高梯度磁力分离在设备磨损监测诊断中的应用

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1995.03.012 第17卷第3期 北京科技大学学报 Vol.17 No.3 19956 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1995 高梯度磁力分离在设备磨损监测诊断中的应用 李忠 马祥华 陈克兴 北京科技大学机械工程系，北京100083 摘要从高梯度磁力分离的理论基础人手，根据机械设备发生磨损时产物一一磨粒的形态与磁性 特点，首次较完整地提出了将高磁力分离技术应用于设备磨损监测和故障诊断中的思想方法， 并在此基础上开发研制了油液磨粒监测仪WPM. 关键词故障诊断，磨损监测，高梯度磁力分离 中图分类号TH17 Application of High Gradient Magnetic Seperation into Machine's Monitoring and Fault Diagnosis Li Zhong Ma Xianghua Chen Kexin Department of Mechanica!Enginieering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Based on our researches on High Gradient Magnetic Seperation(HGMS)and ma- chine wear particle characteristics when wear takes place in machanical systems,the idea of ap- plying HGMS to machine's Wear Monitoring and Fault Diagnosis(WMFD)is put forword. Then it describes a newly developed instrument-Wear Particle Monitor(WPM)as an ex- ample of HGMS's application in the field of WMFD. KEY WORDS fault diagnosis,wear monitoring,high gradient magnetic seperation 磨损失效是机械设备最常见的失效形式，有80%的设备失效是由磨损失效引起的，运 动副磨损的直接后果是产生大量的磨屑微粒悬浮在流动着的润滑油液之中，粒径从0.01~ 100m不等.这些磨粒包着含有关设备磨损状态的重要信息，因此它们对磨损监测非常关 键·现有绝大多数磨损监测分析方法都是以磨粒为分析对象的，如光谱、铁谱、磁塞法和颗 粒计数器等，尽管它们的分析角度和原理、方法各不相同，但都有一个共同点，即首先必须把 磨粒从润滑油中分离出来，然后再分析处理.作者在从事磨粒监测仪WPM研制开发的同 时，对其思路和基本原理进行了探人研究和拓展，提出了将高梯度磁力分离技术(HGMS) 用于设备磨损监测和诊断中的新思路，该思路是：高梯度磁力分离技术在磨损监测领域的应 用是指用铁磁性钢纤维填充滤管后在外磁场作用下形成无数个微空间高梯度强磁场来捕获随 1993-06-21收稿第一作者男25岁博士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 朋 高梯度磁力分离在设备磨损监测诊断 中的应用 李 忠 马祥华 陈克兴 北 京科技大 学 机械 工 程 系 ， 北 京 以 】 摘要 从高梯度磁力分离的理论基础入手 ， 根据机械设备发生磨损 时产物 一 一 磨 粒 的 形 态 与磁性 特点 ， 首次较完整地提 出 了将 高 磁 力 分 离 技 术 应 用 于 设 备 磨 损监 测 和 故 障诊 断 中 的 思 想 方法 ， 并在此基础上 开发研制 了油液磨粒监测 仪 认甲 关键词 故 障诊断 ， 磨损监测 ， 高梯度磁力分离 中图分类号 ， 苏 。 