提高液壓缸傳感器的可靠性：如何在惡劣條件下保持設(shè)備正常運行時間

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、鋼鐵廠以及移動機械等典型的惡劣且復(fù)雜的應(yīng)用場景中，保持設(shè)備的正常運行時間可能尤其具有挑戰(zhàn)性。對于流體動力工程師而言，隨著液壓缸上傳感器的廣泛應(yīng)用，這已成為一個更為關(guān)鍵的問題。

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事故之前發(fā)現(xiàn)問題。遺憾的是，從耐用性的角度來看，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)，但通過合理規(guī)劃，您的系統(tǒng)能夠持續(xù)正常運行。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)備不間斷且無故障運行的策略。

氣缸檢測

在簡單且要求不高的應(yīng)用中，設(shè)備設(shè)計師在選擇氣缸傳感器時有很多選擇。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。用戶可以隨時精確地知道氣缸桿的位置。

堅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

在像木材加工廠和輪胎硫化機等嚴(yán)苛的應(yīng)用中，當(dāng)需要連續(xù)的液壓缸位置反饋時，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、無磨損運行以及對沖擊和振動的耐受性，它們比其他傳感器更受青睞。在這種設(shè)計中，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)信息請參見側(cè)邊欄“磁致伸縮傳感器基礎(chǔ)知識”）

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

極端高溫

極端溫度對任何傳感器來說都是一個挑戰(zhàn)。例如，在鋼鐵高爐、連鑄機和熱軋生產(chǎn)線附近運行時，設(shè)備會處于高溫環(huán)境中，這會給電子元件帶來壓力并加速其失效。

用戶必須應(yīng)對傳導(dǎo)、對流和輻射熱傳遞。為了應(yīng)對這種情況，需要評估安裝情況，并盡可能減少傳感器暴露在熱源下的程度。對于傳導(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，您可以安裝一個隔熱屏障（絕緣體）來阻斷傳導(dǎo)路徑。

通過安裝隔熱罩來偏轉(zhuǎn)熱氣流，使其遠(yuǎn)離傳感器外殼，從而減輕對流散熱的影響。通常，同樣的防護(hù)裝置也會阻擋輻射的紅外能量，盡管可能會有一些熱量從背面重新輻射回來。接下來，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，而無需重新鋪設(shè)整根主干電纜。

在惡劣環(huán)境中，對于電子元件來說溫度仍然過高而無法正常工作嗎？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)常會遇到相反的情況，那里的溫度可能會降至-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變脆。半導(dǎo)體材料開始失去導(dǎo)電性，電路可能會出現(xiàn)不可預(yù)測的行為。

采用低溫聚合物配方的特殊液壓缸傳感器，設(shè)計工作溫度可低至-50°C（-58°F）。為了應(yīng)對電子故障，制造商可能會規(guī)定在-40°C以下持續(xù)為電子元件供電。散熱會使電子元件升溫，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、移動車輛中飛起的石塊，以及工人在攀爬設(shè)備時簡單地將氣缸當(dāng)作臺階使用，這些都是造成機械沖擊的常見原因。一般來說，液壓缸堅固耐用，能夠承受這種濫用。但對于傳感器來說，情況并非如此。標(biāo)準(zhǔn)氣缸位移傳感器通常有一個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。缺點是在維修傳感器時必須將其拆下，而且很多時候，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：具有特別堅固外殼的氣缸傳感器是對標(biāo)準(zhǔn)類型的升級。這些設(shè)計采用低矮、堅固的不銹鋼結(jié)構(gòu)，通過多個螺栓固定。外殼幾乎就像它自己的保護(hù)罩一樣。

沖擊和振動

在惡劣的運行條件下，沖擊和振動可能是對可靠性的首要挑戰(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)動而不是電動機驅(qū)動的原因——但有時反饋裝置無法承受這種沖擊。如果您遇到真正有問題的應(yīng)用場景，這里有一些應(yīng)對方法。

1.查看液壓運動控制系統(tǒng)。如果某個應(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)整機器操作以減少沖擊載荷。例如，能否調(diào)整運動控制曲線，使其提供更柔和的加速或減速，實現(xiàn)更平穩(wěn)的啟動和停止？減少沖擊的關(guān)鍵是降低重力加速度的峰值幅度，并延長瞬態(tài)時間，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.尋找具有更堅固規(guī)格的傳感器。大多數(shù)現(xiàn)場使用的傳感器至少能承受100g的沖擊。有些甚至超過這個標(biāo)準(zhǔn)，額定值高達(dá)150g。而且傳感器供應(yīng)商可能會提供一些未在其產(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，這是一個簡單的解決方法，可以將電纜的使用壽命從六周延長到五個月。

