.3580.908由表1可知，随着油液污染等级的增大，油液内磨粒体积和数量明显增加，该变化呈非线性比例增加。图6为绘制的单个磨粒体积折线图。润滑油初期使用阶段，单个铁屑磨粒体积较小；随着使用时长的增加，单个磨粒体积缓慢增长；油液使用较长时间后，单个磨粒体积显著增长，齿轮磨损严重，这与齿轮磨损实况相吻合。进一步由样品试验结果推图6样品单个磨粒体积折线图Fig.6Line chart of single abrasive volume of samples167第48卷知，单个磨粒体积可较好地反映油液金属磨粒污染情况。取即将报废油液磨粒体积数值的0.8作为报警阈值，当油液中单个磨粒体积超过0.7310-3 mm3时，认为油液不再适合用于润滑。3.2齿轮箱静态试验结果根据图2所示连接路线，油液从齿轮箱底部放油孔抽出循环检测，对齿轮箱进行静态测量。电动机未开启状态所得6次测量结果如表2所示。表2齿轮箱静态测量结果Tab.2Static measurement results of the gearbox测量次数123456累计体积/（10-3 mm3）16.315.315.7161516累计数量464844484646单个磨粒体积/（10-3 mm3）0.3540.3190.3570.3330.3260.348由表2可知，静态检测累计体积和累计数量结果稳定，数值较小，平均累计体积和数量分别为15.710-3 mm3和46，单个磨粒体积数值为0.33910-3 mm3。若以样品检测结果为参照，可判定该润滑系属于稳定磨损阶段。考虑箱内润滑油经过一段时间沉淀，金属铁屑磨粒在重力作用下沉淀于箱底，在实际工况中，齿轮运转中的搅油润滑必然引起底部金属磨粒悬浮上扬，并会伴随油液进入齿轮啮合间隙，因而有必要对工作中油液磨粒进行动态检测。3.3齿轮箱动态试验结果该试验共分7组，以齿轮转速为变量，磨粒累计体积、数量和单个磨粒体积为检测项，速度梯度为3001 500 r/min，多次测量取良性数据结果，得到表3所示结果。根据表3数据绘制的累计体积、累计磨粒数、单个磨粒体积对应折线图，分别如图7图9所示。由图7图9可知，不同转速下所测磨粒累计体积和数量发生显著变化，远高于静止状态下测量结果。表3齿轮箱动态测量结果Tab.3Dynamic measurement results of the gearbox转速/（r/min）3005007009001 1001 3001 500累计体积/（10-3 mm3）165.9126.4122.9124.7142.3228.8339.6累计数量559489506522565673709单个磨粒体积/（10-3 mm3）0.2970.2580.2430.2390.2520.3400.479图7转速-累计体积折线图Fig.7Line chart of rotational speed-cumulative volume图8转速-累计磨粒数折线图Fig.8Line chart of rotational speed-cumulative abrasive number图9转速-单个磨粒体积折线图Fig.9Line chart of rotational speed-single abrasive volume由图7、图8可直观地看出，齿轮箱的转速是影响磨粒在线检测结果的关键性因素。当输入轴转速在3001 200 r/min时，累计体积和累计磨粒数各自限定于一定区间内；当转速超过1 200 r/min时，磨粒累计体积和数量随转速增加而快速增长。图9所示表明，单个磨粒体积也出现大幅增长，即原本沉淀于箱内底部的较大金属磨粒开始被搅动，悬浮于润滑油中进入测量回路。可以推测，针对该齿轮箱，转速在1 200 r/min以内时，在线检测润滑油磨粒结果较为稳定，单个磨粒体积处于0.310-3 mm3以下，对比样品油液可判定润滑油仍处于健康状态；当超过该转速阈值时，要判定润滑油健康度，则必须依照不同转速进168第2期王良健，等：基于电磁感应的齿轮箱润滑油磨粒检测试验行实时检测，将测量结果与样品结果对比判断。图 7、图 8 表明，当转速从 300 r/min 提升至500 r/min阶段，测量结果数值有小幅下降，该现象与齿轮转速越大、搅动颗粒越多、测量数值越大的趋势相违背。试验过程中发现，当转速由300 r/min调至500 r/min时，透明管道内油液夹杂气泡量有所增加，推测是由齿轮搅油润滑带入油液中的空气量增多引起的，对传感器检测造成一定干扰，该现象值得进一步研究探讨。实际测量过程中，在相同转速条件下，各组内所测数据有小幅度增长现象，分析该现象可能的原因是当转速稳定在某项数值时，油液磨粒建立相对稳定悬浮状态需要较长时间。在实际应用中，可等齿轮稳定运转一段时间后再实施测量，以确保检测结果准确。4 结论1）基于电磁感应原理，针对齿轮箱润滑油液磨粒，设计了一套以STM32F103ZET6单片机为控制器的检测系统。该装置操作便捷，检测效果良好，可为齿轮润滑系定量分析提供理论依据，对齿轮箱润滑系统的故障诊断及风险预警具有一定参考价值。2）对样品油液磨粒实施检测，以单个磨粒体积为指标，确立油液报废阈值，评估了现有某齿轮箱润滑系健康状况。试验表明，齿轮箱内润滑油磨粒静态检测结果远小于动态检测结果。3）齿轮箱在工作状态下，齿轮速度处于某速度区间时，润滑油磨粒检测结果平稳且靠近某定值，当超过该速度阈值时，测量结果随转速增大而迅速攀升，油液中所含金属磨粒较大，不利于齿轮啮合传动。此时欲评估齿轮箱润滑系健康状况，应以当前转速下动态测量数据为准。参考文献1靳晨聪.油液中磨粒在线监测系统的设计和研究 D.秦皇岛：燕山大学，2015：1-43.JIN Chencong.The design and research of oil particles on-line detection system D.Qinhuangdao：Yanshan University，2015：1-43.2霍威.风电齿轮箱在线油液磨粒检测系统研究 D.