一种润滑油污染度检测传感器的仿真设计*

王志春，王增加

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010）

0 引言

大量资料表明，摩擦和磨损是影响机械设备工作可靠性和使用寿命的主要原因。润滑油在机器设备的正常运行中起着重要作用。磨粒是设备内部摩擦副磨损的必然产物，也是油液污染的主要来源。有效地检测油液中的磨粒含量对设备正常运行有重要意义。由于电容式传感器温度稳定性好，结构简单，适应性强，动作响应快，可实现非接触测量，具有平均效应，特别适宜用来解决输入能量低的测量问题［1］。本文提出利用一种双螺旋电容传感器，检测润滑油中的金属磨粒含量，从而达到检测润滑油劣化程度，有效地更换油液。双螺旋结构具有均匀的磁场分布［2，3］，本文将利用仿真来确定润滑油劣化度与介电常数之间的关系。

目前，国内外润滑油在线检测方法原理主要是检测润滑油中机械杂质和水分含量，一般认为，5 μm左右的微小颗粒的浓度是引起流体系统淤积和堵塞故障的主要因素;而大于15 μm的颗粒浓度对元件的污染磨损起着主导作用。在GB 511—1977润滑油杂质极限标准中齿轮油机械杂质大于0．5%，轴承油、液压机油、汽轮机油机械杂质大于0．1%，即达到极限报废标准。在仿真中，本文将根据体积分数确定杂质磨粒含量观察润滑油介电常数的变化来确定介电常数与磨粒含量的关系。

1 常用油液监测技术

铁谱分析技术将磨损产物即磨粒进行定性和定量地分析，是一项比较成熟的技术。光谱分析是指用光谱分析的方法，鉴别油液中污染物和添加剂元素的成分和数量。在线油液监测技术是通过安装在油液管路中的传感器，利用光学、电学、磁学等手段采集设备的润滑油或其他工作介质的状态信息，分析样品所携带的设备摩擦副的磨损和污染物颗粒及污染指标，定性和定量地描述设备的磨损状态（包括部位、形式、程度），找出诱发因素，并预测发展趋势。

国外利用电介质的介电常数来做油液监测，主要是监测油液中的水分相对含量。凯维力科公司基于介电常数测量开发了油品质传感器，对油品质进行实时定量分析，对水分含量进行半定量分析［5］。在国内润滑理论研究主要集中在油液铁谱分析和磨粒成像方面，但从目前的国内应用情况看，还面临着诸多问题有待解决和进一步研究。

2 ANSYS电容分析原理与建模

采用CMATRIX的宏命令，这是一种电荷法的求解，即C=Q/V的方法，分别可以求得接地的自电容矩阵和集中的电容矩阵［6，7］。这个矩阵里面包含了自电容和互电容，可以求解多导体之间的关系。CMATRIX默认了施加电势为100 V，在近似的情况下可以将远场设定为地。

利用APDL语言建立传感器模型。传感器结构如图1所示，内半径2．1 cm，外半径3 cm，内管壁厚度0．3 cm，外层屏蔽层厚0．2 cm。最外层屏蔽电极与螺旋电极之间屏蔽层厚0．2 cm。其中，Rh=2．4 cm为螺“片”内半径（cm）;H=20 cm为总长;dis=1 cm为极板宽度，rs=0．2 cm为旋片厚度（cm）。

图1 传感器结构Fig 1 Sensor structure

内管壁材料定义为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）介电常数范围2．75～2．85，在仿真中取 2．8，电极与地之间的绝缘层采用环氧树脂填充。取纯净润滑油相对介电常数2．5［8］，铁磨粒作为一个组件处理，与双电极、接地屏蔽层组成4个节点组建。图2为除去外接地层之后的组件。

