（机械电子工程专业论文）气缸可靠性试验及数据处理方法的研究.pdf

中文摘要 气动技术具有成本低、无污染、防火、防爆、可靠性高和使用寿命长等优 点，随着科学技术的发展，现代气动技术也有迅猛的发展，与其它传动技术相 比，已有了更多的优势，在工业领域的应用正日益拓宽。 气缸是气动技术中应用广泛的元件之一，具有运动速度快、结构简单、制 造成本低等一系列优点，因此广泛用于机械制造、冶金、石油、化工、轻纺、 电子、仪器仪表、家用电器、自行车、缝纫、食品、医药卫生等机械和包装机 械的气压传动系统中，以驱动工作机构实现预定的动作，进行自动化操作。正 是由于气缸在工业中的广泛用途，因此气缸的可靠性指标就显得十分重要了。 本文即设计一个可靠性试验，对试验气缸的可靠性指标进行测试。 本文首先介绍了气动技术的应用现状、特点及发展趋势，可靠性技术的概 念及国内外研究现状，可靠性试验的目的和分类，课题研究的目的和内容。接 着介绍了试验气缸结构及特性、失效与失效分析理论及故障树分析法，通过故 障树分析法分析了试验气缸的失效机理及失效模式，建立了试验气缸的故障树， 确定了试验气缸失效模式、得出了试验气缸的三种失效模式。根据气动元件可 靠性试验要求，设计了气缸恒定应力加速寿命试验和可靠性试验回路，搭建了 可靠性试验试验台，开发了基于虚拟仪器开发环境l a b v i e w 的可靠性试验测 控系统。 此外，本文通过气缸可靠性试验介绍了可靠性试验数据的分布方式和分析 方法，重点分析了w e i b u l l 分布及其分布参数的点估计和区间估计。通过w e i b u l l 分析试验气缸可靠性试验数据，得出试验气缸可靠性指标。 最后，通过柯尔莫哥洛夫撕米尔诺夫检验和威布尔分布检验两种方法检 验了试验气缸寿命分布的拟合优度，验证了经验分布和理论分布的一致性。 关键字：气缸，可靠性试验，失效模式，w e i b u l l 分布 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m o d e r np n e u m a t i ct e c h n o l o g y i sd e v e l o p i n gr a p i d l yo w i n gt oi t sa d v a n t a g e so fl o w c o s t ，n o n p o l l u t i o n ，f i r e p r o o f , e x p l o s i o np r o o f , h i 曲r e l i a b i l i t ya n dl o n gs e r v i c el i f e p o s s e s s i n gs o m ea d v a n t a g e s o v c l o t h e rt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s ，p n e u m a t i ct r a n s m i s s i o ni se x p e n d i n gi t s i n d u s t r i a la p p l i c a t i o nf i e l de v e r y d a y t h ep n e u m a t i cc y l i n d e ri sw i d e l yu t i l i z e di nm a n ya u t o m a t i o nf i e l d s ，d e p e n d i n g o ni t sa d v a n t a g e so fq u i c ks p e e d ，s i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t p r e s e n t l y , i ti s u t i l i z e di nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g y , p e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g , t e x t i l e i n d u s t r y , e l e c t r o n i c si n d u s t r y , i n s t r u m e n t ，h o m ea p p l i a n c e s ，f o o di n d u s t r y , h e a l t ha n d m e d i c i n ee n g i n e e r i n ga n de r e i tp e r f o r m st h ep r e d i c t i v eo p e r a t i o nw i t hc o m p r e s s e d a i r a st h ec y l i n d e ri sw i d e l yu t i l i z e d ，i t sr e l i a b i l i t yi n d e xi sv e r yi m p o r t a n t t h e r e s e a r c hs u b j e c ti st od e s i g nar e l i a b i l i t yt e s ta n dt ot e s tr e l i a b i l i t yi n d e xo fc y l i n d e r f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no f p n e u m a t i ct e c h n o l o g y , p r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a d ,a n di t s d e v e l o p m e n tt e n d e n c y , t h ep u r p o s e a n dc l a s s i f i c a t i o no f r e l i a b i l i t yt e s t ，t h ep u r p o s ea n dc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o n t h e ni t i l l u s t r a t e dt h e s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s tc y l i n d e r , f a i l u r et h e o r i e sa n df a i l u r ea n a l y s i s b a s e do nf a u l tt r e ea n a l y s i s ，f a i l u r em e c h a n i s ma n df a i l u r em o d eo fc y l i n d e ra r e a n a l y z e d ，f a u l tt r e eo f t e s tc y l i n d e ri ss e tu p ，a n dt h r e ef a i l u r em o d e so ft e s tc y l i n d e r a r eo b t a i n e d b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fp