某特种液压缸内置磁致伸缩位移传感器发题故障分析

本研究的特种液压缸内置磁致伸缩位移传感器( 文中简称为位移传感器) ，与常用液压缸的内置位移传感器结构不同，位移传感器与磁环中间存在用于通油的金属管路( 文中简称为油管) 。该液压缸在使用时，发现位移传感器发讯异常，位移显示一直为 0，拆除油管后，发讯恢复正常，故初步判定油管对位移传感器的发讯产生影响。现通过试验研究及仿真分析对位移传感器发讯异常问题进行故障分析。1 位移传感器工作原理 位移传感器主要由测杆( 耐压不锈钢管) 、电子舱( 法兰外壳内) 和套在测杆上的非接触的可移动位置磁铁( 简称磁环) 、控制芯片及相关电路组成，测杆内装有磁致伸缩感应元件( 波导管) 。工作时，由电子舱内的电子电路产生一起始脉冲即电流问询信号，此脉冲在波导管中传播时产生一沿波导管方向前进的径向磁场。当这个磁场与磁环中的磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，一个应变脉冲即时产生，该信号即为返回信号。当该返回的脉冲信号以超声波的速度从发生点( 位置测量点) 返回传感器电子舱时，被应变脉冲转换器检测出来即可测试出磁环的实际位置。2 油管产生铁磁性原因分析 磁导率是表征磁介质磁性的物理量，常用符号 μ表示，等于磁介质中磁感应强度 B 与磁场强度 H 之比。通常使用的是磁介质的相对磁导率 μr，其定义为磁导率 μ 与真空磁导率 μ0 之比。根据磁导率的大小，可以把物质分为抗磁性、顺磁性和强磁性( 常称为铁磁性) 三类。抗磁性和顺磁性因为磁性很微弱，所以统称为弱磁性，奥氏体不锈钢就属于弱磁性不锈钢。 目前该液压缸油管材料为钢管 1Cr18Ni9Ti，为弱磁性奥氏体不锈钢，加工前经检测不导磁。经检测，该液压缸油管可被磁环吸附，故油管本身具有一定的铁磁性。加工方法中，粗削会有较大的进给量，无芯磨会挤压油管表面，加工过程中油管表面组织结构会向马氏体金相组织转化，冷加工变形度越大，马氏体转化越多，钢的铁磁性也越大，被永磁体吸附能力越大。3 油管铁磁性对磁环磁感应强度影响仿真分析 为验证油管对磁环磁感应强度的影响，现使用ANSYS Electromagnetics 软件中 Maxwell 3D 模块对磁环通过油管传至位移传感器的磁感应强度进行仿真分析。将磁环、油管三维导入到软件中，仿真模型分为三部分，分为磁环、油管、包围区域。其中磁环材料为钕铁硼，外径 35 mm，内径24 mm，厚度 6 mm，充磁方式为径向充磁; 油管为外径22 mm，内径 13 mm 的空心管，位移传感器直径为10 mm，模型中未表示出位移传感器，包围区域设为空气，区域大小 200 mm 的正方体区域。由仿真分析得出，无油管时，距磁环中心 5 mm处，即传感器外圆磁感应强度约 15 mT，油管相对磁导率 1.0045 时，磁感应强度约 13.8 mT，油管相对磁导率10.1 时，磁感应强度约 4.3 mT。油管的铁磁性会影响磁环的磁感应分布，相对磁导率越高，对磁感应强度的削弱影响越大。