某特種液壓缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器發(fā)訊問題故障分析

馮世澤， 何劉宇， 趙黎明

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所, 北京 100076)

引言

本研究的特種液壓缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器(文中簡稱為位移傳感器)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，與常用液壓缸的內(nèi)置位移傳感器結(jié)構(gòu)不同，位移傳感器與磁環(huán)中間存在用于通油的金屬管路(文中簡稱為油管)[1]。

該液壓缸在使用時，發(fā)現(xiàn)位移傳感器發(fā)訊異常，位移顯示一直為0，拆除油管后，發(fā)訊恢復(fù)正常，故初步判定油管對位移傳感器的發(fā)訊產(chǎn)生影響?，F(xiàn)通過試驗研究及仿真分析對位移傳感器發(fā)訊異常問題進(jìn)行故障分析。

1 位移傳感器工作原理

位移傳感器主要由測桿(耐壓不銹鋼管)、電子艙(法蘭外殼內(nèi))和套在測桿上的非接觸的可移動位置磁鐵(簡稱磁環(huán))、 控制芯片及相關(guān)電路組成， 測桿內(nèi)裝有磁致伸縮感應(yīng)元件(波導(dǎo)管)。工作時，由電子艙內(nèi)的電子電路產(chǎn)生一起始脈沖即電流問詢信號，此脈沖在波導(dǎo)管中傳播時產(chǎn)生一沿波導(dǎo)管方向前進(jìn)的徑向磁場。當(dāng)這個磁場與磁環(huán)中的永久磁場相遇時，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，一個應(yīng)變脈沖即時產(chǎn)生，該信號即為返回信號。當(dāng)該返回的脈沖信號以超聲波的速度從發(fā)生點(位置測量點)返回傳感器電子艙時，被應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器檢測出來即可測試出磁環(huán)的實際位置，如圖2所示[2-4]。

圖1 液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 磁致伸縮位移傳感器原理示意圖

2 油管產(chǎn)生鐵磁性原因分析

磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁性的物理量，常用符號μ表示，等于磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之比。通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率μr，其定義為磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0之比。根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，可以把物質(zhì)分為抗磁性、順磁性和強磁性(常稱為鐵磁性)三類?？勾判院晚槾判砸驗榇判院芪⑷酰越y(tǒng)稱為弱磁性，奧氏體不銹鋼就屬于弱磁性不銹鋼。

目前該液壓缸油管材料為鋼管1Cr18Ni9Ti，為弱磁性奧氏體不銹鋼，加工前經(jīng)檢測不導(dǎo)磁。經(jīng)檢測，該液壓缸油管可被磁環(huán)吸附，故油管本身具有一定的鐵磁性，油管的加工工藝流程如圖3所示。加工方法中，粗削會有較大的進(jìn)給量，無芯磨會擠壓油管表面，加工過程中油管表面組織結(jié)構(gòu)會向馬氏體金相組織轉(zhuǎn)化，冷加工變形度越大，馬氏體轉(zhuǎn)化越多，鋼的鐵磁性也越大，被永磁體吸附能力越大[5-6]。

圖3 油管加工方法

3 油管鐵磁性對磁環(huán)磁感應(yīng)強度影響仿真分析

為驗證油管對磁環(huán)磁感應(yīng)強度的影響，現(xiàn)使用ANSYS Electromagnetics軟件中Maxwell 3D模塊對磁環(huán)通過油管傳至位移傳感器的磁感應(yīng)強度進(jìn)行仿真分析。將磁環(huán)、油管三維導(dǎo)入到軟件中，仿真模型分為三部分，分為磁環(huán)、油管、包圍區(qū)域，各部分參數(shù)設(shè)定值如表1所示。其中磁環(huán)材料為釹鐵硼，外徑35 mm，內(nèi)徑24 mm，厚度6 mm，充磁方式為徑向充磁；油管為外徑22 mm，內(nèi)徑13 mm的空心管，位移傳感器直徑為10 mm，模型中未表示出位移傳感器，包圍區(qū)域設(shè)為空氣，區(qū)域大小200 mm的正方體區(qū)域[7-9]。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)定表

圖4、圖5為磁環(huán)在空氣區(qū)域下的磁場分布，圖6～圖8為從磁環(huán)中心至磁環(huán)外圓的磁感應(yīng)強度變化曲線，橫坐標(biāo)為距磁環(huán)中心的距離，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的磁感應(yīng)強度。

