氣動(dòng)電磁閥壽命試驗(yàn)

1、氣動(dòng)電磁換向閥恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)液氣壓世界2010年第5期北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、航天集團(tuán)萬峰無線電廠劉棣斐、唐志勇、裴忠才、彭軍閱讀次數(shù)：26 摘要：對(duì)氣動(dòng)電磁換向閥的使用壽命進(jìn)行研究有著極其重要的意義。傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)方法需耗費(fèi)大量的時(shí)間與成本，而加速壽命試驗(yàn)則通過提高應(yīng)力水平來加速產(chǎn)品性能衰退，在可以接受的時(shí)間內(nèi)得到有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)出產(chǎn)品在正常應(yīng)力下的壽命。 關(guān)鍵詞：電磁換向閥；加速壽命試驗(yàn)；故障機(jī)理；加速模型氣動(dòng)電磁閥在氣動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其工作性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)氣動(dòng)回路的品質(zhì)。對(duì)電磁閥的使用壽命進(jìn)行評(píng)估能夠?yàn)樘岣邭鈩?dòng)系統(tǒng)的可靠性提供保障，有著重要的意義。然而，正

2、常的壽命試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本，才能得到被測(cè)產(chǎn)品在正常使用條件下的使用壽命。這很有可能拖延產(chǎn)品的研發(fā)或者推廣，更有甚者，當(dāng)產(chǎn)品面臨市場(chǎng)淘汰的時(shí)候還沒有得到有效的使用壽命數(shù)據(jù)。因此采用加速壽命試驗(yàn)來縮短試驗(yàn)時(shí)間和降低試驗(yàn)成本將成為一種極為有效的手段。 加速壽命試驗(yàn)的定義是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到產(chǎn)品在額定應(yīng)力水平下的特征可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法。簡(jiǎn)而言之，加速壽命的思想是采用高出正常使用應(yīng)力水平的加速壽命試驗(yàn)，其前提是在高應(yīng)力水平下發(fā)生故障的機(jī)理不能發(fā)生變化，然后通過相應(yīng)的加速模型和統(tǒng)計(jì)

3、模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而計(jì)算得到被測(cè)產(chǎn)品的各項(xiàng)壽命指標(biāo)。 1電磁閥故障機(jī)理分析 11電磁閥FTA與故障模式 實(shí)驗(yàn)采用電磁閥為某公司s系列直動(dòng)式電磁閥，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。電磁閥線圈未通電時(shí)，P·B導(dǎo)通，A-R1導(dǎo)通；電磁閥線圈通電時(shí)P-A導(dǎo)通，AR2導(dǎo)通。                           &

4、#160;                     圖1電磁閥結(jié)構(gòu)圖結(jié)合s系列電磁閥的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用故障樹分析（FailureTreeAnalysis，F(xiàn)TA）方法進(jìn)行分析。將電磁閥失效作為頂事件，把換向動(dòng)鐵芯不動(dòng)作或動(dòng)作時(shí)間過長(zhǎng)、換向動(dòng)鐵芯不能復(fù)位、線圈過熱或者燒損、泄漏4項(xiàng)作為失效判據(jù)，作為故障樹的第二級(jí)中間事件；然后再把每個(gè)第二級(jí)中間事件按邏輯失效的因果關(guān)系，再分析到第三級(jí)，直到最后的底事件。從

5、而可得電磁閥的故障樹圖2。 圖2S系列電磁閥故障樹從s系列電磁閥的故障樹可以看出，電磁閥故障既包含電氣故障也包含機(jī)械故障，電氣故障是偶然性故障，探討其故障發(fā)展規(guī)律困難；而機(jī)械故障一般是漸進(jìn)性故障，可以通過故障物理或故障化學(xué)獲得其故障發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，考慮到實(shí)際使用中以電氣故障作為電磁閥的失效標(biāo)準(zhǔn)將有可能導(dǎo)致電磁閥在機(jī)械部件完好的情況下被判定失效，從而造成成本的上升和資源的浪費(fèi)。因此，作者將著重關(guān)注電磁閥的機(jī)械故障。 在故障樹的基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁閥FMEA（Failure Modeand Effects Analysis）分析可以看出，其常見的機(jī)械故障主要發(fā)生在換向閥芯，主要的模式有疲勞、老化和磨損

