陳志雄 左洪福 詹志娟 張 營(yíng) 蔡 景 孫見忠

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.南昌航空大學(xué)，南昌，330063

0 引言

目前，可實(shí)現(xiàn)全流量在線磨粒監(jiān)測(cè)的技術(shù)主要有電磁感應(yīng)［1－7］、磁感應(yīng)［5－6，8］和靜電感應(yīng)［5］。采用這些監(jiān)測(cè)技術(shù)所開發(fā)的傳感器均能監(jiān)測(cè)鐵磁性金屬磨粒，有部分產(chǎn)品能檢測(cè)非鐵磁性金屬磨粒。MetalSCAN［1－2］、MPS［3－4］、TA10［5－6］所 能 監(jiān) 測(cè) 的鐵磁性磨粒最小尺寸分別約為100μm、40μm、50μm，所能監(jiān)測(cè)的非鐵磁性磨粒最小尺寸分別約為405μm、135μm、250μm，這些產(chǎn)品對(duì)非鐵磁性磨粒的監(jiān)測(cè)能力遠(yuǎn)小于它們對(duì)鐵磁性磨粒的監(jiān)測(cè)能力。由于磨粒監(jiān)測(cè)原理的不同，各種監(jiān)測(cè)方法對(duì)非鐵磁性與鐵磁性磨粒監(jiān)測(cè)能力呈現(xiàn)出巨大差別，僅有少量研究針對(duì)非鐵磁性金屬磨粒的監(jiān)測(cè)［9］，基于靜電感應(yīng)原理的 OLS［5］對(duì)磨粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以不受材料（鐵磁性金屬、非鐵磁性金屬）影響［10－11］，鑒于此，本文采用靜電感應(yīng)方法對(duì)非鐵磁性磨粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

全流量磨粒靜電信號(hào)的監(jiān)測(cè)對(duì)象為各類機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)零部件磨損產(chǎn)生的磨粒，相比于振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等，全流量磨粒靜電信號(hào)的監(jiān)測(cè)對(duì)零部件衰退早期的癥狀更敏感，并可提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息［10－13］。該監(jiān)測(cè)方法已納入F－35資助計(jì)劃，并被美國(guó)列為軍方保密技術(shù)限制出口。

文獻(xiàn)［14］探索了全流量在線磨粒靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性，研究了潤(rùn)滑條件下聚合物與軸承鋼滑動(dòng)摩擦磨損狀態(tài)的靜電監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［15］研究了航空軸承材料（軸承鋼）的滑動(dòng)摩擦副在潤(rùn)滑條件的不同載荷、不同滑動(dòng)速度時(shí)磨損狀態(tài)的靜電監(jiān)測(cè)。所開展的研究表明，靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬材料（聚丙烯塑料）、鐵磁性材料的摩擦磨損在線監(jiān)測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)膠合磨損的早期預(yù)警。本文是上述工作的延續(xù)，旨在通過(guò)研究軸承鋼球、黃銅球在模擬顆粒注入實(shí)驗(yàn)中的靜電信號(hào)特征，分析鐵磁性與非鐵磁性金屬材料的靜電信號(hào)幅值與顆粒尺寸的關(guān)系，同時(shí)通過(guò)循環(huán)潤(rùn)滑條件下軸承鋼球與黃銅盤所組成的滑動(dòng)摩擦副的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)非鐵磁性金屬材料的監(jiān)測(cè)能力。將自制的全流量在線磨粒靜電傳感器安裝在銷盤摩擦副主油路下游，采集磨粒通過(guò)傳感器時(shí)的靜電感應(yīng)信號(hào)，并實(shí)時(shí)采集摩擦力矩和載荷信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：油路靜電監(jiān)測(cè)方法對(duì)非鐵磁性金屬材料的監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)于對(duì)鐵磁性金屬材料的監(jiān)測(cè)能力；靜電傳感器具有較好的一致性；滑動(dòng)摩擦副實(shí)驗(yàn)中，摩擦因數(shù)與靜電感應(yīng)信號(hào)具有很好的相關(guān)性，能在線監(jiān)測(cè)到非鐵磁性金屬材料。

1 磨粒靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 潤(rùn)滑條件下軸承鋼－黃銅摩擦副荷電磨粒的產(chǎn)生機(jī)理

