气动电磁换向阀恒定应力加速寿命试验.pdf

2 0 1 0年 7月 第3 8卷 第 1 3 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 0 9 气动电磁换向阀恒定应力加速寿命试验 刘棣斐 ，唐志勇 ，裴忠才 ，彭军 1 ． 北京航空航天大学自 动化学院，北京 1 0 0 1 9 1 ； 2 ．中国5 _ ／ z ．航天集团万峰无线电厂，湖北孝感4 3 2 0 0 0 摘要 对气动电磁换向阀的使用寿命进行研究有着极其重要的意义。传统的寿命试验方法需耗费大量的时间与成本， 而加速寿命试验则通过提高应力水平来加速产品性能衰退，在可以接受的时间内得到有效的试验数据，并预测出产品在正 常应力下的寿命。在分析 S系列直动式电磁换向阀结构特性的基础上，建立其故障树；分析磨损、疲劳、老化 3种故障机 理下的敏感应力，据此选定加速模型 ，并确定加速应力后进行加速寿命试验，最后对目前所得的试验数据进行分析。分析 结果表明电磁阀的机械性能比电气特性更稳定。 关键词电磁换向阀；加速寿命试验 ；故障机理；加速模型 中图分类号T H1 3 8 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3 0 2 6 4 Co n s t a nt S t r e s s Ac c e l e r a t e d Li f e Te s t o f Pn e u m a t i c S o l e n o i d Di r e c t i o n a l Va l v e L I U Di f e i ，T AN G Z h i y o n g ，P E I Z h o n g c a i ，P E NG J u n 1 ． C o l l e g e o f A u t o m a t i o n ，B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ，C h i n a ； 2 ． Wa n f e n g R a d i o F a c t o r y ，C h i n a S a n j i a n g A e r o s p a c e G r o u p ，X i a o g a n Hu b e i 4 3 2 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t I t ’ S v e r y s i g n i fi c a n t t o r e s e a r c h t h e l i f e o f p n e u ma t i c s o l e n o i d v alv e ． T r a d i t i o n a l l if e t e s t me tho d n e e d s a ma s s o f t i me a n d c o s t ， h o w e v e r ， t h e a c c e l e r a t e d l i f e t e s t C an a c c e l e r a t e t h e d e g r a d a t i o n p r o c e s s o f p r o d u c t s ’ p e r f o r man c e v i a e n h an c e d s t r e s s l e v e l ， an d fi n a l l y a v a i l a b l e t e s t d a t a c a n b e g o t i n a c c e p t a b l e t i me t o p r e d i c t t h e p r o d u c t s ’ l i f e i n n o r mal s tr e s s l e v e 1 ． B a s e d o n t h e a n aly s i s o f S s e ri e s d i r e c t a c t i n g s o l e n o i d v alv e ’ s s t r u c t u r a l c h a r a c t e ri s t i c s ， t h e f a i l u r e tre e w a s b u i l t ． B y a n aly z i n g t h e s e n