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)和移動設(shè)備環(huán)境中，振動是不可避免的，要消除它可能很困難甚至不可能。在大多數(shù)情況下，當(dāng)傳感器處于長時間的高振動環(huán)境中時，需要改進(jìn)傳感器設(shè)計以提高其生存能力。

一種確保傳感器能夠承受長時間振動的有效設(shè)計和測試方法稱為高加速壽命測試（HALT，Highly Accelerated Lifetime Test）。正在進(jìn)行HALT測試的產(chǎn)品在開發(fā)過程中會經(jīng)歷加速老化，以找出并消除薄弱環(huán)節(jié)。尋找具有出色振動規(guī)格的傳感器。EN60068-2-6標(biāo)準(zhǔn)提供了一個很好的指導(dǎo)方針。

液體侵入

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

標(biāo)準(zhǔn)傳感器設(shè)計用于在一段時間內(nèi)承受液體侵入，但未被評定為可持續(xù)浸入或暴露在潮濕環(huán)境中。持續(xù)暴露會使水、冷卻液和油最終繞過許多IP67或更低防護(hù)等級的標(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)等級的傳感器。IP68防護(hù)等級的傳感器可承受完全浸入；IP69K防護(hù)等級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，用戶會選擇一個IP69K防護(hù)等級的傳感器，然后錯誤地將其與現(xiàn)成的IP65防護(hù)等級的電纜連接。您還必須保護(hù)電纜。電纜的切口或刻痕可能會使液體繞過護(hù)套進(jìn)入傳感器外殼。在電纜上安裝保護(hù)管是個好主意，以確保即使發(fā)生偶然接觸或磨損，電纜仍能保持完好無損。

腐蝕

暴露在腐蝕性化學(xué)物質(zhì)中的設(shè)備會使傳感器性能下降，并導(dǎo)致其過早失效。例如，鋁制傳感器外殼可能會受到道路鹽、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)備運行，這里有三種選擇。

1.冗余傳感器：在主氣缸旁邊安裝一個帶傳感器的虛擬氣缸。或者使用安裝支架在外部安裝一個或多個冗余傳感器，將傳感器固定在適當(dāng)位置，并將目標(biāo)磁體連接到移動設(shè)備上。這些傳感器并行運行。如果一個傳感器發(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，因為在這些應(yīng)用中，設(shè)備停機是不可接受的。專用的氣缸位移傳感器在單個外殼中包含兩個或三個完全獨立的位移傳感器。每個傳感器都有自己的連接器。優(yōu)點是易于安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣缸端口中，無需外部安裝支架。潛在的缺點是，如果磁體或壓力管損壞，將導(dǎo)致所有通道都失效，不過在實際中這種情況很少發(fā)生。

3.快速修復(fù)：最后，萬一發(fā)生故障，您能多快讓設(shè)備恢復(fù)運行呢？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，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)備即可再次運行。

另一種快速修復(fù)策略是：安裝一個具有冗余輸出的傳感器，但僅連接一個通道用于控制。覆蓋未使用的連接器，以在不使用時保護(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通道，即可恢復(fù)運行。然后可以在計劃的維護(hù)停機期間修復(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

磁致伸縮位移傳感器原理

磁致伸縮位移傳感器有一個鐵合金傳感元件，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)。一個位置磁體連接到液壓缸或氣壓缸的活塞上，或者連接到機器的運動部件上。向連接到波導(dǎo)管的導(dǎo)體施加一個短電脈沖（1到3微秒），會產(chǎn)生一個沿波導(dǎo)管傳播的磁場。位置磁體產(chǎn)生的磁場與所產(chǎn)生的磁場相互作用，進(jìn)而在波導(dǎo)管上產(chǎn)生一個機械脈沖。這個機械脈沖以恒定速度傳播到波導(dǎo)管的末端，在那里被信號轉(zhuǎn)換器檢測到。初始電脈沖和接收到的機械脈沖之間的時間間隔會被精確地轉(zhuǎn)換為位置磁體的絕對位置，最終轉(zhuǎn)換為機器或液壓缸的位置。

在實際應(yīng)用中，氣缸蓋和活塞桿軸通常會進(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于其他選擇具有許多優(yōu)點。其設(shè)計本質(zhì)上堅固耐用，磁體和傳感元件之間沒有機械接觸或磨損。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。它可以檢測到小至1微米的位置變化，并提供±30微米的絕對位置精度。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包括0-10伏直流電（Vdc）和4-20毫安（mA）。數(shù)字輸出選項包括同步串行接口（SSI）、以太網(wǎng)、IO-Link、CAN總線等。

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

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

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審核編輯 黃宇