圖4 無油管時磁環(huán)磁感應(yīng)強度分布

圖5 帶油管時磁環(huán)磁感應(yīng)強度分布

圖6 無油管時磁環(huán)磁感應(yīng)強度

圖7 帶油管(相對磁導(dǎo)率1.0045)時磁環(huán)磁感應(yīng)強度分布

圖8 帶油管(相對磁導(dǎo)率10.1)時磁環(huán)磁感應(yīng)強度分布

由仿真分析得出，無油管時，距磁環(huán)中心5 mm處，即傳感器外圓磁感應(yīng)強度約15 mT，油管相對磁導(dǎo)率1.0045時，磁感應(yīng)強度約13.8 mT，油管相對磁導(dǎo)率10.1時，磁感應(yīng)強度約4.3 mT。油管的鐵磁性會影響磁環(huán)的磁感應(yīng)分布，相對磁導(dǎo)率越高，對磁感應(yīng)強度的削弱影響越大[10]。

4 油管鐵磁性對磁環(huán)磁感應(yīng)強度影響試驗研究

為近一步驗證油管對磁環(huán)磁感應(yīng)強度的影響，現(xiàn)對磁環(huán)通過油管傳至位移傳感器的磁感應(yīng)強度進(jìn)行試驗研究，測量工具為特斯拉計單位mT，最小精度0.1 mT。圖9為磁環(huán)、油管、位移傳感器的截面示意圖，測量點為位移傳感器圓柱表面面4處均勻分布。

圖9 測量示意圖

分布在無油管、弱磁油管(磁環(huán)無法吸附)、一般磁性油管(磁環(huán)可以吸附，容易取下)、較強磁性油管(發(fā)訊異常液壓缸油管，磁環(huán)可吸附，不易取下)4種狀態(tài)下測量位移傳感器圓柱表面4處的磁感應(yīng)強度，取均值后進(jìn)行對比，試驗結(jié)果如圖10、圖11所示。圖10中橫坐標(biāo)序號1～4分別對應(yīng)4處位置；圖11中序號A～D分布對應(yīng)4個狀態(tài)的油管。

圖10 測量磁感應(yīng)強度分布

圖11 測量結(jié)果

試驗得出，油管鐵磁性對磁環(huán)磁感應(yīng)強度有削弱影響，且隨油管鐵磁性增強，磁感應(yīng)強度越小，根據(jù)傳感器廠家反饋，傳感器發(fā)訊的最低磁感應(yīng)強度為5 mT，當(dāng)磁感應(yīng)強度低于最低發(fā)訊磁感應(yīng)強度要求時，產(chǎn)生位移傳感器發(fā)訊異常問題。

圖12 油管消除鐵磁性加工工序

5 油管消除鐵磁性處理方法

分析得出較大的加工進(jìn)給量是造成油管鐵磁性的主要原因，故對油管的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，方法如圖12所示。先進(jìn)行加工量較大的粗車工序，然后進(jìn)行固溶處理工序，具體為將油管加熱至1050 ℃下2 h后保溫10 min后，在奧氏體再結(jié)晶的同時，使加工中產(chǎn)生的碳化物和盯相分解物固溶到奧氏體中，然后快速冷卻，使碳以固溶狀態(tài)的奧氏體保持到常溫，獲得單相奧氏體，熱處理后磁導(dǎo)率降到很低的數(shù)值，無法被磁環(huán)吸附[11-12]。將固溶處理放到粗車工序后，可以減少粗車時產(chǎn)生的馬氏體金相組織；另將之前的無芯磨更改為外圓磨，減小了磨削擠壓力和進(jìn)給量，大大降低了馬氏體金相組織的產(chǎn)生，采用該工藝方法加工后的油管經(jīng)檢測為弱磁性，磁環(huán)無法吸附。

6 結(jié)論

(1) 液壓缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器時，磁環(huán)與傳感器之間零件應(yīng)選擇弱鐵磁性金屬材料，如奧氏體不銹鋼等；

(2) 試驗測量及仿真分析得出油管鐵磁性會影響磁環(huán)傳至位移傳感器表面的磁感應(yīng)強度，相對磁導(dǎo)性越高，對磁感應(yīng)強度的削弱影響越大；

(3) 冷加工會使弱磁奧氏體不銹鋼向馬氏體金相組織轉(zhuǎn)化，冷加工變形度越大，馬氏體轉(zhuǎn)化越多，零件的鐵磁性也越大；

(4) 通過調(diào)整零件加工工藝，減少零件加工進(jìn)給量，選擇合適工序，進(jìn)行完大加工量的工序后再進(jìn)行固溶處理，可消除冷加工造成的奧氏體不銹鋼鐵磁性。