s i t i v e s t r e s s i n t h r e e k i n d s o f f a i l u r e me c h a n i s m s u c h a s we a l “ ，f a t i g u e a n d a g i n g，t h e a c c e l e r a t e d mo d e a n d a c c e l e r a t e d s tre s s l e v e l w e r e s e l e c t e d t o c 唧 o u t t h e a c c e l e r a t e d l i f e t e s t ． T h e p r e s e n t t e s t d a t a w e r e a n a l y z e d． T h e a n aly s i s r e s u l t s h o ws t h a t t h e me c h a n i c al p e rf o r ma n c e o f the S O - l e n o i d v alv e i s mo r e s t ab l e t h an i t s e l e c t ri c a l p e rfo r man c e ． Ke y wo r d s S o l e n o i d d i r e c t i o n al v alv e；Ac c e l e r a t e d l i f e t e s t ；F a u l t me c h a n i s m ； A c c e l e r a t e d mo d e l 气动电磁阀在气动系统中有着广泛的应用，其工 作性能的优劣直接影响着整个气动回路的品质。对电 磁阀的使用寿命进行评估能够为提高气动系统的可靠 性提供保障，有着重要的意义。然而，正常的寿命试 验需要花费大量 的时 间和成本 ，才能得到被测 产品在 正常使用条件下的使用寿命。这很有可能拖延产品的 研发或者推广 ，更有甚者，当产品面临市场淘汰的时 候还没有得到有效的使用寿命数据。因此采用加速寿 命试验来缩短试验时间和降低试验成本将成为一种极 为有效的手段 。 加速寿命试验的定义 是在进行合理工程及统 计假设的基础上 ，利用与物理失效规律相关的统计模 型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的信息进 行转换，得到产品在额定应力水平下的特征可复现的 数值估计的一种试验方法。简而言之，加速寿命的思 想是采用高出正常使用应力水平的加速寿命试验，其 前提是在高应力 水平 下发 生故 障 的机理不 能发 生变 化 ，然后通过相应 的加速模型和统计模 型对试验数据 进行分析，从而计算得到被测产品的各项寿命指标。 1 电磁阀故障机理分析 1 ． 1 电磁 阀 F T A与故障模式 实验采用电磁阀为某公 司 s系列直 动式 电磁 阀， 其结构 原 理 图 如 图 1 所 示 。电磁 阀 线 圈未 通 电时 ， P B导通 ，A R 1 导通；电磁阀线圈通电时 P - A导通， A． R 2导通 。 RI A P B R2 图 1 电磁阀结构图 结合 s系列 电磁 阀的结构 ，应用故 障树 分析 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介刘棣斐 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程。电话1 3 4 0 1 1 6 8 1 9 0 ，E m a i l w o c a i s h i l i u d if e i y a h o o ． c o n．e n。 第 1 3期 刘棣斐 等 气动电磁换向阀恒定应力加速寿命试验 2 7 F a i l u r e T r e e A n a l y s i s ，F T A方法进行分析。将电磁 阀失效作为顶事件，把换向动铁芯不动作或动作时间 过长 、换向动铁芯不能复位 、线圈过热或者烧 损 、泄 漏 4项作为失效判据 ，作为故障树的第二级中间事 件 ；然后再 把每个第二级 中间事件按逻辑失效的因果 关系，再分析到第三级，直到最后的底事件。从而可 得电磁阀的故障树图 2 。 