6、。對(duì)于電磁閥換向滑閥，閥芯的密封圈位置不良或者閥桿位置不良都有可能導(dǎo)致某點(diǎn)摩擦力增大，從而造成磨損；異物進(jìn)入也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的摩擦；潤(rùn)滑液稀釋或者干澀都可能加大摩擦力從而導(dǎo)致磨損。而對(duì)于密封圈，隨著使用環(huán)境的變化以及工作介質(zhì)品質(zhì)的變化都有可能導(dǎo)致橡膠原料老化。疲勞主要發(fā)生在用于復(fù)位滑閥的彈簧處，對(duì)彈簧施加交變應(yīng)力同時(shí)工作環(huán)境的變化都會(huì)導(dǎo)致彈簧疲勞而彈性不足或者變形。 1.2故障機(jī)理與敏感應(yīng)力 針對(duì)此系列氣動(dòng)電磁閥加速壽命試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)并不充分，因此不能明確指出試驗(yàn)條件下電磁閥的主要故障機(jī)理，下面將針對(duì)前面3種可能的情況進(jìn)行分析。 （1）磨損故障機(jī)理與敏感應(yīng)力分析 磨損產(chǎn)生的一個(gè)直接原因是閥芯和活

7、塞連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，和其作動(dòng)路徑有很大關(guān)系，那么在相同時(shí)間內(nèi)，其作動(dòng)頻率越大，意味著磨損就越加嚴(yán)重，可見作動(dòng)頻率是一個(gè)相關(guān)應(yīng)力。此外，磨損的產(chǎn)生也是由摩擦力所導(dǎo)致的，而摩擦力的大小與摩擦因數(shù)和接觸面的壓力有直接的關(guān)系，在此電磁閥中摩擦因數(shù)和潤(rùn)滑程度有關(guān)，接觸面壓力和密封件與工作面的接觸程度有關(guān)。潤(rùn)滑效果不佳顯然能夠增大摩擦；密封件和工作面接觸過緊同樣增大摩擦。在高溫條件下，潤(rùn)滑劑稀釋導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，密封件自身在高溫下也有可能軟化，造成黏性摩擦，進(jìn)一步增大摩擦因數(shù)；或者密封件膨脹，導(dǎo)致接觸面壓力增加，最終都可能導(dǎo)致磨損加劇。由此可見溫度是磨損產(chǎn)生的一個(gè)重要應(yīng)力。 綜上可以看出磨損的敏感應(yīng)力主要有

8、溫度和工作頻率。 （2）疲勞故障機(jī)理與敏感應(yīng)力分析彈簧屬于機(jī)械部件，在電磁閥的換向過程中不停地處于壓縮彈出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中，這樣逐漸造成機(jī)械疲勞，最終使性能下降甚至斷裂。疲勞斷裂是彈簧的一種常見失效模式，產(chǎn)生這種失效原因可能有：選材和設(shè)計(jì)不當(dāng)、制造加工精度低、材料性能差、工作條件惡劣（應(yīng)力過重、工作頻率過高）。分析這些原因發(fā)現(xiàn)，前三者都不是使用問題，只有最后的工作條件對(duì)彈簧，也即電磁閥的使用壽命有著重要影響。因此工作頻率和工作應(yīng)力成為主要的考慮因素。此外溫度升高會(huì)導(dǎo)致原子間距增大，原子問的結(jié)合力減小，導(dǎo)致彈簧的彈性模量和切變模量下降，因此溫度也是一個(gè)重要應(yīng)力。進(jìn)一步結(jié)合電磁閥中彈簧的作用可以看出，