五飞义 块 卿 ， ， 以刃 ， 巴 岛 “ 招 ， 服 ， 比 时 — 比 ’ 以 】万 ， 服 ， 磨 损失 效是 机 械设备最 常见 的失 效 形 式 ， 有 的设 备 失 效 是 由磨 损 失 效 引 起 的 运 动副磨 损 的直 接后 果是 产 生大 量 的磨 屑微粒悬 浮在 流 动着 的 润 滑 油 液 之 中 ， 粒 径 从 一 朋 不等 这些磨粒包着 含 有 关设 备磨 损状态 的重要 信息 ， 因 此 它 们 对磨 损监 测 非 常 关 键 现有 绝大多 数磨损监 测分 析方法 都是 以磨 粒 为分析对象 的 ， 如光谱 、 铁谱 、 磁塞 法 和颗 粒 计数器等 ， 尽 管它们 的分 析角度 和 原理 、 方 法各 不相 同 ， 但都有一个共同点 ， 即首先必须把 磨 粒从润滑油 中分 离 出来 ， 然 后再 分 析 处 理 作 者 在 从事 磨 粒 监 测 仪 研制 开 发 的 同 时 ， 对其 思路 和 基本原理 进 行 了 探 人研究 和 拓展 ， 提 出 了将高梯 度 磁 力 分 离 技 术 用 于 设备磨 损监 测 和诊 断 中的新 思路 该思路 是 高梯 度 磁力分 离技 术在磨 损监 测领 域 的应 用是 指 用铁磁性 钢纤 维填充 滤 管后 在外 磁 场作 用 下形 成 无数个微 空 间高梯 度强磁 场来捕 获 随 】卯 一 一 收 稿 第一 作 者 男 岁 博 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．1995．03．012

·260· 北京科技大学学报 1995年No.3 流体经过其间的磁性磨粒，设备摩擦副一般为金属材料，但材质各不相同，因而产生的磨粒 磁性强弱各不相同，由于HGMS捕获力很强，它不但能够捕获强磁性颗粒，而且也能把 弱磁性颗粒分离出来，进一步对磨粒进行感测分析提供了良好的手段，使我们能够通过磨 粒这个信息载体，来反推出在线工作设备的磨损程度与工作状态， 1捕获机理分析及高梯度磁滤器的设计 1,1高梯度磁滤器的设计思路 磨粒监测仪的核心装置一高梯度磁滤器结构示意图如图1所示.在位于磁极N、S之 间的滤管内，按一定标准填充直径级的钢纤维，材料一般为镍钢或低碳钢.在外磁场作用 下极细的钢纤维被磁化，在每根丝周围微小空间内产生高梯度磁场，捕获随油液流经其附近 的磨粒 磁滤器中起关键作用的两个参数是：丝的直径大小和填充率.可以证明，经合理选取设计 参数后，对直径大于设定捕获尺寸的磨粒的捕获率可达95%~99%. “,' 51 4 4 颗粒 H, 铁磁丝 流休速度。 M 外磁场H …w… 图1高梯度磁滤器结构示意图 图2单根丝捕获磨粒的数学模型 1.2单根丝捕获磨粒的数学模型 图2中，一半径为α的铁磁性柱体纤维沿Z轴向放置，沿X方向的外磁场H。将丝均匀磁化 到强度M,方向与H。相同.假设流经丝的流体流速为'。，粘度为1，密度为P,磁化率为x, 设Φ为场内磁通势，对于XY平面内以丝轴为原点的坐标而言，因为 7Φ=0 (1)