潤(rùn)滑條件下，摩擦副荷電磨粒的產(chǎn)生機(jī)理很復(fù)雜，受潤(rùn)滑油和摩擦副材料的化學(xué)、物理性質(zhì)及摩擦中摩擦化學(xué)的影響，磨粒荷電機(jī)理主要包括摩擦荷電、接觸荷電和磨粒形成［16］。

潤(rùn)滑條件下，軸承鋼－黃銅滑動(dòng)摩擦副中，黃銅硬度明顯低于軸承鋼球硬度，以磨粒磨損為主。鋼球在黃銅上滑動(dòng)，開始時(shí)，黃銅向鋼表面粘附并沉積，黃銅遷移量與時(shí)間關(guān)系為指數(shù)關(guān)系［17］。隨著滑動(dòng)的繼續(xù)，沉積的黃銅斷裂成磨屑。這些磨屑不斷增加，導(dǎo)致表面變粗糙，使轉(zhuǎn)移的黃銅間斷性產(chǎn)生磨粒。黃銅的轉(zhuǎn)移、沉積和斷裂導(dǎo)致磨損，形成較大尺寸的磨粒。根據(jù)摩擦荷電原理，不同種金屬材料接觸受載、相互滑動(dòng)后分離，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，使兩金屬分別帶上等量異號(hào)電荷。從靜電序列［18］可判斷出黃銅帶負(fù)電，軸承鋼帶正電。電荷幅值依賴于界面性質(zhì)（化學(xué)成分、表面粗糙度）和接觸特性。通常情況下，摩擦過(guò)程中增大了摩擦副的實(shí)際接觸面積［19］，使相互摩擦比靜止接觸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移電荷多［20］。這些荷電磨粒懸浮在流動(dòng)的絕緣潤(rùn)滑油中，經(jīng)過(guò)傳感器探極。由于油液與磨粒的液固界面自然形成雙電層，故兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使雙電層剪切引起磨粒荷電量發(fā)生變化。同時(shí)，磨粒在流動(dòng)時(shí)，磨粒之間、磨粒與管壁之間的碰撞、摩擦、分離進(jìn)一步改變磨粒電荷量。

1.2 磨粒靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

文獻(xiàn)［14］詳細(xì)描述了全流量磨粒靜電監(jiān)測(cè)原理。全流量在線磨粒靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，文獻(xiàn)［15］詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各部分的功能作用。

圖1 全流量在線磨粒靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 顆粒注入實(shí)驗(yàn)

為探索滑油系統(tǒng)中全流量在線磨粒靜電傳感器對(duì)非鐵磁性金屬材料的監(jiān)測(cè)能力，選擇黃銅和軸承鋼GCr15，開展3種不同尺寸的單顆粒注入實(shí)驗(yàn)及直徑2.0mm軸承鋼顆粒的雙顆粒注入實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

為開展顆粒注入實(shí)驗(yàn)，搭建了圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，梨形分液漏斗能產(chǎn)生較高的液面，可實(shí)現(xiàn)油液均勻流動(dòng)；全流量在線磨粒靜電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油中懸浮的荷電磨粒的感應(yīng)電荷檢測(cè)，并將感應(yīng)電荷量變化轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。管道內(nèi)徑越小，靈敏度越高，本文設(shè)計(jì)的靜電傳感器內(nèi)徑為10mm。將SINOCERA牌YE5854A高精度低噪聲電荷放大器用于對(duì)靜電感應(yīng)信號(hào)的放大；采用四通道NI－WLS9234信號(hào)采集卡進(jìn)行靜電感應(yīng)信號(hào)的連續(xù)采集。

圖2 顆粒注入實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)時(shí)，分液漏斗中注入L－HM46潤(rùn)滑油，調(diào)節(jié)閥門控制靜電傳感器油液的流量，待流動(dòng)穩(wěn)定后，依次向分液漏斗中注入顆粒，同時(shí)對(duì)靜電感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

單顆粒注入實(shí)驗(yàn)中，軸承鋼顆粒和黃銅顆粒的直徑分別為3.0mm、2.5mm 和2.0mm。如圖3～圖8所示，顆粒對(duì)應(yīng)著明顯的脈沖尖峰，這與文獻(xiàn)［14］所分析的RMS的脈沖尖峰反映顆粒通過(guò)靜電傳感器規(guī)律一致。

圖3 直徑3.0mm軸承鋼單顆粒注入信號(hào)

