提高液壓缸傳感器的可靠性：如何在惡劣條件下保持設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間

在液壓行業(yè)中，可靠性始終至關(guān)重要，而在鋸木廠、鑄造廠、鋼鐵廠以及移動(dòng)機(jī)械等典型的惡劣且復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景中，保持設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間可能尤其具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于流體動(dòng)力工程師而言，隨著液壓缸上傳感器的廣泛應(yīng)用，這已成為一個(gè)更為關(guān)鍵的問(wèn)題。

反饋裝置能讓用戶確保精度、跟蹤設(shè)備性能，并在故障演變成重大停機(jī)事故之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。遺憾的是，從耐用性的角度來(lái)看，傳感器和電子元件往往是液壓控制回路中的薄弱環(huán)節(jié)，但通過(guò)合理規(guī)劃，您的系統(tǒng)能夠持續(xù)正常運(yùn)行。讓我們深入探討工程師們面臨的障礙，以及在惡劣和困難環(huán)境中有助于確保設(shè)備不間斷且無(wú)故障運(yùn)行的策略。

氣缸檢測(cè)

在簡(jiǎn)單且要求不高的應(yīng)用中，設(shè)備設(shè)計(jì)師在選擇氣缸傳感器時(shí)有很多選擇。兩種基本的定位方法是行程末端傳感和連續(xù)傳感。行程末端傳感器，如霍爾效應(yīng)裝置，通常成本較低，但只能告知活塞桿是完全伸出還是完全縮回。

連續(xù)位置傳感器，如線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）、光學(xué)編碼器和磁致伸縮位移傳感器，成本更高，但能提供更多信息。用戶可以隨時(shí)精確地知道氣缸桿的位置。

堅(jiān)固的磁致伸縮位移傳感器旨在承受鋸木廠典型的沖擊和振動(dòng)

在像木材加工廠和輪胎硫化機(jī)等嚴(yán)苛的應(yīng)用中，當(dāng)需要連續(xù)的液壓缸位置反饋時(shí)，磁致伸縮氣缸傳感器被廣泛使用。由于其高精度、寬溫度范圍、無(wú)磨損運(yùn)行以及對(duì)沖擊和振動(dòng)的耐受性，它們比其他傳感器更受青睞。在這種設(shè)計(jì)中，傳感探頭安裝在氣缸內(nèi)部，因此設(shè)備的大部分都能得到良好的保護(hù)。（更多詳細(xì)信息請(qǐng)參見側(cè)邊欄“磁致伸縮傳感器基礎(chǔ)知識(shí)”）

但無(wú)論指定的是哪種類型的氣缸傳感器，高要求的應(yīng)用都會(huì)挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的生存極限，并可能導(dǎo)致傳感器過(guò)早失效。以下是一些常見問(wèn)題，以及在不利運(yùn)行條件下提高設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間的方法。

極端高溫

極端溫度對(duì)任何傳感器來(lái)說(shuō)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在鋼鐵高爐、連鑄機(jī)和熱軋生產(chǎn)線附近運(yùn)行時(shí)，設(shè)備會(huì)處于高溫環(huán)境中，這會(huì)給電子元件帶來(lái)壓力并加速其失效。

用戶必須應(yīng)對(duì)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射熱傳遞。為了應(yīng)對(duì)這種情況，需要評(píng)估安裝情況，并盡可能減少傳感器暴露在熱源下的程度。對(duì)于傳導(dǎo)散熱，如果可能的話，將傳感器盡可能移到離熱源較遠(yuǎn)的地方。或者，如果氣缸的后耳環(huán)直接連接到熱源，您可以安裝一個(gè)隔熱屏障（絕緣體）來(lái)阻斷傳導(dǎo)路徑。

通過(guò)安裝隔熱罩來(lái)偏轉(zhuǎn)熱氣流，使其遠(yuǎn)離傳感器外殼，從而減輕對(duì)流散熱的影響。通常，同樣的防護(hù)裝置也會(huì)阻擋輻射的紅外能量，盡管可能會(huì)有一些熱量從背面重新輻射回來(lái)。接下來(lái)，看看傳感器本身。標(biāo)準(zhǔn)氣缸傳感器的最高額定溫度通常為75°C（167°F），但也有增強(qiáng)版本，可承受高達(dá)100°C（212°F）的溫度。

而且不要忘記，并非所有電纜都一樣。標(biāo)準(zhǔn)的聚氨酯電纜材料在較高溫度下會(huì)迅速變質(zhì)或熔化，然而，像聚四氟乙烯（PTFE）這樣的特殊電纜護(hù)套材料可承受高達(dá)200°C（392°F）的溫度。