9、此處彈簧的工作應(yīng)力是瞬變的而且無法準(zhǔn)確控制，因此可以認(rèn)為疲勞的敏感應(yīng)力為溫度和工作頻率。 （3）老化故障機(jī)理與敏感應(yīng)力分析 密封件除了磨損外，在高溫環(huán)境下還有可能因?yàn)椴牧现械母叻肿泳酆衔锝M分發(fā)生高溫分解和氧化，使得密度減小，孔隙率增大，從而降低了材料性能，導(dǎo)致密封件的物理性能和最終形態(tài)發(fā)生變化。因而影響密封件老化的主要敏感應(yīng)力為溫度。 2 加速模型與統(tǒng)計(jì)模型 2.1加速模型選擇 壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系就是通常所說的加速模型，又稱加速方程。下面同樣針對(duì)3種不同的情況進(jìn)行分析。 （1）基于磨損的加速模型 從這類情況來說，溫度和工作頻率都是主要的加速應(yīng)力，屬于多應(yīng)力模型，比較常用廣義艾琳模型。

10、廣義艾琳模型描述的是產(chǎn)品故障是由兩種應(yīng)力造成的，一種是溫度應(yīng)力，一種是溫度以外的應(yīng)力（這里是工作頻率），一般可表示為式中：A、B、C、D為待定系數(shù)。令，對(duì)式 （1）兩邊取對(duì)數(shù)進(jìn)行線性化，可得（2）基于老化的加速模型 老化的主要敏感應(yīng)力為溫度，因此可以選擇阿倫尼斯模型。阿倫尼斯模型是1889年Arrhenius在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出某產(chǎn)品的性能退化速率與激活能的指數(shù)成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成反比。溫度對(duì)電子設(shè)備的影響通常用該方程來描述，Arrhenius模型一般可表示為式中：為壽命特征，E為激活能，K為玻爾茲曼常數(shù)，為絕對(duì)溫度，A為正常數(shù)。對(duì)式（3）兩邊取對(duì)數(shù)，可得式中：為待定系數(shù)。（3）基于

11、疲勞的加速模型 彈簧機(jī)械疲勞的產(chǎn)生一般來說是損傷積累的過程，相關(guān)文獻(xiàn)多采用S-N曲線和邁因納（MINER）法則來分析彈簧的壽命，但該實(shí)驗(yàn)中電磁閥切換過程中對(duì)彈簧施加的應(yīng)力無法得知，因此就給應(yīng)用邁因納法則帶來了麻煩。再考慮冪律模型的使用范圍包括了一類s-N問題，而且它的形式是一種非溫度應(yīng)力與壽命的關(guān)系，因此對(duì)工作頻率這個(gè)應(yīng)力首選冪律模型。再結(jié)合溫度應(yīng)力進(jìn)行考慮，則可以初步?jīng)Q定選擇廣義艾琳模型作為此類故障機(jī)理的加速模型。 2.2 統(tǒng)計(jì)模型選擇 Weibul1分布是在實(shí)際使用中很重要的壽命分布，大量統(tǒng)計(jì)方法的文獻(xiàn)都是由此分布引出的。Weibul1分布可用來作為多種類型產(chǎn)品的壽命分布模型，如軸承、真空

12、管、電器的絕緣材料等。Weibul1分布有單參數(shù)、兩參數(shù)和三參數(shù)等幾種形式，其中，兩參數(shù)Weibul1分布的概率密度函數(shù)為式中：盧為形狀參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)過程中不變；71為尺寸參數(shù)，這里即為特征壽命。 需要指出的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有可能并不是一定嚴(yán)格符合所選擇的分布函數(shù)，因此需要在實(shí)際應(yīng)用的過程中進(jìn)行檢驗(yàn)，來判別所選模型的精準(zhǔn)度，并在必要的時(shí)候進(jìn)行改進(jìn)。 3 實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)分析 由于恒定應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)理論成熟，操作簡(jiǎn)單，因此成為首選實(shí)驗(yàn)方法。 3.1 單個(gè)電磁閥實(shí)驗(yàn)回路 針對(duì)電磁氣動(dòng)閥的加速壽命實(shí)驗(yàn)空氣回路如圖3所示。 圖3電磁閥壽命實(shí)驗(yàn)的空氣回路3.2 實(shí)驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn)的被測(cè)電磁閥被置于溫控箱內(nèi)施加溫度應(yīng)