圖4 直徑2.5mm軸承鋼單顆粒注入信號(hào)

圖5 直徑2.0mm軸承鋼單顆粒注入信號(hào)

圖6 直徑3.0mm黃銅單顆粒注入信號(hào)

圖7 直徑2.5mm黃銅單顆粒注入信號(hào)

圖8 直徑2.0mm軸承鋼單顆粒注入信號(hào)

為更方便地定量比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將圖3～圖8的靜電感應(yīng)信號(hào)RMS進(jìn)行整理，形成表1中的RMS均值數(shù)據(jù)。表1歸納了6種單顆粒注入的測(cè)試結(jié)果，每一組尺寸顆粒實(shí)驗(yàn)的感應(yīng)信號(hào)RMS均值為去除油液背景信號(hào)所獲得的顆粒靜電信號(hào)RMS的計(jì)算結(jié)果。從表1中看到，無(wú)論是軸承鋼或黃銅，大顆粒的靜電感應(yīng)信號(hào)RMS均值均大于小顆粒的靜電感應(yīng)信號(hào)RMS均值，這與文獻(xiàn)［14，21］的理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，即顆粒直徑與感應(yīng)電壓相關(guān)，靜電感應(yīng)信號(hào)中尖峰的幅值反映了顆粒的尺寸特征。

表1 6種單顆粒注入的測(cè)試結(jié)果分析

潤(rùn)滑油流量的波動(dòng)和注入顆粒時(shí)的抖動(dòng)會(huì)引起顆粒經(jīng)過(guò)靜電傳感器時(shí)信號(hào)的變化，進(jìn)一步引起監(jiān)測(cè)的靜電感應(yīng)信號(hào)RMS的變化。本文采用同一規(guī)格顆粒的多次實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)傳感器輸出結(jié)果的一致性水平。測(cè)量相對(duì)不確定度η反映測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值關(guān)系：

式中，xi為第i次測(cè)量值；n為測(cè)量次數(shù)；為n次測(cè)量結(jié)果的均值。

將η作為衡量測(cè)試結(jié)果一致性指標(biāo)［22］。η越小，靜電傳感器的測(cè)試結(jié)果分散程度越小，數(shù)據(jù)均勻性越好。

從表1看出，6組實(shí)驗(yàn)的測(cè)量相對(duì)不確定度η的最大值為14.42%，最小值為6.08%，均小于15%，滿足實(shí)際測(cè)量精度要求，所以本文采用的自制全流量磨粒靜電傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果較為穩(wěn)定。

為進(jìn)一步驗(yàn)證顆粒直徑與靜電感應(yīng)信號(hào)的關(guān)系，同時(shí)注入2個(gè)直徑2.0mm軸承鋼顆粒，分別進(jìn)行3次雙顆粒注入實(shí)驗(yàn)，獲得的感應(yīng)信號(hào)及感應(yīng)信號(hào)RMS如圖9所示。

圖9 直徑2.0mm軸承鋼雙顆粒注入信號(hào)

文獻(xiàn)［14］的研究表明，感應(yīng)電壓幅值與顆粒等效直徑之間關(guān)系為

式中，K′為由傳感器探極電阻R、探極感應(yīng)面積A和顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)速度v的常數(shù)；k為探極感應(yīng)電荷中的常數(shù)；α為與顆粒材料和荷電介質(zhì)等有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)其他條件一定時(shí)，它影響感應(yīng)電壓幅值的斜率；dp為顆粒等效直徑；γ為由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，通常為1.2～1.6；f（t）為與顆粒距離探極位置有關(guān)的時(shí)間變量。

按這一理論分析可知，所采集的靜電感應(yīng)電壓信號(hào)不僅與顆粒尺寸有關(guān)，還受顆粒材料、油液介質(zhì)等多種因素影響。

對(duì)圖9所示的測(cè)試數(shù)據(jù)，去除油液背景信號(hào)所獲得的雙顆粒靜電信號(hào)RMS均值為0.656μV，與單顆粒實(shí)驗(yàn)中獲得的靜電信號(hào)RMS均值0.514μV相比，感應(yīng)信號(hào)RMS增大到1.28倍，小于兩者等效直徑之比的1.414，這可能是由于顆粒在不同徑向位置引起靜電感應(yīng)信號(hào)的變化所致。

