液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的故障分析與改進(jìn)

趙光亮　劉棟　史家濤　楊英振　周天宇　鄭海波

【摘? 要】本文結(jié)合某液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器失效的故障案例，通過對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的失效樣品進(jìn)行特性檢測(cè)、實(shí)物拆檢分析、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等一系列措施，由淺及深地剖析并最終確定了液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器故障的根本原因，提出改進(jìn)優(yōu)化方案，為其他零部件的設(shè)計(jì)與故障分析提供參考。

【關(guān)鍵詞】液壓馬達(dá)；轉(zhuǎn)速傳感器；霍爾式；虛焊

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）09-0078-03

Failure Analysis and Improvement of Hydraulic Motor Speed Sensor

ZHAO Guangliang，LIU Dong，SHI Jiatao，YANG Yingzhen，ZHOU Tianyu，ZHENG Haibo

（1.State Key Laboratory of Engine Reliability，Weifang 261061；

2.Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】This article combines a failure case of a certain hydraulic motor speed sensor，and through a series of measures such as characteristic testing，physical inspection analysis，and production site investigation of the failure sample of the hydraulic motor speed sensor，analyzes and ultimately determines the root cause of the hydraulic motor speed sensor failure from shallow to deep，proposes improvement and optimization plans，and provides reference for the design and fault analysis of other components.

【Key words】hydraulic motor；speed sensor；Hall type；rosin joint

作者簡(jiǎn)介

趙光亮（1985—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電控單元硬件設(shè)計(jì)。

液壓傳動(dòng)是工程機(jī)械中最常見的一種機(jī)械傳動(dòng)方式，液壓馬達(dá)在實(shí)際工程開發(fā)應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用，相關(guān)參數(shù)在控制策略中被使用到，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可以通過轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量而獲取，用于測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器通常有霍爾式、磁電式等，上述轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量原理均是通過傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)，采用頻率法對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或測(cè)量單個(gè)脈沖的周期時(shí)間，從而間接獲得轉(zhuǎn)速數(shù)值。

本文結(jié)合液壓轉(zhuǎn)速傳感器的故障案例，由淺及深地進(jìn)行了檢測(cè)與剖析，最終確定問題發(fā)生的根本原因，并有針對(duì)性地提出優(yōu)化措施與解決方案。

1? 故障描述

某型號(hào)液壓馬達(dá)在市場(chǎng)上多次出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為液壓馬達(dá)扭矩輸出不足或無扭矩輸出，液壓馬達(dá)的扭矩計(jì)算是根據(jù)不同轉(zhuǎn)速和壓力下液壓馬達(dá)的扭矩需求，計(jì)算出一定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的流量，再通過流量與扭矩的關(guān)系，從而計(jì)算出與其相對(duì)應(yīng)的扭矩。

針對(duì)該故障問題，通過一系列的排查最終確定為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生失效而導(dǎo)致，在更換液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器后得以排除與消失，而在運(yùn)行一段時(shí)間后又會(huì)重復(fù)出現(xiàn)該故障，然而造成液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器故障的具體原因尚不明確，對(duì)于生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)存在著較大潛在品質(zhì)隱患與經(jīng)濟(jì)損失。

2? 原因分析

2.1? 液壓轉(zhuǎn)速傳感器特性參數(shù)檢測(cè)

該液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器為霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，根據(jù)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器手冊(cè)的特性參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中，使用轉(zhuǎn)速性能測(cè)試臺(tái)對(duì)故障壓力傳感器進(jìn)行傳感器技術(shù)參數(shù)的典型特性檢測(cè)與分析。

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)試原理示意如圖1所示。

經(jīng)過與功能正常的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試（圖2），液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為無轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出、輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)有時(shí)無、輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)波形亂碼、傳感器供電電壓及電流消耗異常等，某一功能異常的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。

2.2? 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的拆檢與分析

對(duì)其中某些失效液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行拆封并檢查，去除傳感器內(nèi)部的灌封膠之后，在液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的內(nèi)部信號(hào)處理電路板上未看到明顯的電氣燒毀的痕跡，然而在越來越多的故障件拆解與分析過程中發(fā)現(xiàn)，該液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的電路原理簡(jiǎn)單，元器件少，但均有一個(gè)共同現(xiàn)象，即PCB板上的電容、二極管、三極管等管腳處發(fā)現(xiàn)有虛焊現(xiàn)象。如圖4所示。