· 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 流体经过其 间的磁性磨粒 设备摩擦 副一 般 为金 属材料 ， 但材质各不相 同 ， 因而 产生 的磨粒 磁性 强 弱各 不 相 同 ， 由于 捕 获 力 很 强 ， 它 不 但 能 够 捕 获 强 磁 性 颗 粒 ， 而 且 也 能 把 弱磁性颗粒分离 出来 ， 进 一步 对磨粒进 行 感 测 分 析 提 供 了 良好 的 手 段 ， 使 我 们 能 够 通 过磨 粒这个信息 载体 ， 来反 推 出在 线工作设备的磨 损程 度 与工 作状态 捕获机理分析及高梯度磁滤器 的设计 高梯度磁滤器 的设计 思路 磨粒监测 仪 的核心 装置— 高 梯 度 磁 滤器 结 构 示 意 图如 图 所 示 在 位 于 磁 极 、 之 间的滤管 内 ， 按一定 标 准填 充直 径 拜 级 的钢 纤 维 ， 材料 一般 为 镍 钢 或 低 碳 钢 在 外 磁 场 作 用 下极细 的钢纤 维被磁化 ， 在每 根 丝 周 围微小 空 间 内产 生 高 梯 度 磁 场 ， 捕 获 随油 液 流 经 其 附 近 的磨粒 磁滤器 中起 关键作 用 的两个参数是 丝 的直径大小 和填充率 可 以 证 明 ， 经 合理 选 取 设 计 参数后 ， 对直 径大 于 设定捕 获 尺寸 的磨粒 的捕 获率可 达 一 图 高梯度磁滤器结构示意 图 图 单根 丝捕获磨粒的数学模型 单根丝捕获磨粒的数学模型 图 中 ， 一半 径 为 的铁磁性柱 体纤维沿 轴 向放置 ， 沿 方 向的外磁场 将丝均匀磁 化 到强度 ， 方 向 与 相 同 假 设 流 经 丝 的 流 体 流 速 为 。 ， 粘 度 为 叮 ， 密 度 为 ， 磁 化 率 为 ， 设 中 为场 内磁通 势 ， 对于 平 面 内以 丝 轴 为原 点 的坐标而 言 ， 因 为 中

Vol.17 No.3 李忠等：高梯度磁力分离在设备磨损监测诊断中的应用 261. (7为拉普拉斯算子)，且Φ/2Z2=0,所以式(1)变为： r[r(cΦ/0r)j/0r+aΦ/r2=0 (2) 边界条件为H的切向分量和B的法向分量在丝表面连续.解此数理方程，最后求出 丝内外的磁场强度H,H分别为： 了H1.=(H。-M/2)cos8 H1g=(H。-M/2)sin0 (H2,=(Ma'r:/2+Ho)cos0 H20=(Ma'r-212-Ho)sin0 (4) 颗粒经过场强为H(=H?+)的梯度磁场时，在微空间受力虽比较复杂，但总的 来说可分为3个力：即磁力Fm、流体粘力v及重力F,其运动方程为： mas=Fm+Fy+Fa (5) 式中惯性力F。可通过对速度微分求得，而Fv可通过流体力学Stooks方程求得，磁力 计算公式为： F=(1/2)Ho xVgrad(H) (6) 由式(6)可见，颗粒所受的磁力取决于外磁场强度平方的梯度，而非直接取决于强度 H,这就是为什么高梯度磁力分离比直接用强磁场分离更有效的原因所在，解方程(5)得颗粒 轨迹解析表达式（见文献2），对其解简化后进一步推导，便可得出一个极为有用的关键参数一 单根丝的捕获半径R。: R.≥(3√3/4)(IVm/V.)[1-(2/3XVma/V。）9 (7) 式中Vma=Vna=24,·xMH(b/a)2/9n，b为颗粒半径，”为流体动力粘度，(Vma/Y。a) 表示相对于流体曳力而言磁力的大小·R。结果见图3所示· 1000r 1.0 丁逆磁 (最佳条件5，） .00 0.8 °0.6 逆磁（最佳条件K) 10 0.4 0,2 0.0 0.1 0.00.20.40.60.81.0 4 10 K R um 图3捕获半径R 图4最佳捕获粒度比5

