基于有限元技术的滚轮滑轨静电传感器设计研究

Study of Electrostatic Sensor Design for W heel-Slide Based on FiniteElement TechnologyCAI Jing，XU Yi-ming，LIN Hai-bin(Colege of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract：The wheel-slide is an important part of the flap and slat in the aircraft，and it contributespractical significance to study electrostatic monitoring technology for wheel-slide.The electrostaticsensor is the front terminal of the wheel-slide electrostatic monitoring system and is the pre-requisiteto obtain the measured parameters.So，on the basis of the charge mechanism and measure principle，the wheel-slide electrostatic sensor is designed considering the special work environment and structureof the wheel-slide，then finite element analysis on the electrostatic sensor is researched.W hich providepractical important base and technology means for its operation of wheel-slide electrostatic monitoringsystem。

Keywords：electrostatic sensor；wheel-slide；finiteelementtechnology滚轮滑轨是飞机襟缝翼运动机构中的关键元件，由于装配不当、润滑不良，水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能使滚轮滑轨过早损坏。

具体可以归纳为如下几大类：滚轮滑轨的疲劳失效损伤使得滚动体或滚动表面产生剥落坑，并向大片剥落发展，导致滚轮滑轨失效；滚轮滑轨的胶合失效损伤使得表面烧伤，并使金属从-个表面粘附到另-个表面；滚轮滑轨的磨损失效损伤降低运转周期；滚轮滑轨的烧伤失效损伤使得表面局部软化，降低使用寿命；滚轮滑轨的腐蚀失收稿日期：2011-09-21；修订日期：2012-l1-12基金项目：航空基金 (2009ZF52059)；江苏省自然科学基金 (BK2011737)；南京航空航天大学专项科研项 目(NS2010171)第1期 蔡 景 等：基于有限元技术的滚轮滑轨静电传感器设计研究效损伤使得表面由于电流、化学和机械作用产生损伤，丧失精度而不能继续工作；滚轮滑轨的破损失效损伤导致产生裂纹，断裂，使之失效；滚轮滑轨的压痕失效损伤使得表面凹凸不平，降低使用寿命。目前滚轮滑轨的监测手段基本只有定期检查，难以有效实现故障预测，存在安全隐患的同时还会造成剩余寿命的浪费。现有的振动监测、滑油监测技术虽然在其他领域取得了-定的效果，形成了-些故障诊断方法与模型l ，但用于滚轮滑轨的监测并不理想，其中振动监测由于易受干扰，使得其监测精度和深度不够；滑油监测难以实现在线监测 ，所以和定期检查-样，难以有效实现对故障的监测和预测。

随着监测技术的不断发展 ，-种新型的静电监测技术正在受到越来越多的研究和关注。上世纪70年代后期，静电监测技术第-次被用于航空发动机中，对发动机进气和排气中微信柳行监测，以判断发动机的降状态 ，并形成了发动机排气颗粒监测系统 (Exhaust Debris MonitoringSystem，EDMS)和吸人物监测系统 (IngestedDebris Monitoring System，IDMS)。在此基础上，针对发动机油路，进-步研制了静电油液磨粒监测系统 (Electrostatic Oil Debris Monitor，EODM)，包括油路在线监测传感器 (Oil-Line Sensor，OLS)和磨损区域传感器(Wear-Site Sensor，WSS) ]。

经过2O多年的地面试验后，静电监测技术已经被用于JSF战斗机，实践证明，在发动机磨损的初期，静电监测技术可以有效的监测到磨损颗粒[ 。

因此，基于静电的新监测技术正受到越来越多的关注与研究，本文针对滚轮滑轨的特点 ，开展基于有限元的滚轮滑轨静电传感器设计研究。

1静电传感器的测量模型与结构设计1.1 磨损颗粒的致电机理根据国外的研究[8]，机械设备的摩擦磨损会导致电荷的产生，就电荷产生的机理而言，研究者发现主要在于微裂纹、表面分子相互作用 、氧化脱膜、塑性变形、弹性变形等原因，详见图1。