表1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，靜電監(jiān)測(cè)方法用于直徑3.0mm、2.5mm 和2.0mm 三種尺寸軸承鋼球和黃銅球顆粒注入實(shí)驗(yàn)時(shí)，每一尺寸下黃銅球感應(yīng)信號(hào)RMS均值均大于軸承鋼球的RMS均值，這表明靜電監(jiān)測(cè)方法對(duì)黃銅的監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)于對(duì)軸承鋼的監(jiān)測(cè)能力。

3 軸承鋼－黃銅滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)MMW－1A型萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的銷盤摩擦副進(jìn)行改裝，并外接便攜式的滑油系統(tǒng)，將自制的全流量磨粒靜電傳感器安裝在磨損區(qū)域下游的主回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒的全流量在線檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中，采用四通道信號(hào)采集卡對(duì)油液磨粒靜電信號(hào)、載荷和摩擦力矩進(jìn)行采集。摩擦因數(shù)μ可由式μ＝M/（rF）計(jì)算得到，其中，M為摩擦力矩，N·mm；r為球試件與盤試件旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離，mm；F為載荷，N。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用昆侖牌L－HM46液壓油，滑油系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)壓力p＝0.3MPa，體積流量qV＝15L/min，油管內(nèi)徑為10mm，全流量磨粒靜電傳感器的進(jìn)出油管段均為長(zhǎng)500mm的不銹鋼直圓管，計(jì)算得到雷諾數(shù)Re＝759.7，潤(rùn)滑油流速vL＝3.183m/s。潤(rùn)滑油實(shí)際雷諾數(shù)小于金屬油管臨界雷諾數(shù)2300，表明油液流動(dòng)為層流。

球試件選用上海鋼球廠生產(chǎn)的直徑6mm的GCr15軸承鋼球，按GB308－89測(cè)得鋼球?yàn)镚10級(jí)，振動(dòng)級(jí)為Z3，表面硬度為HRC60，表面粗糙度Ra＝0.04μm。實(shí)驗(yàn)前對(duì)軸承鋼球采用丙酮超聲清洗30min，在90℃的干燥箱中干燥60min。盤試件為黃銅（Cu、Al、Fe、Ni、Sb、Bi、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58.5%、0.2%、0.5%、1.35%、0.01%、0.003%、0.02%，雜質(zhì)總和小于0.3%，其余為Zn），按尺寸φ80mm×8mm加工。為使黃銅盤試件達(dá)到Ra＝0.4μm的要求，實(shí)驗(yàn)前對(duì)盤試件表面用800目氧化鋁水砂紙?jiān)赮G－4503砂光機(jī)粗磨，再用1600目金相砂紙精磨，采用與球試件同樣方法清洗、干燥，最后用德國(guó)馬爾便攜式粗糙度儀M1對(duì)盤試件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。球試件和盤試件實(shí)物如圖11所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)滑油系統(tǒng)，運(yùn)行10min穩(wěn)定后開始滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開始數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用丙酮超聲清洗球試件和盤試件30min，再在90°C的干燥箱中干燥60min。采用江南牌SZ6100平行光體視顯微鏡對(duì)銷試件和盤試件進(jìn)行摩擦表面微觀分析。實(shí)驗(yàn)中，載荷F＝100N，滑動(dòng)速度v分別為3.0m/s、3.5m/s，以研究摩擦因數(shù)、靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖11 實(shí)驗(yàn)中采用的球試件和盤試件實(shí)物

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖12所示為軸承鋼球試件與黃銅盤試件在滑動(dòng)速度v＝3.5m/s，載荷F＝100N時(shí)實(shí)時(shí)采集的摩擦因數(shù)、OLS靜電感應(yīng)信號(hào)，及對(duì)靜電感應(yīng)信號(hào)計(jì)算獲得的感應(yīng)信號(hào)RMS。由圖12a可知，在開始摩擦的25s內(nèi)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.14左右，隨后出現(xiàn)波動(dòng)上升，最大達(dá)到0.20。圖12b中，OLS靜電感應(yīng)信號(hào)基本圍繞某一定值波動(dòng)，在第27s之后，靜電感應(yīng)信號(hào)波動(dòng)幅值增大，進(jìn)一步對(duì)靜電感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行RMS分析，得到圖12c所示的波形。從圖12c看到，在開始摩擦的前27s，RMS保持在6μV左右，此后出現(xiàn)緩慢上升，達(dá)到8μV左右，這一變化趨勢(shì)同摩擦因數(shù)相對(duì)應(yīng)，所以靜電信號(hào)RMS能反應(yīng)摩擦過(guò)程的變化。本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與文獻(xiàn)［14］中磨損加劇時(shí)出現(xiàn)靜電感應(yīng)信號(hào)RMS整體上升趨勢(shì)的規(guī)律一致。本文后一組實(shí)驗(yàn)中，直接采用靜電感應(yīng)信號(hào)RMS對(duì)油液磨粒靜電信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，觀察摩擦副表面，盤試件摩擦軌跡上有明顯的較深的凹痕，球試件表面有黃銅材料粘附其上。