還有一種我們稱之為“犧牲電纜”的策略。如果在傳感器和控制箱之間使用一根20米長(zhǎng)的電纜，而這根電纜出現(xiàn)故障，您將需要重新鋪設(shè)整根20米的電纜。相反，可以在傳感器和主電纜之間插入一根短的“犧牲電纜”。如果它因高溫而損壞，技術(shù)人員可以快速拔下并更換，而無(wú)需重新鋪設(shè)整根主干電纜。

在惡劣環(huán)境中，對(duì)于電子元件來(lái)說(shuō)溫度仍然過(guò)高而無(wú)法正常工作嗎？在這種情況下，可以將傳感器安裝在為空氣或水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保護(hù)外殼中。例如，像恒立液壓這樣的企業(yè)，生產(chǎn)的水冷液壓缸可以降低傳感器的溫度。

極度寒冷

在北極地區(qū)的石油和天然氣作業(yè)中，經(jīng)常會(huì)遇到相反的情況，那里的溫度可能會(huì)降至-40°C（-40°F）或更低。在這些溫度下，用于密封件和墊圈、電纜絕緣層和外護(hù)套以及傳感器元件阻尼材料的聚合物會(huì)變脆。半導(dǎo)體材料開始失去導(dǎo)電性，電路可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的行為。

采用低溫聚合物配方的特殊液壓缸傳感器，設(shè)計(jì)工作溫度可低至-50°C（-58°F）。為了應(yīng)對(duì)電子故障，制造商可能會(huì)規(guī)定在-40°C以下持續(xù)為電子元件供電。散熱會(huì)使電子元件升溫，并使其保持在合適的工作范圍內(nèi)。

物理沖擊

鋸木廠中掉落的原木、移動(dòng)車輛中飛起的石塊，以及工人在攀爬設(shè)備時(shí)簡(jiǎn)單地將氣缸當(dāng)作臺(tái)階使用，這些都是造成機(jī)械沖擊的常見原因。一般來(lái)說(shuō)，液壓缸堅(jiān)固耐用，能夠承受這種濫用。但對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，情況并非如此。標(biāo)準(zhǔn)氣缸位移傳感器通常有一個(gè)外露的擠壓鋁制外殼。為了提高傳感器在沖擊載荷下的存活幾率，可以采取防護(hù)、嵌入和升級(jí)的方法。

-防護(hù)：許多氣缸制造商為氣缸傳感器提供附件防護(hù)裝置。一個(gè)大的端蓋——本質(zhì)上是一段鋼管——安裝在氣缸的后端，以保護(hù)內(nèi)部的傳感器。缺點(diǎn)是在維修傳感器時(shí)必須將其拆下，而且很多時(shí)候，維修后就不再安裝回去了，這使得傳感器容易受到?jīng)_擊。

磁致伸縮位移傳感器通常安裝在圓柱活塞桿內(nèi)

-嵌入：可以將緊湊型傳感器嵌入氣缸內(nèi)部，而不是安裝在氣缸外部。這樣，堅(jiān)固的氣缸本身就能保護(hù)傳感器免受損壞，只有電氣連接部分暴露在外。這種傳感器通常安裝在用于移動(dòng)液壓應(yīng)用的焊接氣缸中，也適用于固定的工業(yè)應(yīng)用。

-升級(jí)：具有特別堅(jiān)固外殼的氣缸傳感器是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)類型的升級(jí)。這些設(shè)計(jì)采用低矮、堅(jiān)固的不銹鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)螺栓固定。外殼幾乎就像它自己的保護(hù)罩一樣。

沖擊和振動(dòng)

在惡劣的運(yùn)行條件下，沖擊和振動(dòng)可能是對(duì)可靠性的首要挑戰(zhàn)。通常，它們是不可避免的。沖擊在許多應(yīng)用中是固有的——這就是為什么選擇液壓驅(qū)動(dòng)而不是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的原因——但有時(shí)反饋裝置無(wú)法承受這種沖擊。如果您遇到真正有問(wèn)題的應(yīng)用場(chǎng)景，這里有一些應(yīng)對(duì)方法。

1.查看液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。如果某個(gè)應(yīng)用由于沖擊導(dǎo)致傳感器故障率較高，首先要確定是否可以調(diào)整機(jī)器操作以減少?zèng)_擊載荷。例如，能否調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制曲線，使其提供更柔和的加速或減速，實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的啟動(dòng)和停止？減少?zèng)_擊的關(guān)鍵是降低重力加速度的峰值幅度，并延長(zhǎng)瞬態(tài)時(shí)間，使加速度梯度不那么劇烈。在6毫秒內(nèi)承受100g的峰值沖擊，比在3毫秒內(nèi)承受相同的載荷要輕一些。