3 磨粒介电常数仿真分析

3．1 传感器性能分析

图2 传感器导体节点组件显示图Fig 2 Show map of sensor conductor node components

图3 传感器电位等值云图Fig 3 Sensor potential nephogram

设计的传感器容积πR2H=227cm3。以uMSKV单位制设定自由空间介电常数为8．854×10－6，算得充满纯净的润滑油时电容量为0．189 70×102pF。电场分布如图3，图中可以看出电场电势分布均匀，未出现电极电场混叠情况。不会因为电场的混叠影响检测场的均匀性［9］。为检测传感器的灵敏度，进行以下仿真实验，在充满纯净润滑油的管道内加入金属磨粒半径0．5 cm，利用APDL命令改变磨粒相对于中轴线的位置记录电容量，金属磨粒作为一个组件参与电容计算得出数据如表1，其充分说明磨粒的相对位置分布对电容量影响不大，双螺旋结构具有均匀的灵敏场分布，对于导体介质同样适用。

表1 不同位置的电容值（pF）Tab 1 Capacitance in different position（pF）

由于磨粒的相对位置对电容的变化量影响很小，当润滑油液被磨损颗粒污染后，其介电常数与电容传感器电容值的变化与金属微粒的体积呈正比［10］。仿真验证无论磨粒个数多少只要体积相同所引起的电容变化量就相同，所以，在后面仿真中把同一截面不同位置的磨粒归一到Z轴的位置研究计算，将管道内磨粒归为一个整的体做成圆柱体组件，于是就有了图2中间的导体节点组件。

3．2 油液磨粒含量的与其电容值的关系

所建模型内半径21000 μm，将磨粒归一为中间圆柱导体后，体积比πr2H/πR2H=r2/R2磨粒含量百分比即为磨粒半径（r）与管道内半径（R）之比的平方。

取齿轮油密度9．3 ×10－7μg/μm3，纯度90%的铁磨粒密度4．78 ×10－6μg/μm3当润滑油中磨粒杂质含量达到0．5%时，即 π（R－r）2Hρ油/πr2Hρ铁=0．5%，对应该体积模型时磨粒内径r为631μm。计算得到部分仿真电容值如表2。

表2 不同百分含量电容值Tab 2 Capacitance value of different percentages

根据仿真数据绘制图4，可以看出润滑油中加入铁粉磨粒导致电容值改变，电容变化量与铁粉含量呈线性关系。参考文献［11］中所述，由于铁粉磨粒与润滑油介电常数相差不大所以改变不明显，因此，对电容测量电路的精度要求较高。

图4 磨粒含量与电容变化关系图Fig 4 Relation diagram of wear particle content and capacitance variation

4 结束语

双螺旋结构电容式传感器有均匀的电场分布，电容变化量与磨粒含量呈线性关系，而不受磨粒分布位置影响。润滑油中铁粉磨粒含量的改变会导致润滑油介电常数的改变，润滑油中磨粒含量由0．1%变化到0．5%时该传感器输出电容值变化量约为2pF，根据GB 511—1977可评价出润滑油的磨粒污染度。此外，该传感器还可以用于检测润滑油中的水分污染，对润滑油的磨粒与水分污染进行综合评价。文中得出了电容变化量与磨粒含量的关系，通过这一变化趋势可以设计后续监测分析电路，检测润滑油的劣化度。

［1］ 陈 杰，黄 鸿．传感器与检测技术［M］．1版．北京:高等教育出版社，2002:77－94．

［2］ 赵建福，胡文瑞．微重力两相流相似准则［J］．工程热物理学报，2003，24（1）:131 －133．

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［4］ 李学源，赵 祎．设备劣化的润滑油检测［J］．中国设备工程，2006（增1）:97－98．

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［6］ 孙明礼，胡仁喜．ANSYS10．0电磁学有限元分析实例指导教程［M］．北京:机械工业出版社，2007．

［7］ 龚曙光，谢桂兰．ANSYS操作命令与参数化编程［M］．北京:机械工业出版社，2003．

［8］ 李文涛，张 瑞，王志春．基于螺旋式电极的两相流相关流量测量研究［J］．工业计量 ，2011，21（4）:18 －21．

［9］ 叶佳敏，彭黎辉．小管径管道气液两相流空隙率电容传感器设计［J］．仪器仪表学报，2010，31（6）:1207 －1212．

［10］张晓飞，温熙森．基于介电常数测量的油液监测技术研究［D］．长沙:国防科技大学，2008．

［11］王 隽，李 沈．柴油发动机润滑油品质分析模型的深入研究［D］．沈阳:东北大学，2008．