CPMS-JD型液壓油缸傳感器故障分析及改進(jìn)建議

覃俊展

（廣西大藤峽實業(yè)管理有限公司，廣西 桂平 530200）

0 引言

大藤峽水利樞紐工程位于廣西壯族自治區(qū)桂平市，是國家172項節(jié)水供水重大水利工程的標(biāo)志性工程，集防洪、航運、發(fā)電、水資源配置、灌溉等效益于一體，是珠江流域控制性水利樞紐。黔江汛期來水量變化較大，為保證樞紐汛期的安全，需頻繁調(diào)節(jié)上下游水位，因此需要經(jīng)常對泄水閘門進(jìn)行啟閉操作。

泄水閘門設(shè)在黔江主壩左、右廠房之間，自左岸廠房至右岸廠房依次布置左岸擋水建筑物、左岸泄水高孔1個、泄水低孔24個、右岸泄水高孔1個、右岸擋水建筑物?；⌒伍l門的啟閉采用QHLY-2×6 300 kN-13.0 m雙吊點后拉式雙作用液壓雙缸啟閉機(jī)[1]，泵站驅(qū)動方式為“兩電機(jī)一個泵站控制一孔閘門”，可在動水中全程啟閉或任意開度的局部開啟。每根液壓缸端部安裝有嵌入式CPMS-JD型傳感器（以下簡稱：傳感器），該傳感器達(dá)到毫米測量級別，能夠準(zhǔn)確判斷液壓缸行程，為可編程控制器（PLC）實現(xiàn)液壓缸開度實時檢測、自動糾偏、下滑回位、精準(zhǔn)控制功能提供必備保證，同時也是“自動”“遠(yuǎn)控”運行模式的重要條件，是閘門啟閉機(jī)自動控制的“眼睛”，其作用尤為重要。

1 傳感器介紹

1.1 傳感器原理

首先利用精密的數(shù)控機(jī)床在活塞桿母材表面加工出微小、均布的平底、平頂齒溝，以此作為行程檢測的量度，然后以高壓、高溫火焰噴射特種陶瓷，行成耐磨、耐蝕的非導(dǎo)磁層，經(jīng)研磨加工后作為活塞桿工作表面。當(dāng)活塞桿運行時，安裝在油缸頭部并緊貼活塞桿表面的CPMS-JD傳感器，可測得活塞桿上齒頂、齒底部位磁場波形變化的脈沖信號，并將該信號傳輸給電氣控制裝置進(jìn)而轉(zhuǎn)換成活塞行程的數(shù)字顯示[2]。

傳感器是江蘇武進(jìn)液壓啟閉機(jī)有限公司研發(fā)的第三代陶瓷活塞桿配套絕對型產(chǎn)品，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 CPMS-JD型傳感器技術(shù)參數(shù)

1.2 傳感器主要特性

結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，外觀最大尺寸僅為146 mm，用4顆M6×20帶墊片的螺絲即可固定在液壓缸的前端蓋上，因此其安裝檢修非常方便；采用定制硬件邏輯，實現(xiàn)了傳感器的高檢測精度和高抗干擾性能，保證了開度檢測及控制的精確性和設(shè)備運行的可靠性；輸出信號為十六位格雷碼；無論活塞桿是否移動，陶瓷桿的任意位置開度數(shù)值均是唯一的，上電后即可顯示當(dāng)前準(zhǔn)確位置；分辨率0.5 mm，防護(hù)等級IP68，滿足長期泡水要求；具有永久記憶功能，解決了傳感器長期失電引起的數(shù)據(jù)丟失問題[3]。

2 傳感器的電氣回路

傳感器由直流24 V電源模塊供電，傳感器將精準(zhǔn)測量到的液壓缸行程信號通過RGGP-20×0.14 mm2電纜傳至液控柜的PLC模塊內(nèi)，再由PLC輸入模塊控制電液比例調(diào)速閥，實現(xiàn)油缸開度精準(zhǔn)測量與雙缸同步控制[4]。

傳感器電氣信號模型見圖1。

圖1 電氣信號模型

3 故障現(xiàn)象

根據(jù)2020年3月~2021年12月啟閉機(jī)故障統(tǒng)計分析，液壓缸傳感器開度數(shù)值跳躍或信號丟失故障多達(dá)12次，導(dǎo)致泄水閘門啟閉機(jī)無法遠(yuǎn)程或自動操作，嚴(yán)重影響泄水閘門穩(wěn)定運行。