在 以上的研究基础上，通过进-步的研究发现，在设备运转过程中，滚动摩擦表面会发生摩擦物理和摩擦化学现象，这些摩擦物理和化学现象都可能造成摩擦界面带电。但是磨粒荷电机理比较复杂，目前还没有系统介绍磨粒荷电机理的相关文献资料，Southampton大学与Smiths Aerospace Information Systems合作开展销盘、FZG齿轮试验台的黏着磨损与磨粒在线监测试验研究 ，揭示磨粒荷电机理主要有4种 ：摩擦带电tribocharging(或tribo-charging)，表面电荷surfaee charge variations(或surfaee charging)，颗粒形成debris generation(或debris f0rmati0n/transport)和摩擦放射 exo-emissions(或tribo-(or exo-)emissions)l摩擦功与磨损微裂纹l J霜要 莆l 氧化脱膜 l塑性变形l 弹性变形l l 、 - --颗粒形成I l摩擦起电l rI产囊蔷的l l 热 lI储 应1.申申电荷图1 致电机理分类1.2 静电传感器的测量原理和模型静电感应为-个独立电荷颗粒经过静电传感器表面发生的情况。电荷引起的电场线终止在传感器表面。传感器中的电子通过重排平衡其周围的额外电荷，从而产生了可被信号调理器监测到的电流。实际上，所谓的电荷移动，只是传感器表面的电荷感应而已。-旦带电颗粒离开传感器表面，传感器内部电子也将返回到电中性状态，从而产生了零电荷。信号调理器将监测到的电荷信号转变为相应的电压信号 (理想化的响应，如图2所示 )，从而可以探测颗粒并实时处理。

域图2 静电监测系统示意图第33卷图2所示给出了应用静电传感器监测荷电颗粒的系统示意图。静电传感器检测的实质，是利用静电传感器与荷电颗粒所形成的静电场之间的相互作用。随着颗粒的移动导致其形成的静电场不断变化，致使静电传感器输出的感应电荷和电势也随之变化。因此，在荷电颗粒在流经传感器的敏感区域时，静电传感器产生感应电信号，信号比较微弱，经过信号调理器调理后，转换为电压信号。

H.E.G.Powrie提出的静电传感器感应电荷的数学模型是基于点电荷和高斯定理的，认为当点电荷Q处于静电传感器区域时，以Q为中心构建-个球形高斯面 ，球半径为x，通过闭合曲面 的电场为E，因此，由高斯定理可得其电通量为：E.dS4rex E (1)J 其中：s为介质常数。假定高斯面 上有-个小面元4，那么通过面元4的电场通量可以近似为：AE～ (2)其中：QA是电荷Q在面A上产生的感应电荷。如果近似把面A看作是静电传感器的表面，从而推导出感应电荷的数学表达式：～ QA (3)此静电传感器感应电荷的数学模型虽存在没有考虑其它金属对电场E产生的影响等缺陷，但由于推导简单，仍得到了广泛的应用。

1.3 静电传感器的结构设计根据滚轮滑轨的结构和使用特点，结合静电传感器的传感机理，提出了可用于滚轮滑轨监测的静电传感器的结构设计方案，其形状及其模型可以简化为如图3所示。

图3 静电传感器结构示意图由图3可见，内部电路(信号调理)、接地屏蔽、绝缘介质以及电极四大部分构成了静电传感器。其中电极用于感应出滚轮滑轨磨损带电颗粒的电信号，因此电极要求是电性很好的导体，以保证各节点电势相等；为了减少外界对电信号的干扰，选择电阻率极大的材料作为绝缘材料；由于静电信号非常微弱而且不可避免地存在外来电磁干扰，因此，需要对静电信号进行调理，去除噪音并放大信号。由于滚轮滑轨的磨损物通常是以颗粒存在的，所以可以将单个磨损带电颗链成点电荷 ，因此，可以通过研究在点电荷情况下的电极感应特性，掌握静电传感器的传感特性。

本文的静电传感器的有限元仿真分析就是建立在点电荷的基础上。

2 静电传感器的有限元仿真分析2.1 静电传感器敏感区的有限元建模有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的-种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的-种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁尝流体力学等连续性问题。本文采用ANSYS有限元分析软件对静电传感器进行分析，其主要过程中包括以下几个步骤：(1)建立有限元模型建立模型的基本过程包括：问题及求解域定义、求解域离散化(有限元网络划分)、确定状态变量及控制方法、推导有限单元的列式、联立方程组求解和结果解释。简而言之，有限元分析可分成3个阶段，前处理 、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分 ；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