李 忠 等 高 梯 度 磁 力 分 离 在 设 备 磨 损监 测 诊 断 中 的 应 用 为拉普拉斯算子 ， 且 云’ 中 护 ， 二 ， 所 以 式 变 为 舀 日中 日 』刁 口，中 日 ， 边界条件为 的切 向分量 和 的 法 向分 量 在 丝 表 面 连 续 解 此 数 理 方 程 ， 最 后 求 出 丝 内外 的磁场强度 ，， 分别 为 瑟霹念二群饭篇 篡 黑狱苏默 颗粒经过场强 为 十 斌 的 梯 度 磁 场 时 ， 在 微 空 间受力 虽 比较复 杂 ， 但 总 的 来说可分 为 个力 即磁力 、 流体粘 力 及 重力 凡 其运 动方程 为 式 中惯性力 可 通过 对速度微分求得 ， 而 、 可 通 过 流体力学 方程 求 得 ， 磁 力 计算公式为 拜。 ， 由式 可 见 ， 颗粒所受 的磁 力 取 决于 外 磁 场强 度平方 的 梯 度 ， 而 非 直 接 取 决 于 强 度 ， 这就是 为什 么高梯度 磁力分离 比直接用强磁场分离更有效的原 因所在 解方程 得颗粒 轨迹解析表达式 见文献 ， 对其解简化后进一步推导 ， 便可得 出一个极 为有用的关键参数一 单根 丝 的捕获半径 。 尺 寸了 。 。 ，‘， 一 。 一 门 式 中 。 凡 群。 · 叮 ， 为颗粒半 径 ， 粉 为流体动力粘度 ， 。 。 表 示 相 对于 流体 曳力而 言磁 力 的大 小 。 结果见 图 所示 逆 磁 最 佳条件 」 二丁 一几 招 一带 杆 ，生， ‘ 一 ︸ 一﹂了一一 刀 名 口 加 图 捕获 半 径 图 最 佳 捕 获 粒 度 比 儡

,262 北京科技大学学报 1995年No.3 1.3单根丝时最佳捕获粒度比 图4中K=M/(2H。,反映了磨粒对外磁场的相对磁化程度·图中曲线所示为最 佳捕获粒度比S。=b/a与参数K的函数关系，即满足此关系时，颗粒所受的磁力 Fm相对于Fν和F。最大，也就是说此时磨粒最容易被捕获·5是高梯度磁滤器的 一个重要参数，该曲线所反映的函数关系同样也是由式(5)的解经简化而得·5用 来根据磨粒尺寸确定丝的半径，以确保大于设定半径的磨粒基本是全部被捕获，而 对小于此半径的磨粒不敏感·这使得磁滤器上磨粒量的变化表现为最能反映设备磨 损程度的大磨粒量的变化，这也是恰好是高梯度磁滤器用于进行磨损监测的优势之一· 1.4高梯度磁滤器捕获效率 如图5中所示，厚度为L,单根丝捕获半径 R。,体积填充率F的高梯度磁滤器捕获效率 由文献[S)中附录B用概率法得出为： Ho n=1-(Hou/Hn)=1-exp [-(4FRL)/(3na)] 式中Nm和N。分别指通过磁滤器前后磨 粒的数量. 综前所述，在设计具体的高梯度磁滤器 时，可根据具体工作条件设定大磨粒半径b的 值，再确定丝半径α的值，最后校核1，以确保 在设定尺寸上的磨粒能基本上被全部滤出， 图5捕获效率模型 2实验结果及分析 表1WPM中高梯度磁滤器的对比实验结 直读铁谱DR 光谱Fe元素 分析铁谱评价 车号对比DLDS 2001#滤前77.843.6 35.1 滤后大磨粒在谱片上已 滤后30.6 28.2 32.9 基本消失 2002#滤前 72.742.2 37.2 大磨粒基本消失，谱片上 滤后30.129.7 27.2 仅剩细小磨粒链 2003#滤前79.0 48.0 40.9 谐片上大小磨粒区图象 滤后29.627.0 34.7 差别不大 表1实验所用高梯度磁滤器的主要设计参数：镍钢丝直径a=7.5m,填充率F=15%,厚度 L=2mm,外磁场强度H=2000AM,Vm/V|≈20.现场取出油样为BJ型内燃机车润