S 系列 电磁 阀 故障 换向铁芯不动I l 换向铁芯不复位 l I 线 圈过热或烧 守 I 画 ] ■ 厂 I摩 擦 力 l 排气 口 l l 阀体 换 过 南 荔 翥 滑不足／ I 不到位 图2 S系列电磁阀故障树 从 s系列电磁阀的故障树可以看出，电磁阀故障 既包含电气故障也包含机械故障，电气故障是偶然性 故障，探讨其故障发展规律困难 ；而机械故障一般是 渐进性故障，可以通过故障物理或故障化学获得其故 障发展规律。同时，考虑到实际使用中以电气故障作 为电磁阀的失效标准将有可能导致电磁阀在机械部件 完好 的情况下被判定失效 ，从 而造成成本的上升和资 源的浪费。因此，作者将着重关注电磁阀的机械故 障 。 在故障树的基础上，结合电磁 阀 F ME A F a i l u r e Mo d e a n d E f f e c t s A n a l y s i s 分析可 以看 出，其 常见 的 机械故障主要发生在换向阀芯，主要的模式有疲劳、 老化和磨损。对于电磁阀换向滑阀，阀芯的密封圈位 置不良或者阀杆位置不良都有可能导致某点摩擦力增 大 ，从而造 成磨 损 ；异 物进 入 也可 能导 致 严 重 的摩 擦 ；润滑液稀释或者干涩都可能加大摩擦力从而导致 磨损。而对于密封圈，随着使用环境的变化以及工作 介质品质的变化都有可能导致橡胶原料老化。疲劳主 要发生在用于复位滑阀的弹簧处，对弹簧施加交变应 力同时工作环境的变化都会导致弹簧疲劳而弹性不足 或者变形 。 1 ． 2 故障机理与敏感应力 针对此 系列气动 电磁 阀加速寿命试验 的相关数据 并不充分 ，因此不能明确指 出试验条件下 电磁 阀的主 要故障机理 ，下面将针对前面3种可能的情况进行分 析 。 1 磨损故障机理与敏感应力分析 磨损产生 的一个直接原 因是 阀芯和活塞连续 的往 复运动 ，和其作动路径有很大关系，那么在相同时间 内，其作动频率越大 ，意味着磨损就越加严重，可见 作动频率是一个相关应力。此外，磨损的产生也是由 摩擦力所导致 的 ，而摩擦力 的大小与摩擦 因数和接触 面的压力有直接的关系，在此电磁阀中摩擦因数和润 滑程度有关 ，接触面压力和密封件与工作面的接触程 度有关 。润滑效果不佳显然能够增大摩擦 ；密封件和 工作 面接触过 紧同样增大摩擦 。在高温条件下 ，润滑 剂稀释导致摩擦因数增大 ，密封件 自身在高温下也有 可能软化，造成黏性摩擦，进一步增大摩擦因数；或 者密封件膨胀 ，导致接触面压力增加，最终都可能导 致磨损加剧。由此可见温度是磨损产生的一个重要应 力 。 综上可以看出磨损的敏感应力主要有温度和工作 频率 。 2 疲劳故障机理与敏感应力分析 弹簧属于机械部件，在电磁阀的换向过程中不停 地处于压缩弹 出状态 的转换 中 ，这样逐渐造成机 械疲劳 ，最终使性能下降甚至断裂。疲劳断裂是弹簧 的一种常见失效模式 ，产 生这种失效原 因可能有 选 材和设计不 当 、制造加工精度低 、材料性能差 、工作 条件恶劣 应力过重 、工作 频率 过高 。分 析这些 原因发现 ，前三者都不是使用问题 ，只有最后的工作 条件对弹簧，也即电磁 阀的使用寿命有着重要影响。 因此工作频率和工作应力成为主要的考虑因素。此外 温度升高 会导 致 原子 间距 增 大 ，原 子 问的结 合力 减 小 ，导致弹簧 的弹性模量 和切变模量下 降 ，因此温度 也是一个重要应力 。进一步结合 电磁 阀中弹簧 的作用 可 以看 出 ，此处弹簧 的工作应力是 瞬变 的而且无法准 确控制 ，因此可以认为疲劳的敏感应力为温度和工作 频率。 3 老化故障机理与敏感应力分析 密封件除了磨损外 ，在高温环境下还有可能因为 材料 中的高分子聚合物组 分发生高温分解 和氧化 ，使 得密度减小 ，孔隙率增大，从而降低 了材料性能 ， 导致密封件的物理性能和最终形态发生变化。因而影 响密封件 老化的主要 敏感 应力为温度。 2 加速模型与统计模型 2 ． 1 加 速模 型 选择 寿命特征与应力水平之间的关系就是通常所说的 加速模 型 ，又称加速方程 。下 面同样针对 3种不 同的 情况进行分 析。 2 8 机床与液压 第 3 8卷 1 基于磨损的加速模型 从这类情况来说 ，温度和工作频率都是主要的加 速应力，属于多应力模型，比较常用广义艾琳模型。 广义艾琳模型描述的是产品故障是 由两种应力造成 的，一种是温度应力，一种是温度 以外的应力 这 里是工作频率 ，一般可表示为 e x r e 。 行 1 式 中 A、B 、C 、D为 待 定 系数 。