2.尋找具有更堅(jiān)固規(guī)格的傳感器。大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器至少能承受100g的沖擊。有些甚至超過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，額定值高達(dá)150g。而且傳感器供應(yīng)商可能會(huì)提供一些未在其產(chǎn)品目錄中公布的特殊工程變體。

3.還要考慮連接器。安裝在傳感器上的連接器增加的質(zhì)量，可能會(huì)使傳感系統(tǒng)更容易受到嚴(yán)重沖擊、彎曲和開裂的影響。在劇烈的液壓應(yīng)用中，用所謂的“尾纖”或“直插式”連接器替換損壞的連接器，這種連接器從傳感器到快速斷開裝置有200到300毫米的柔性電纜，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法，可以將電纜的使用壽命從六周延長(zhǎng)到五個(gè)月。

鋼廠中的磁致伸縮位移傳感器和電纜必須耐高溫

在工業(yè)和移動(dòng)設(shè)備環(huán)境中，振動(dòng)是不可避免的，要消除它可能很困難甚至不可能。在大多數(shù)情況下，當(dāng)傳感器處于長(zhǎng)時(shí)間的高振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，需要改進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)以提高其生存能力。

一種確保傳感器能夠承受長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)的有效設(shè)計(jì)和測(cè)試方法稱為高加速壽命測(cè)試（HALT，Highly Accelerated Lifetime Test）。正在進(jìn)行HALT測(cè)試的產(chǎn)品在開發(fā)過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷加速老化，以找出并消除薄弱環(huán)節(jié)。尋找具有出色振動(dòng)規(guī)格的傳感器。EN60068-2-6標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)很好的指導(dǎo)方針。

液體侵入

除了沖擊和振動(dòng)外，濕氣侵入是另一個(gè)主要問(wèn)題。與解決熱傳遞問(wèn)題類似，首先要考慮將傳感器移到更受保護(hù)的區(qū)域，或者添加一個(gè)防護(hù)濺水罩。然后考慮傳感器的防護(hù)等級(jí)（IP），并確保其設(shè)計(jì)適合該任務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)傳感器設(shè)計(jì)用于在一段時(shí)間內(nèi)承受液體侵入，但未被評(píng)定為可持續(xù)浸入或暴露在潮濕環(huán)境中。持續(xù)暴露會(huì)使水、冷卻液和油最終繞過(guò)許多IP67或更低防護(hù)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器上的墊圈。在這種情況下，考慮使用具有更高IP防護(hù)等級(jí)的傳感器。IP68防護(hù)等級(jí)的傳感器可承受完全浸入；IP69K防護(hù)等級(jí)的傳感器可承受加壓沖洗。一些傳感器外殼采用氣密焊接，以提供100%防漏的組件。

但同樣，不要忘記電纜。通常，用戶會(huì)選擇一個(gè)IP69K防護(hù)等級(jí)的傳感器，然后錯(cuò)誤地將其與現(xiàn)成的IP65防護(hù)等級(jí)的電纜連接。您還必須保護(hù)電纜。電纜的切口或刻痕可能會(huì)使液體繞過(guò)護(hù)套進(jìn)入傳感器外殼。在電纜上安裝保護(hù)管是個(gè)好主意，以確保即使發(fā)生偶然接觸或磨損，電纜仍能保持完好無(wú)損。

腐蝕

暴露在腐蝕性化學(xué)物質(zhì)中的設(shè)備會(huì)使傳感器性能下降，并導(dǎo)致其過(guò)早失效。例如，鋁制傳感器外殼可能會(huì)受到道路鹽、海水噴霧和酸性果汁等物質(zhì)的侵蝕。在這種情況下，在大多數(shù)應(yīng)用中，由303和304不銹鋼制成的外殼是一個(gè)很好的替代品。在存在海水或鹽霧的區(qū)域，316L不銹鋼更受青睞。

其他選擇

盡管在極端條件下已盡最大努力保護(hù)氣缸傳感器，但有時(shí)故障仍不可避免。如果您需要在關(guān)鍵應(yīng)用中保持設(shè)備運(yùn)行，這里有三種選擇。

1.冗余傳感器：在主氣缸旁邊安裝一個(gè)帶傳感器的虛擬氣缸。或者使用安裝支架在外部安裝一個(gè)或多個(gè)冗余傳感器，將傳感器固定在適當(dāng)位置，并將目標(biāo)磁體連接到移動(dòng)設(shè)備上。這些傳感器并行運(yùn)行。如果一個(gè)傳感器發(fā)生故障，其他傳感器仍可繼續(xù)工作。