· 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 单 根 丝 时 最 佳 捕 获 粒 度 比 图 中 。 ， 反 映 了 磨 粒 对外 磁 场 的 相 对 磁 化 程 度 图 中 曲 线 所 示 为 最 佳 捕 获 粒 度 比 心 。 二 ， 与 参 数 的 函 数 关 系 ， 即 满 足 此 关 系 时 ， 颗 粒 所 受 的 磁 力 。 相 对 于 、 和 最 大 ， 也 就 是 说 此 时 磨 粒 最 容 易 被 捕 获 亡是 高 梯 度 磁 滤 器 的 一 个 重 要 参 数 该 曲 线 所 反 映 的 函 数 关 系 同 样 也 是 由式 的 解 经 简 化 而 得 亡用 来 根 据 磨 粒 尺 寸 确 定 丝 的 半 径 ， 以 确 保 大 于 设 定 半 径 的 磨 粒 基 本 是 全 部 被 捕 获 ， 而 对 小 于 此 半 径 的 磨 粒 不 敏 感 这 使 得 磁 滤 器 上 磨 粒 量 的 变 化 表 现 为 最 能 反 映 设 备 磨 损 程 度 的 大 磨 粒 量 的 变 化 ， 这 也 是 恰 好 是 高 梯 度 磁 滤 器 用 于 进 行 磨 损 监 测 的优 势 之一 高梯 度磁滤器捕获效率 如 图 中所示 ， 厚度 为 ， 单根 丝 捕 获半 径 ， 体 积 填 充 率 的 高 梯 度 磁 滤 器 捕 获 效 率 口 由 文献【 中附录 用 概 率法 得 出为 叮 凤 一 【一 二 式 中 。 ， 和 。 分 别 指 通 过 磁 滤 器 前 后磨 粒 的数量 综 前 所 述 ， 在 设 计 具 体 的 高 梯 度 磁 滤 器 时 ， 可 根 据具 体工 作 条 件 设 定 大 磨 粒 半 径 的 值 ， 再 确 定 丝 半 径 的值 ， 最 后 校 核 叮 ， 以 确 保 在设 定 尺寸上 的磨粒 能基 本上 被 全部 滤 出 专 “ 、· 委畏咬璐姗缺 粼滩粼 图 捕获效率模型 实验结果及分析 表 认甲 中高梯度磁滤器 的对 比实验结 直读铁谱 — 光 谱 元 素 车 号 对 比 分析铁谱评 价 呱又月 石 夕 刀 滤后 大磨粒在谱片上 已 基 本消失 大 磨粒基 本消失 ， 谱片上 仅剩 细 小磨 粒链 谱片上大小 磨粒 区 图象 差 别 不 大 石，。八厂 表 实验所用 高梯度磁滤器的主要设计参数 镍钢丝 直径 及 ， 填充率 二 巧 ， 厚度 沙卜磁 场 强度 以 阿 ， 嵘 。 一 现 场取 出油 样 为 型 内燃 机 车 润

Vol.17 No.3 李忠等：高梯度磁力分离在设备磨损监测诊断中的应用 263. 滑冷却用油.油设定的磨粒捕获尺寸为2b=5m. 从实验结果可以看出，大磨粒（此处设定为直径5m以上）已基本全部被捕获，DR.上的 D,与Ds显示值已基本趋于一致便可以证明了这一点，经分析式铁谱议谱片观察也证实了其 效果，滤后谱片上大磨粒区已见不到较大的磨粒，仅剩下同小磨粒区几乎一样的细小磨粒 链，且大小磨粒区差别不大， 光谱仪的分析结果表明F元素值在滤前滤后变化不大，旁证了高梯度磁滤器对小磨粒不 敏感. 3WPM的开发及应用 据以上理论与试验结果，开发了油液磨粒监测仪WPM. 如图1中所示，在磁滤器中旁靠近磁极N或S的一侧放置一高灵敏度的磁通传感器， 测出磁滤器中被沉积磨粒量的变化，信号经后续处理电路调整放大，驱动经校正的模拟或数 字表头，显示出磨粒总量，以一定的时间间隔对设备中的油液进行分析，便可绘出其中最能 反映磨损状况的大磨粒量的变化趋势，从而达到对设备磨损状态趋势进行监测和预报的目的， 也可将磁滤器取出，将其上面的磨粒冲洗下，再用光谱和铁谱进行分析，通过分析磨粒 的形貌与成分对设备磨损状况进行有效的诊断， 4结论 本文将高梯度磁分离这种已在其他领域广为应用的有效分离技术用到了到设备故障 诊断和状态监测领域之中；通过理论分析和部分实验数据验证了这一应用的可行性 与有效性；通过大量试验掌握了高梯度磁滤器的主要设计参数并在此基础上研制开发了 磨损监测仪WPM. 