4 原因分析

針對傳感器開度數(shù)值跳躍、信號丟失的故障問題，維護(hù)人員從傳感器包裝、組成構(gòu)件、安裝工藝、環(huán)境等方面進(jìn)行了分析。

4.1 運輸包裝存儲方面

傳感器出廠時放置在15 mm厚度的可發(fā)性聚苯乙烯加工成型的泡沫箱內(nèi)，泡沫箱外還套有一個厚度5 mm紙箱，在堆疊高度為5層的負(fù)載擠壓下，泡沫通過變形能有效起到緩沖、減震、吸能的作用，同時具有保溫、隔熱的功能。傳感器發(fā)貨時放置在電氣控制盤柜內(nèi)部，經(jīng)由專用物流貨車運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。在整個運輸包裝過程中傳感器都得到嚴(yán)密、全面的防護(hù)，有效杜絕因運輸、包裝存儲引起傳感器損壞。

4.2 組成構(gòu)件

傳感器由鋁合金腔殼、前端蓋、后端蓋、測量元件、主板、電纜和防水接頭組成。測量元件貼緊安裝在前端蓋上、主板固定在鋁合金腔殼內(nèi)、電纜線芯通過端子與主板針腳連接、防水接頭套壓在信號電纜與鋁合金腔殼縫隙處起隔水密封作用，同時在鋁合金腔殼內(nèi)灌注透明的防水果凍膠，形成嚴(yán)密的IP68級防水體系。為驗證傳感器的防水性能，將多個傳感器放入1 m深的水箱里浸泡1 h后再裝入液壓缸，通電后液壓缸開度數(shù)值穩(wěn)定、測量精度準(zhǔn)確、傳感器供電電壓沒有出現(xiàn)波動，證明傳感器防水性能確實達(dá)到IP68等級，滿足現(xiàn)場工作的要求。結(jié)合廠家提供的試驗項目合格證書、實際使用反饋和簡易模擬試驗，傳感器性能在不被外部環(huán)境破環(huán)下是完全滿足現(xiàn)場使用需求的。

傳感器信號傳輸采用RGGP-20×0.14 mm2電纜，長度為40 m左右，電纜轉(zhuǎn)接端子箱配置軌道式螺釘式接線端子，在開啟泄水閘門時，急速的水流通過流道時產(chǎn)生的水躍振動波會引起轉(zhuǎn)接端子箱內(nèi)接線端子共振松動，從而導(dǎo)致傳感器信號跳躍或丟失。同時傳感器信號傳輸電纜引出端有40 cm無護(hù)線鐵管保護(hù)，當(dāng)洪水淹沒至傳感器安裝位置時，河道內(nèi)的漂浮物在水流沖擊下會碰撞到信號電纜，從而引發(fā)信號電纜斷裂、破損。

在對存在數(shù)據(jù)跳躍、信號丟失問題的傳感器檢查時發(fā)現(xiàn)測量元件緊貼在前端蓋板上，任何對前端蓋的物理性撞擊都有可能引發(fā)測量元件損傷導(dǎo)致測量失效，這點從廠家提供的產(chǎn)品說明書得到印證。

4.3 安裝工藝

產(chǎn)品安裝工藝要求明確規(guī)定：安裝間隙0.2~0.5 mm。檢查發(fā)現(xiàn)傳感器前端蓋出現(xiàn)摩擦刮痕的傳感器都出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳躍、丟失故障，說明傳感器測量面與陶瓷桿表面存在摩擦。使用深度尺測量液壓缸傳感器安裝孔深度為16.0 mm，傳感器測量面突出部位為16.5 mm，也沒有發(fā)現(xiàn)安裝有調(diào)節(jié)間隙的墊片，驗證了施工安裝人員在安裝過程中沒有嚴(yán)格按照傳感器說明書要求保證間隙0.2~0.5 mm，在閘門啟閉過程中陶瓷桿與傳感器測量面擠壓摩擦發(fā)熱導(dǎo)致測量元件損壞。

同時發(fā)現(xiàn)傳感器信號電纜在轉(zhuǎn)接端子箱處的線芯存在不同程度的氧化發(fā)黑或產(chǎn)生銅綠，容易造成線芯接觸電阻過大或接觸不良引起數(shù)據(jù)跳躍、丟失故障，這是安裝工人在配線過程中忽略線芯鍍錫處理工序遺留的隱患。

4.4 程序調(diào)試不到位

部分傳感器在使用過程中會偶然出現(xiàn)某些區(qū)間行程開度數(shù)值不穩(wěn)定，類似信號“被干擾”情況，通過排查傳感器接線、安裝間隙、端子松動和工作電源等可能存在的隱患點，均無發(fā)現(xiàn)問題。經(jīng)過與廠家技術(shù)人員溝通得知：傳感器使用后應(yīng)進(jìn)行程序適配，利用PC端軟件獲取液壓缸全行程曲線參數(shù)并分析提取最優(yōu)的曲線，使得傳感器與液壓缸運動曲線相匹配。