圖12 銷盤滑動(dòng)摩擦系數(shù)與靜電信號(hào)

圖13a所示為軸承鋼球試件與黃銅盤試件在滑動(dòng)速度v＝3.0m/s，載荷F＝100N時(shí)的摩擦因數(shù)、對(duì)OLS靜電感應(yīng)信號(hào)計(jì)算獲得的感應(yīng)信號(hào)RMS。由圖13看到，摩擦因數(shù)變化規(guī)律與圖12中規(guī)律類似，靜電感應(yīng)信號(hào)RMS在第65s后所對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)出現(xiàn)有較多脈沖尖峰的鋸齒狀信號(hào)。由顆粒注入實(shí)驗(yàn)可知，每個(gè)脈沖尖峰對(duì)應(yīng)著一個(gè)大顆粒，表明由于磨損產(chǎn)生較大尺寸磨粒，摩擦因數(shù)與靜電感應(yīng)信號(hào)RMS呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。這一特征與文獻(xiàn)［14－15］所反映的規(guī)律一致。

3.3 表面形貌分析

圖13 銷盤滑動(dòng)摩擦因數(shù)與靜電信號(hào)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取下盤試件，在滑動(dòng)軌跡周圍觀察到黑色物質(zhì)（圖14a），這些物質(zhì)可能是軸承鋼的磨損氧化物，也可能油碳化物。在兩種實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)盤試件和球試件進(jìn)行清洗、干燥處理，黃銅盤試件表面的滑動(dòng)軌跡上看到犁溝槽，如圖14b所示，在體視顯微鏡下觀察其微觀形貌，能清晰看到犁溝凹槽特征，這表明載荷作用下硬度大的軸承鋼球在黃銅盤表面發(fā)生微切削。如圖15所示，在軸承鋼球表面看到一道道凸起痕跡，表明硬度大的軸承鋼球也發(fā)生了磨損。黃銅盤試件表面在犁削作用下形成磨屑，引起了摩擦因數(shù)產(chǎn)生鋸齒狀波動(dòng)，圖12a和13a清楚地顯示出摩擦因數(shù)的這一變化。圖15中球表面的物質(zhì)為黃銅轉(zhuǎn)移物質(zhì)，圖14a中在滑動(dòng)軌跡周圍出現(xiàn)的黑色物質(zhì)為潤(rùn)滑油氧化產(chǎn)物。伴隨黃銅向軸承鋼球的材料轉(zhuǎn)移，黃銅在高接觸應(yīng)力下接觸副發(fā)生塑性變形，引起接觸區(qū)溫度明顯升高，轉(zhuǎn)移的黃銅在高溫作用下使?jié)櫥偷难趸俣仍龃?0倍［23］，從而產(chǎn)生潤(rùn)滑油的氧化碳化反應(yīng)。

圖14 盤試件表面分析

圖15 球試件表面圖像

4 結(jié)論

（1）軸承鋼球和黃銅球顆粒注入監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，全流量在線磨粒靜電傳感器具有較好的檢測(cè)一致性。

（2）相同尺寸的黃銅球感應(yīng)信號(hào)RMS大于軸承鋼球感應(yīng)信號(hào)RMS，表明靜電監(jiān)測(cè)方法對(duì)非鐵磁性材料（黃銅）的監(jiān)測(cè)能力大于對(duì)鐵磁性材料（軸承鋼）的監(jiān)測(cè)能力。

（3）同一載荷兩種滑動(dòng)速度條件循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，靜電感應(yīng)信號(hào)與摩擦因數(shù)具有較好相關(guān)性。在磨損階段，靜電感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)脈沖尖峰與持續(xù)上升。

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