北京：北京交通大学，2014：15-21.HUO Wei.Research on online monitoring system of wear debris in wind turbine gearbox D.Beijing：Beijing Jiaotong University，2014：15-21.3韩瑞欣，姜泽坤，魏坤，等.基于STM32的油液颗粒污染度检测系统设计 J.首都师范大学学报（自然科学版），2018，39（6）：35-40.HAN Ruixin，JIANG Zekun，WEI Kun，et al.Design of detection system based on STM32 J.Journal of Capital Normal University（Natural Science Edition），2018，39（6）：35-40.4洪宇.基于STM32的油液污染检测系统研究 D.北京：北京工业大学，2018：33-36.HONG Yu.Research on oil pollution detection system based on STM32 D.Beijing：Beijing University of Technology，2018：33-36.5曹宏庆.某型发动机滑油颗粒监测试验研究 D.南京：南京航空航天大学，2012：45-54.CAO Hongqing.Research on experiments of aero-engine lubricating oil debris monitoringD.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012：45-54.6丘雪棠.润滑油液在线颗粒传感器试验研究 D.广州：华南理工大学，2011：44-51.QIU Xuetang.Study on online particle sensor of lubricating oil fluidD.Guangzhou：South China University of Technology，2011：44-51.7徐文彬.发动机机油品质监测预警系统开发 D.长春：吉林大学，2015：53-60.XU Wenbin.Development of engine oil quality monitoring and early warning system D.Changchun：Jilin University，2015：53-60.8王文琪.一种嵌有纳米颗粒的高精度油液检测传感器检测机理研究 D.大连：大连海事大学，2020：56-63.WANG Wenqi.Study on the detection mechanism of a high-precision oil detection sensor equipped with a nanoparticle embedded oneD.Dalian：Dalian Maritime University，2020：56-63.9龚小龙，田洪祥，孙云岭，等.遮光法颗粒计数器测量结果的影响因素研究 J.润滑与密封，2016，41（8）：133-135.GONG Xiaolong，TIAN Hongxiang，SUN Yunling，et al.Influencing factors on measurement results of light extinction particle countersJ.Lubrication Engineering，2016，41（8）：133-135.10 王剑松.润滑油清洁度标准及颗粒物污染检测 J.计量与测试技术，2015，42（5）：21-22.WANG Jiansong.Lubricating oil cleanliness standard and particulate matter pollution detection J.Metrology&Measurement Technique，2015，42（5）：21-22.11 白文斌，李凯.三线圈电感式油液金属磨粒检测系统 J.计算机测量与控制，2022，30（1）：78-85.BAI Wenbin，LI Kai.Three-coil inductive oil metal abrasive particle detection systemJ.Computer Measurement&Control，2022，30（1）：78-85.12 程勋凤.润滑油液金属磨粒传感器研究 D.广州：华南理工大学，2021：9-17.CHENG Xunfeng.Research on metal wear particle sensor of lubricating oil D.Guangzhou：South China University of Technology，2021：9-17.13 牛泽，李凯，白文斌，等.电感式油液磨粒传感器系统设计 J.机械工程学报，2021，57（12）：126-135.NIU Ze，LI Kai，BAI Wenbin，et al.Design of inductive sensor system for wear particles in oil J .Journal of Mechanical Engineering，2021，57（12）：126-135.14 严宏志，张亦军.一种磨粒在线监测传感器的设计及其特性分析 J.传感技术学报，2002（4）：333-338.YAN Hongzhi，ZHANG Yijun.The design of an on-line monitoring sensor of wear mental particals and the analysis of its characteristicJ.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2002（4）：333-338.收稿日期：2022-11-03 修回日期：2022-11-22基金项目：数字化设计与制造安徽省重点实验室(合肥工业大学)中央高校基本科研业务费专项资金资助（PA2022GDSK0055）作者简介：王良健（1999），男，安徽合肥人，硕士研究生；主要研究方向为机械设计及理论；。169