基于高梯度径向磁场的在线磨粒检测理论与关键技术研究

This project focuses on the problems of on-line inductive debris monitoring and presents a radial inductive method to improve sensitivity and eliminate error causing by uneven magnetic field. This method can eliminates the coupling between detection coils and sensitive zone by radial magnetic field that high gradient and high uniformity will be both achieved by parameter optimization. In order to solve the serious interference and error causing by debris aliasing, a hybrid method based on band pass filter and correlation algorithm and an elimination method based on signal’s time characteristic will be presented. Moreover, this project develops the on-line debris sensor using high gradient radial magnetic field and establishes the life prediction theory based on debris information for hydraulic system. Finally, all methods and theories are verified by experiments. Predictably, these achievements will support the development of on-line debris monitoring and promotes hydraulic system to achieve high reliability, long life and condition based maintenance for national big aircraft.

本项目针对现有电感式在线磨粒检测技术中存在灵敏度不足和磁场不均匀导致误差等问题，提出了一种基于高梯度径向磁场的在线磨粒检测方法。这种方法基于径向磁场使得检测线圈与敏感区间解耦，从而通过传感器优化设计能实现同时磁场的高梯度和高均匀性。为克服传感器实际使用过程中存在的严重干扰以及磨粒混叠造成的误差等问题，提出基于窄带滤波与相关运算结合的信噪比提升方法和基于信号特征时间的混叠误差消除方法，优化设计并研制高梯度径向磁场的磨粒检测传感器，建立高梯度径向磁场的磨粒检测理论和基于磨粒信息的液压系统寿命预测理论。最终通过实验对所得研究成果的有效性与可行性进行实验验证，为我国在线磨粒检测技术提供理论支撑和技术支持，为实现国产大飞机液压系统高可靠长寿命和视情维修提供理论基础和技术手段。

摩擦副广泛存在于流体机械系统中，其摩擦副磨粒的磨损是造成机械系统故障的主要诱因。本项目针对传统基于电磁原理的磨粒检测存在的问题，开展的研究工作以及取得的主要结果如下：..（1）提出了一种基于径向磁场的磨粒检测方法，基于等效磁阻和磁核建立了传感器的数学模型，设计了传感器，验证了传感器模型和基于径向磁场的电感式检测方法的有效性。试验结果表明：该传感器能在外径为12mm的管道中检测等效边长为81um的立方体铁磁质磨粒。通过与两种典型的轴向磨粒传感器对比，表明基于径向磁场的检测方法具有更高的灵敏度。..（2）建立了相关运算的信噪比评价模型，提出了一种带通滤波与相关运算相结合的磨粒传感器灵敏度提升方法。通过在仿真和实际干扰中叠加磨粒信号的方式验证了这种方法的有效性。仿真和试验验证了采用该方法能够将信噪比至少提升到原来的2.63倍。即在相同的信噪比条件下，可识别的磨粒体积将减小为原来的38%。..（3）提出基于二维能量直方图聚类方法和掩码方法结合的磨粒混叠信号分离方法，对信号进行带通滤波去噪并进行短时傅里叶变换，采用求解信号的时频域特征，基于二维能量直方图聚类，结合卷积神经网络，实现在线磨粒混叠信号分离，试验验证了两个磨粒间距很小时可以实现有效分离。..（4）建立了在给定载荷与表面粗糙度条件下磨损颗粒的特征（数量、尺寸分布、形貌特征）随时间变化的数值模型。基于共轭梯度下降法求解表面应力和次表面应力，结合Von-Mises断裂准则给出了任意尺度下磨粒生成的过程模型，通过蒙特卡洛方法统计得到磨损颗粒的特征的时变数据模型，。..（5）基于磨损生成过程中的正反馈作用建立了磨粒产生的动力学模型，提出以磨粒产生速率的突变作为机械故障的标志，并以突变的峰值时刻作为寿命终点的寿命预测方法。通过风力发电机组齿轮箱磨粒监测数据验证了此模型在寿命预测中具有早期精度高、鲁棒性好的优点。..（6）考虑到工况、环境和模型的不确定性，提出自适应阶次的粒子滤波方法。通过高阶模型预测、贝叶斯更新、粒子滤波重要性重采样方法将均方误差最小作为最优阶次的模型，通过某型航空液压泵剩余寿命预测证明了以上方法的有效性。