13、力。氣路的其他部分置于溫控箱外。環(huán)境溫度在2030之間，工況為24h連續(xù)工作。 （1）供試閥為s系列電磁閥； （2）使用最大壓力0.7MP a； （3）使用溫度范圍-1055； （4）作動(dòng)器件。氣缸選定為缸徑為20rfml的B系列氣缸，負(fù)載選擇為143×424，密度P=7900ksm的45號(hào)鋼，氣缸水平放置。 （5）試驗(yàn)數(shù)量。每組l0個(gè)，共需40個(gè)電磁閥。 （6）加速應(yīng)力剖面。采用恒定雙應(yīng)力加速，分別為溫度和工作頻率。溫度設(shè)定兩個(gè)數(shù)值45與55；工作頻率設(shè)定兩個(gè)數(shù)值3Hz與5Hz。其加速試驗(yàn)條件矩陣如表1所示。 （7）輸入信號(hào)。試驗(yàn)所使用的氣動(dòng)電磁閥在試驗(yàn)過程中要保持不停地?fù)Q向，因此

14、要對(duì)其施加控制信號(hào)。用PLC通過輸出點(diǎn)控制電磁閥的切換，利用計(jì)數(shù)器記錄電磁閥切換次數(shù)。（8）測(cè)量間隔。正常試驗(yàn)期間測(cè)量間隔為兩個(gè)星期；當(dāng)出現(xiàn)故障后，間隔時(shí)間縮短到3d。 （9）故障判定。在工作氣壓為0.4MPa時(shí)，內(nèi)部泄漏量>5mLmin；在工作氣壓為0.63MPa時(shí)，外部泄漏量>10mLmin。通過這兩個(gè)指標(biāo)來判斷電磁閥是否發(fā)生故障或者失效?？紤]電氣故障的潛在可能以及其對(duì)機(jī)械故障可能的影響，同時(shí)測(cè)量關(guān)斷電壓、最低作動(dòng)電壓、響應(yīng)時(shí)間來作為參考指標(biāo)。 3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 目前試驗(yàn)仍在進(jìn)行中，通過定期測(cè)量，得到了一些數(shù)據(jù)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)s系列電磁閥作為機(jī)電混合產(chǎn)品，其電氣部分的

15、性能退化遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于機(jī)械部分，目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示被測(cè)電磁閥的內(nèi)外泄漏量均為0的情況下，換向端口通斷響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)有較大的性能退墨化。圖4為被測(cè)電磁閥樣本簣組中某一樣本的Part2端口的導(dǎo)通和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間示意圖，其中橫坐標(biāo)為作動(dòng)次數(shù)，縱坐標(biāo)為響應(yīng)時(shí)間。圖4端口通斷響應(yīng)時(shí)間從圖4可以看出，電磁閥的電特性隨作動(dòng)次數(shù)的增加（也即適用壽命的增長(zhǎng)）有著比較顯著的退化，這也印證了作者在開始所分析的電磁閥很有可能在機(jī)械故障尚未發(fā)生的情況下產(chǎn)生電氣故障，或者由于電磁特性的嚴(yán)重退化導(dǎo)致電磁閥作動(dòng)不正常。另一方面電磁閥的機(jī)械故障目前為止尚未暴露被測(cè)電磁閥樣本目前均未發(fā)生泄露現(xiàn)象，這也說明電磁閥的機(jī)械特性穩(wěn)定，其故障過程是緩慢的，對(duì)其的分析將通過今后進(jìn)一步得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)需要指出的是，電磁閥電特性退化導(dǎo)致電磁閥的工作特性產(chǎn)生一定的變化，這部分變化很有可能對(duì)電磁閥的機(jī)械故障產(chǎn)生耦合作用，因此當(dāng)試驗(yàn)測(cè)得電特性退化到一定程度時(shí)，將考慮替換電磁閥的電氣部件來盡力減小耦合。而且在進(jìn)一步的數(shù)