令 ，对 式 1 两边取对数进行线性化 ，可得 I n 口 6 】 c 2 d ， T 2 2 式中0l n A，b B ／ K，C C ，d D ／ K ， 1 T 1 ／ T ， 2 V V 。 2 基于老化 的加速模型 老化 的主要敏感应力为温度 ，因此可以选择 阿伦 尼斯模 型。阿伦尼斯模 型是 1 8 8 9年 A r r h e n i u s 在相关 研究的基础上总结 出某产品的性能退化速率与激 活能 的指数成反比，与温度倒数的指数成反比。温度对电 子设备的影响通常用该方程来描述，A r r h e n i u s 模型 一 般可表示为 A e 3 式中 为寿命特征，E为激活能，K为玻尔兹曼常 数 ， 为绝对 温度 ，A为正 常数 。对式 3 两 边取 对数 ，可得 ] n O 。 了 b 4 式中口 l n A ，b E ／ K ，0 ，b 为待定系数。 3 基于疲劳的加速模型 弹簧机械疲劳的产生一般来说是损伤积累的过 程 ，相关 文 献多 采 用 S - N曲线 和 迈 因纳 MI N E R 法则来分析弹簧的寿命，但该实验中电磁阀切换过程 中对弹簧施加的应力无法得知，因此就给应用迈因纳 法则带来了麻烦。再考虑幂律模型的使用范围包括了 一 类 s - N问题 ，而且它的形式是一种非温度应力与寿 命的关系，因此对工作频率这个应力首选幂律模型。 再结合温度应力进行考虑，则可以初步决定选择广义 艾琳模型作 为此类故障机理的加速模 型。 2 ． 2 统计模型选择 We i b u l 1 分布是在实际使用中很重要的寿命分布 ， 大量统计方法的文献都是由此分布引出的。We i b u l 1 分布可用来作为多种类型产品的寿命分布模型，如轴 承、真空管、电器的绝缘材料等。We i b u l 1 分布有单 参数、两参数和三参数等几种形式，其 中，两参数 We i b u l 1 分布的概率密度函数为 ￡ 垦f 1 一 一 寺 5 7 1、7 1 I 式中 卢为形状参数，在实验过程中不变 ；7 1 为尺 寸参数 ，这里即为特征寿命。 需要指 出的，实验数据有可能并不是一定严格符 合所选择 的分布 函数 ，因此需要在实际应用的过程 中 进行检验，来判别所选模型的精准度，并在必要的时 候进行改进 。 3 实验方案与数据分析 由于恒定应力加速寿命实验理论成熟，操作简 单，因此成为首选实验方法。 3 ． 1 单个电磁 阀实验回路 针对电磁气动 阀的加速寿命实验空气 回路如 图 3 所示。 气 缸 压 图3 电磁阀寿命实验的空气回路 3 ． 2实验 方案 实验的被测电磁阀被置于温控箱 内施加温度应 力。气路的其他部分置于温控箱外。环境温度在2 0～ 3 0℃之间，工况为2 4 h连续工作。 1 供试阀为 s系列电磁阀； 2 使用最大压力 0 ． 7 M P a ； 3 使用温度范围一1 0 5 5 o C； 4 作动 器件 。气 缸选定 为缸 径为 2 0 r f m l 的 B 系列气缸，负载选择为 1 4 34 , 2 4 ，密度 P7 9 0 0 k s ／ m 的4 5号钢，气缸水平放置。 5 试验数量。每组 l 0个，共需4 0个电磁阀。 6 加速应力剖面。采用恒定双应力加速，分 别为温度和工作频率。温度设定两个数值 4 5 c I 与 5 5℃ ；工作频率设定两个数值 3 H z 与 5 H z 。其加速 试验条件矩阵如表 1 所示。 表 1 加速寿命试验条件矩阵 7 输入信号。试验所使用的气动电磁阀在试 验过程中要保持不停地换向，因此要对其施加控制信 号。用 P L C通过输出点控制电磁阀的切换，利用计 数器记 录电磁阀切换 次数 。 第 1 3期 刘棣斐 等气动电磁换向阀恒定应力加速寿命试验 2 9 8 测量 间隔 。正 常试 验期 间测 量 间隔 为两 个 星期；当出现故障后，间隔时间缩短到 3 d 。 9 故障判定。在工作气压为 0 ． 4 M P a时，内 部泄漏量 5 m L ／ m i n ；在工作气压为 0 ． 6 3 MP a时， 外部泄漏量 1 0 m L ／ m i n 。通过 这两个 指标来 判 断 电 磁 阀是否发生故 障或者失效 。考虑 电气故障 的潜在可 能 以及其 对机 械故 障 可能 的影 响 ，同时测 量关 断 电 压 、最低作动电压 、响应时间来作为参考指标 。 3 ． 3试 验数 据分析 目前试验仍在进行中，通过定期测量，得到了一 些数据 。 