参考文献 1陈克兴，设备故障诊断技术，北京：科技文献出版社，1991.208~249. 2 Gergber R.Birss P R.High Magnetic Seperation.Research Studies Pub,1983.1~60. 3 Obersteffer John A.Magnetic Seperation:A Review of Principks.Devices and Applications.IEEE Trans on Mag.1974,102:223~238 4 Collan H K,et al.Experimental Determination of The Seperation Performance of Various Typrs of Magnetic Fikter Matrix.IEEE Trans on Mag,1983,14(5):398~400 5 Watson J H P.Magnetic Filtration.J Appl Play,1973,44(9):4209~4213

匕 李 忠 等 高 梯 度 磁 力 分 离 在 设 备磨 损 监 测 诊 断 中 的 应 用 滑冷却 用油 油设定 的磨粒捕 获 尺 寸 为 二 拜 从实验结果可 以 看 出 ， 大磨粒 此处设 定 为直 径 拜 以 上 已 基 本 全 部 被 捕 获 ， 上 的 。 与 显示 值 已 基本趋 于 一致便 可 以 证 明 了这 一 点 ， 经分析式铁谱议谱片观 察也证实 了其 效 果 ， 滤 后 谱 片 上 大 磨 粒 区 已 见 不 到 较 大 的磨 粒 ， 仅 剩 下 同小 磨 粒 区 几 乎 一 样 的 细 小 磨 粒 链 ， 且大小磨粒 区差别不大 光谱仪 的分 析结果 表 明 元 素值在 滤前 滤后 变化不大 ， 旁证 了高梯度磁滤器对小磨粒 不 敏感 的开发及应用 据 以 上理 论 与试验 结果 ， 开发 了油 液磨 粒监 测 仪 如 图 中所示 ， 在 磁滤器 中旁靠 近 磁 极 或 的一 侧 放 置 一 高灵 敏 度 的磁 通 传 感 器 ， 测 出磁 滤器 中被沉积磨 粒量 的变化 信号 经 后 续处理 电路 调整放大 ， 驱动经校正 的模拟 或数 字 表头 ， 显示 出磨粒 总量 以 一定 的 时 间 间隔 对设 备 中的油 液进行分析 ， 便可绘 出其 中最能 反 映磨损状 况 的大磨粒量 的变化趋势 ， 从而 达到 对设 备磨 损 状态趋势进行监测 和 预报 的 目的 也可将磁滤器取 出 ， 将 其上 面 的磨粒冲洗 下 ， 再 用光谱和铁谱进行分析 ， 通过分 析磨 粒 的形貌 与成分 对设 备 磨损状 况进行 有 效 的诊 断 结论 本文将高梯度磁 分 离这 种 已 在 其他领 域广为应用 的有效分离技术用到 了到设 备故 障 诊 断 和 状 态监 测 领 域 之 中 通 过 理 论 分 析 和 部 分 实验 数据 验 证 了 这 一 应 用 的 可 行 性 与有 效性 通 过大量 试验掌握 了 高梯 度 磁 滤 器 的主要 设计参数并在 此基 础上 研 制 开 发 了 磨 损监测 仪 参 考 文 献 陈克兴 设 备故 障诊 断技 术 北 京 科 技 文 献 出版社 ， 卯 一 加 欣电 ， 眺 ’ 已祀别民 此 ， 一 印 沈挽 ’ 讹 勿 ， ， 仪 一 ， 面 璐 即 ‘ 汝 ， ， 一 粼侧〕 ， ， 州 四 一