5 經(jīng)驗與對策

（1）強(qiáng)化與制造商溝通，提高傳感器防護(hù)能力

結(jié)合工程地址所處河道汛期漂浮物密集、大型漂浮物多等特點，應(yīng)該要求傳感器制造商在設(shè)計時考慮在信號電纜外使用抗拉力強(qiáng)、耐磨、防水性好的鋼絲編織軟管保護(hù)，防止漂浮物碰撞導(dǎo)致信號電纜斷裂、破損。

（2）優(yōu)化元件選型，提高信號回路可靠性

在元件選型工作中，應(yīng)充分考慮使用場合環(huán)境的影響，在震動的環(huán)境里轉(zhuǎn)接端子箱不應(yīng)使用螺釘式接線端子，應(yīng)使用具有防松功能的彈簧式接線端子，降低接線端子松動導(dǎo)致開度數(shù)值跳躍、丟失故障。

（3）開展安裝技術(shù)培訓(xùn)，抓好驗收質(zhì)量

傳感器屬于價格昂貴、高精密產(chǎn)品，對安裝工藝要求高，安裝前應(yīng)開展專項技術(shù)培訓(xùn)，使安裝人員明白安裝注意事項和標(biāo)準(zhǔn)流程，嚴(yán)格按照注意事項和安裝步驟作業(yè)，在安裝間隙和信號電纜線芯鍍錫等關(guān)鍵工序應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員旁站監(jiān)督，逐項復(fù)核逐項驗收，降低安裝錯誤引起的傳感器損壞。

安裝注意事項：①傳感器雖然具有一定強(qiáng)度，但要避免損傷測量表面下的傳感器單元，在搬運、安裝過程中盡量避免碰撞和拉拽。②傳感器內(nèi)部有強(qiáng)磁體，從油缸安裝孔上取下時，可能會因為對金屬部件的吸引力而產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致傷害測量表面。③安裝固定過程中要保證正確的間隙（0.2~0.5 mm）。如果間隙過大，輸出脈沖可能丟失甚至無輸出信號。④安裝過程中須采用標(biāo)準(zhǔn)防靜電措施，防止人體靜電給傳感器內(nèi)部電子元器件造成意想不到的損害。

安裝具體步驟：①潤滑傳感器密封O型圈。②計算測量間隙數(shù)據(jù)，使用定制墊片調(diào)節(jié)間隙在0.2~0.5 mm范圍內(nèi)。③移除保護(hù)罩，小心將傳感器安裝至油缸安裝孔位中。④用內(nèi)六角扳手?jǐn)Q緊4顆固定螺絲，鎖緊傳感器。⑤使用電烙鐵對信號電纜線芯進(jìn)行鍍錫保護(hù)并套上銅鼻子后壓緊。⑥將信號電纜接地線與接地網(wǎng)可靠連接，增大接觸面積。⑦將信號電纜穿入金屬管或遠(yuǎn)離動力電纜布排。⑧通電測試，觀察記錄分析開度數(shù)值變化情況。必要時將傳感器與液壓缸進(jìn)行程序適配，選用最優(yōu)曲線。

（4）加強(qiáng)對設(shè)備檢查維護(hù)，及時消缺隱患，提高傳感器安全性和可靠性，降低故障發(fā)生率[5]

定期啟動液壓啟閉機(jī)泵站啟閉液壓缸，檢查傳感器開度數(shù)值反饋情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)值異常要及時組織維護(hù)人員查找原因。非汛期閘門啟閉機(jī)啟動，可在落下檢修閘門情況下，進(jìn)行閘門全開全關(guān)試驗，檢驗啟閉機(jī)傳感器工作狀態(tài)，確保在汛期防洪時能夠正常使用。

定期觀察傳感器周圍是否存在強(qiáng)磁物體，及時清理周圍雜物，觀察傳感器表面是否受到了撞擊損傷或者其他的硬物沖擊等造成的變形。在汛期來臨之前檢查傳感器固定螺絲，若有松動出現(xiàn)可影響測量間隙的變化。定期檢查液壓缸陶瓷桿表面陶瓷層是否存在脫落、鼓包等情況，如有需要及時聯(lián)系制造商上門處理。

6 結(jié)語

CPMS-JD傳感器在水利行業(yè)泄水閘門已廣泛應(yīng)用，屬于成熟的產(chǎn)品。在安裝過程中存在培訓(xùn)不到位、安裝質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)、保養(yǎng)維護(hù)跟不上等問題，往往容易導(dǎo)致使用過程中出現(xiàn)故障，可見對安裝工人的技能培訓(xùn)、完善的施工管理、嚴(yán)密的驗收制度是關(guān)乎設(shè)備正常使用的重要保證。泄水閘門傳感器維護(hù)作業(yè)是高空作業(yè)、臨水作業(yè)，該類型的作業(yè)成本高、時間長、風(fēng)險大，妥善維護(hù)將降低企業(yè)設(shè)備維護(hù)費用。