2.3? 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器可能失效原因分析

根據(jù)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的電容、二極管、三極管等失效元器件部位及其失效模式，并參考液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的特性技術(shù)手冊(cè)，推測(cè)導(dǎo)致該壓力傳感器故障的可能原因如下：①波峰焊接不良；②SMT貼片后的分板工序存在手工操作不當(dāng)致使產(chǎn)生焊錫開裂；③傳感器中使用的高溫環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)與元器件差異，導(dǎo)致應(yīng)力集中，出現(xiàn)虛接。

3? 故障原因排查及改進(jìn)方案

通過對(duì)SMT貼片工廠走訪與調(diào)查，波峰焊的曲線符合元器件的焊接要求，并且焊接完成后有AOI檢測(cè)，排除上述導(dǎo)致液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器故障可能原因中的①，需進(jìn)一步重點(diǎn)對(duì)②和③進(jìn)行相關(guān)的實(shí)際調(diào)查與取證。

當(dāng)PCB小單元面積不是很大時(shí)，為了提高裝配焊接效率，PCB經(jīng)常設(shè)計(jì)由多個(gè)小單元所組成的裝配拼板單元。在完成裝配后，裝配商再將PCBA板件拆分成小單元，經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的組裝生產(chǎn)車間的未分板的PCBA如圖5所示。

在針對(duì)查看該生產(chǎn)工序的拼板分板的作業(yè)指導(dǎo)書時(shí)，發(fā)現(xiàn)分板工序手工操作風(fēng)險(xiǎn)度極高，分板用到的設(shè)備與工具分別是斜口鉗子和尖口鉗子，拼板分板的作業(yè)指導(dǎo)書如圖6所示。

使用非專業(yè)設(shè)備進(jìn)行分板操作，因無法控制操作用力，通過觀察工人實(shí)際操作，在分板過程中，存在PCB板彎折、手掰等現(xiàn)象，手工分板機(jī)械應(yīng)力較大，不可控因素也相對(duì)較多，操作不當(dāng)最容易損傷PCB或器件，甚至造成開路等連接導(dǎo)通性能，而電容、二極管等元器件布局均位于邊緣，加劇了生產(chǎn)過程中因機(jī)械應(yīng)力損傷的風(fēng)險(xiǎn)，而該產(chǎn)品裝配到工程機(jī)械上后，在振動(dòng)情況下焊錫裂口逐漸加大，直至形成斷路，最終出現(xiàn)信號(hào)虛接致使傳感器信號(hào)輸出故障。

同時(shí)，由于液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器使用環(huán)境的特殊性，液壓油的溫度變化范圍較大，而液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)部的灌封膠是高溫環(huán)氧樹脂膠，高溫環(huán)氧樹脂膠的熱膨脹系數(shù)為22×10^-6/℃，傳感器電路板上的反相保護(hù)二極管為玻璃材質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)為5.3～5.8×10^-7/℃；兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，且高溫環(huán)氧樹脂膠固化后為硬質(zhì)膠膠，根據(jù)物理中熱脹冷縮的效應(yīng)，高溫環(huán)氧樹脂膠同樣會(huì)加劇元器件的損傷。

針對(duì)以上問題對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，使用專用設(shè)備進(jìn)行PCBA的分板操作，杜絕手工分板，同時(shí)，根據(jù)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的使用環(huán)境，選用膨脹系數(shù)更為合適的灌封膠。

按照前述優(yōu)化后的工藝方案，將新生產(chǎn)的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行市場(chǎng)裝機(jī)驗(yàn)證，同類故障沒有再次出現(xiàn)，該問題得到了徹底解決。

4? 結(jié)論

本文結(jié)合工程機(jī)械的工作環(huán)境，并針對(duì)液壓轉(zhuǎn)速傳感器的現(xiàn)場(chǎng)，分析得出了此次液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的失效原因?yàn)樯a(chǎn)時(shí)分板工藝操作不當(dāng)，對(duì)元器件及焊錫造成開裂損傷。對(duì)一些分板不當(dāng)存在直接或間接影響開短路的缺陷引以為鑒，并由裝配商因地制宜通過優(yōu)化分板的操作方法，防患于未然，更好地保證PCBA分板的品質(zhì)，并針對(duì)生產(chǎn)工藝及灌封膠提出了相應(yīng)的解決措施，試驗(yàn)結(jié)果及市場(chǎng)驗(yàn)證表明整改措施切實(shí)有效。鑒于工程機(jī)械的作業(yè)環(huán)境，其故障模式與其他零部件具有共性，其分析過程及解決方法可為快速排除此類故障提供一定參考，具有推廣借鑒意義。

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（編輯? 楊? 景）