由于滚轮滑轨的静电传感器的设计结构中电极是扁圆柱形的，具有轴向对称性，所以可以将带电磨损颗粒形成的静电场视为二维静电场，以简化其有限元模型。根据电极的结构设计特点和计算精度要求，选用8节点2-D四边形或者三角形轴对称单元PLANE121，在远场区域与单元PLANE121配合使用的是8节点2-D四边形轴对称单元INFIN1 10。为此，在分析中设计了如下的参数：电极半径尺、厚度日和电阻率；绝缘介质的内外径尺寸以及相对介电常数s，；施加电荷载荷的空间尺寸及相对介电常数 。由于在电极和绝缘体附近电势变化较大，为了分析的提高精度，因此需要进行较细的网格划分。

第1期 蔡 景 等：基于有限元技术的滚轮滑轨静电传感器设计研究 29(2)施加载荷和求解由于电极是导电性很好的导体，所以可以认为各节点电势相等，因此有限元模型中对于电极不需进行网格的划分，只需将电极边界节点进行自由度耦合，使其电势相等。基于本文点电荷的假设，为此在划分的网格节点上施加点电荷作为激励元。针对ANSYS中存在的不同求解器，通过比较分析，选取了对计算机内存要求不高、而且稳定性相对较好的波前求解器，通过波前求解器，就可以获得各个节点的电势值。

(3)后处理器处理和结果分析由于本文需要最终确定 的不只是电荷在电极上的分布，而是点电荷在滚轮滑轨静电传感器上所感应的电荷量总和。因此在通用后处理器(POST1)中可以对结果进行处理，从而获得静电场强的分布以及电极上的感应电量。为了后续分析的需要 ，可以把数据生成文本文件输出，实现数据的保存和外部处理，为进-步分析静电传感器性能提供条件。

2-2 静电传感器的传感特性分析由于静电传感器沿着电极轴向对称分布，在简化的二维有限元模型中，灵敏度随着坐标值 ，的变化而变化，因此其灵敏度的测量可以分别采用固定 或Y值，在此基础上 ，然后确定不同Y或X值下的灵敏度 ，从而可以获得整个二维区域的灵敏度分布。

静电传感器空间灵敏度可表示为：( ， )l l (4)0式中：g。为施感的点电荷；g为在点电荷g。作用下电极上的感应电量。

根据传感器的结构设计尺寸，给出了如下的参数：电极半径RI cm，轴向厚度H2 mm，设空气电阻率为1.737 6e墙Q·m；绝缘介质常数s，2.25；施加载荷的空气域长度为20 cm，宽度为2 crn。为此 ，点电荷在不同的Y值下沿着 坐标方向移动，从而获取多组静电传感器的灵敏度，如图4所示。

当点电荷在不同的 值下沿着Y坐标方向移动，从而获取多组静电传感器的灵敏度，如图5所示。

由图4、图5可知，在任-)，值上，灵敏度都随 值的增大而相应减小，而在任- 值上，灵敏度都随Iyl值的增大而相应减校即表明当点电荷离电极的远近决定了敏感场的强弱，这-结论符合电感应的实际情况。

替图4 沿 轴方向的静电传感器灵敏度分布同时从图5中可以看出，随着Lx1值由1-7的增大，灵敏度的变化逐渐趋于平缓，灵敏度分布的中特性反应了静电传感器外壳、相连接的边界以及外界对点电荷形成的静电场产生的影响。

替Y图5 my轴方向的静电传感器灵敏度分布3 结 论本文针对飞机襟缝翼的关键元件滚轮滑轨的结构和使用特点，从摩擦磨损的致电机理和测量原理出发，研究了静电传感器的测量模型与结构设计，在此基础上，采用有限元技术，进行了滚轮滑轨的静电传感器有限元仿真分析研究 ，从而为静电传感器的进-步完善设计和实际应用提供了重要基赐手段。