2.冗余輸出：這在發(fā)電應(yīng)用中非常受歡迎，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，設(shè)備停機(jī)是不可接受的。專用的氣缸位移傳感器在單個(gè)外殼中包含兩個(gè)或三個(gè)完全獨(dú)立的位移傳感器。每個(gè)傳感器都有自己的連接器。優(yōu)點(diǎn)是易于安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣缸端口中，無(wú)需外部安裝支架。潛在的缺點(diǎn)是，如果磁體或壓力管損壞，將導(dǎo)致所有通道都失效，不過(guò)在實(shí)際中這種情況很少發(fā)生。

3.快速修復(fù)：最后，萬(wàn)一發(fā)生故障，您能多快讓設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行呢？有些傳感器采用模塊化電子元件，當(dāng)壓力管留在氣缸內(nèi)時(shí)，這些電子元件可以快速拆卸和更換。在快速修復(fù)裝置中，法蘭仍旋入氣缸內(nèi)，這樣可以將所有液壓油保留在氣缸內(nèi)，防止污染物進(jìn)入。技術(shù)人員只需更換電子外殼中的波導(dǎo)管，設(shè)備即可再次運(yùn)行。

另一種快速修復(fù)策略是：安裝一個(gè)具有冗余輸出的傳感器，但僅連接一個(gè)通道用于控制。覆蓋未使用的連接器，以在不使用時(shí)保護(hù)它們。如果控制通道發(fā)生故障，只需將連接電纜移到另一個(gè)通道，即可恢復(fù)運(yùn)行。然后可以在計(jì)劃的維護(hù)停機(jī)期間修復(fù)出現(xiàn)故障通道的傳感器單元。

磁致伸縮位移傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

磁致伸縮位移傳感器原理

磁致伸縮位移傳感器有一個(gè)鐵合金傳感元件，通常稱為波導(dǎo)管。波導(dǎo)管通常封裝在不銹鋼耐壓管或鋁制擠壓件內(nèi)。一個(gè)位置磁體連接到液壓缸或氣壓缸的活塞上，或者連接到機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部件上。向連接到波導(dǎo)管的導(dǎo)體施加一個(gè)短電脈沖（1到3微秒），會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿波導(dǎo)管傳播的磁場(chǎng)。位置磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，進(jìn)而在波導(dǎo)管上產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械脈沖。這個(gè)機(jī)械脈沖以恒定速度傳播到波導(dǎo)管的末端，在那里被信號(hào)轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到。初始電脈沖和接收到的機(jī)械脈沖之間的時(shí)間間隔會(huì)被精確地轉(zhuǎn)換為位置磁體的絕對(duì)位置，最終轉(zhuǎn)換為機(jī)器或液壓缸的位置。

在實(shí)際應(yīng)用中，氣缸蓋和活塞桿軸通常會(huì)進(jìn)行深孔鉆削，然后將裝有磁致伸縮傳感探頭的不銹鋼管插入其中。這樣，傳感元件就能得到很好的保護(hù)。傳感器電子元件外殼安裝在氣缸端蓋上。

磁致伸縮氣缸位移傳感器相對(duì)于其他選擇具有許多優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)本質(zhì)上堅(jiān)固耐用，磁體和傳感元件之間沒(méi)有機(jī)械接觸或磨損。而且密封的裝置不受灰塵、污垢和其他潛在污染物的影響。

這種傳感器非常精確。它可以檢測(cè)到小至1微米的位置變化，并提供±30微米的絕對(duì)位置精度。并且有多種尺寸和配置可供選擇，以滿足許多不同的應(yīng)用需求。

它們還提供不同的模擬和數(shù)字接口。常見的模擬輸出信號(hào)包括0-10伏直流電（Vdc）和4-20毫安（mA）。數(shù)字輸出選項(xiàng)包括同步串行接口（SSI）、以太網(wǎng)、IO-Link、CAN總線等。

由于磁致伸縮依賴與磁場(chǎng)的相互作用，傳感元件附近非常強(qiáng)的外部磁場(chǎng)可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。同樣，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘危员Ｗo(hù)信號(hào)免受電磁干擾。

磁致伸縮是鐵磁材料的一種特性，即在磁場(chǎng)存在時(shí)會(huì)改變其形狀或尺寸。磁致伸縮執(zhí)行器的實(shí)際應(yīng)用范圍從高力直線電機(jī)到主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)，并且磁致伸縮效應(yīng)非常適合用于工業(yè)線性位置測(cè)量傳感器。

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審核編輯 黃宇