根据所得数据分析发现 s系列 电磁 阀作为机 电混 合产品，其电气部分的性能退化远远快于机械部分， 目前 的试验数据显示被测 电磁 阀的 内外泄漏 量均 为 0 的情况下，换向端 口通断响 应 时 间 已 经 有 较 大 的 性 能 退墨 化。 图4 为 被 测电 磁阀 样本篑 组中某一样本 的 P a r t 2端 口 列电磁阀的各项寿命指标，为 s系列电磁阀产品的可 靠性提供依据和保障。 参考文献 【 1 】Y u r k o w s k y W， S c h a f t e r R E， F i n k e l s t e i n J M． A c c e l e r a t e d t e s t i n g t e c h n o l o g y [R] ． T e c h n i c a l R e p o r t N O ． RADC 2TR2 67 2 42 0， 1 96 7 12． 【 2 】 温明成． 气动电磁阀可靠性试验方法的研究[ D ] ． 大连 大连海 事大学 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 张民贞． 弹簧支吊架在管道设计中的应用及弹簧失效分 析[ J ] ． 化工设计， 2 0 0 7 5 2 9 3 3 ． 【 4 】 李玉艳 ， 顾伯勤． 垫片密封连接综合应力加速寿命试验 谱的研究[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 8 ， 2 5 5 8 ． 【 5 】王少萍． 工程可靠性[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版 社 ， 2 0 0 0 ． 4 2 3 7 2 4 3 ． 【 6 】陈娟， 王占林 ， 王少萍． 气缸恒定应力加速寿命试验方法 的研究 [ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 6 ， 7 6 9 1 9 2 ． 上接 第 1 4页 本一致。另外 ，水压泵系统在无蓄能器和加装蓄能 器组状况下 ，压力脉动均 随工作压力增大而增大 ； 在工作压力 0～ 0 ． 3 MP a区间内，两曲线基本重合 ， 这是因为所有蓄能器的充气压力均高于 0 ． 3 M P a ， 此时所有 的蓄能器都没有工作 ；当工作压力 大于 0 ． 3 M P a 时 ，加装蓄能器组后 ，系统压力脉动大大 减少了，而且随着工作压力 的增加 ，压力脉动减少 量越 大 。 4结论 建立了蓄能器组吸收水压泵系统压力脉动的数学 模型，并提出了蓄能器组 中各蓄能器参数的确定方 法。针对该课题组研制的水压泵系统 ，分别进行了仿 真和实验研究。结果表明，加装蓄能器后，在整个工 作压力范围内，水压泵系统的压力脉动均能被较好地 吸收，大大改善了工作环境。 参考文献 【 1 】 赵琦． 蓄能器及其工作 回路的计算机辅助设计[ D ] ． 秦 皇岛 燕山大学， 2 0 0 0 ． 1 2 ． 【 2 】王海兰， 陆剑波． 采用蓄能器吸收压力脉动的回路配置 与分析[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 4， 3 2 2 0 2 1 ． 【 3 】S h i n i c h i Y ． S t u d y O il a n a c t i v e a c c u m u l a t o r [ J ] ． J S M E I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l ， 1 9 9 6 ， 3 9 1 1 1 91 2 4 ． 【 4 】陈富全． 吸收压力脉动的蓄能器动态特性分析 [ J ] ． 长 安科技， 2 0 0 3 ， 9 1 3 53 7 ． 【 5 】Wa n g D， S u n H， Z h o u D ． S t u d y o f F l o w R a t e C h a r a c t e r i s t i c s i n a Wa t e r T h r o t t l i n g V a l v e w i t h C A T S y s t e m [ J ] ． M o d e rn M a c h i n e r y ， 2 0 0 8 2 5 2 5 3 ． 【 6 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 0 4