n e u m a t i cc o m p o n e n tr e l i a b i l i t yt e s t i n g ， c o n s t a n ts t r e s ss t r e n g t h e n i n gl i f et e s to fa i rc y l i n d e ri sd e s i g n e d m o r e o v e rr e l i a b i l i t y t e s tb e n c hi sb u i l tu p ，f o rw h i c hm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e db a s e d o nl a b v i e w ： i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h i sc y l i n d e rr e l i a b i l i t yt e s t ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s oi n t r o d u c e s t h ed i s t r i b u t i o np a t t e r na n da n a l y s i sm e t h o do fr e l i a b i l i t yt e s td a t a a n a l y s i sf o c u s e s o nt h ew e i b u l ld i s t r i b u t i o n ，t h ep o i n te s t i m a t i o na n di n t e r v a le s t i m a t i o n i ta l s o a n a l y z e dt h et e s td a t at h r o u g hw e i b u l ld i s t r i b u t i o nw i t hc y l i n d e rr e l i a b i l i t yi n d i c e o b t a i n e d 1 1 f i n a l l y , i tt e s t e dt h ef i t t i n gg o o d n e s so ft h et e s tc y l i n d e rl i f ed i s t r i b u t i o nb yt w o w a y s - - k o l m o g o r o v s m i m o v et e s ta n dw e i b u l ld i s t r i b u t i o nt e s t i tv e r i f i e dt h e c o n s i s t e n c yo ft h ee m p i r i c a la n dt h e o r e t i c a ld i s t r i b u t i o n s k e yw o r d s ：c y l i n d e r , r e l i a b i l i t yt e s t ，f a i l u r em o d e l ，w e i b u l ld i s t r i b u t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：篮二刍日期：2 蜱：臣 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：迸导师( 签名) ：翘复日期：窆塑乏竺 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 气动技术概述 第1 章绪论 气动( p n e u m a t i c ) 是“气动技术 或“气压传动与控制”的简称。气动 技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号 传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。 1 1 1 气动技术的应用现状 人们利用空气的能量完成各种工作的历史可以追溯到远古，但作为气动技 术应用的雏形，大约开始于1 7 7 6 年j o h nw i l k i n s o n 发明能产生1 个大气压左右 压力的空气压缩机。1 8 8 0 年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它们 成功地用到火车的制动上。2 0 世纪3 0 年代初，气动技术成功地应用于自动门 的开闭及各种机械的辅助动作上。进入到6 0 年代尤其是7 0 年代初，随着工业 机械化和自动化的发展，气动技术才广泛应用于生产自动化的各个领域，形成 现代气动技术。 气动技术的应用主要在： ( 1 ) 汽车制造行业 现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，几乎无一例 外地采用了气动技术。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高 度自动化，堪称是最有代表性的气动技术应用之一。另外，搬运装置中使用的 高速气缸( 最大速度达3 m s ) 、复合控制阀的比例控制技术都代表了当今气动 技术的新发展。 ( 2 ) 电子、半导体制造行业 在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印制电路 等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气 缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸 箱等物品轻轻的吸住，运送到指定位置上。 ( 3 ) 生产自动化的实现 2 0 世纪6 0 年代，气动技术主要用于比较繁重的作业领域作为辅助传动。 武汉理工大学硕士学位论文 现在，在工业生产的各个领域，为了保证产品质量的均一性，为了能减轻单调 或繁重的体力劳动、提高生产效率，为了降低成本，都已广泛使用了气动技术。 ( 4 ) 包装自动化的实现 气动技术还广泛应用于化肥、化工、粮食、食品、药品等许多行业，实现 粉状、粒状、块状物料的自动计量包装。用于烟草工业的自动卷烟和自动包装 等许多工序。用于对粘稠液体( 如油漆、油墨、化妆品、牙膏等) 和有毒气体 ( 如煤气等) 的自动计量灌装。 1 1 2 气动技术的特点 2 0 世纪8 0 年代以来，自动化得到迅速发展。自动化的主要方式有：机械 方式、电气方式、电子方式、液压方式和气动方式等。这些方式都有各自的优 缺点及其最适合的使用范围。气动技术与其他的传动和控制方式相比，其主要 优缺点如下： 优点： ( 1 ) 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，故使用安全； ( 2 ) 工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理 简单，不污染环境，成本低； ( 3 ) 输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为 5 0 - - , 5 0 0 m m s ，比液压和电气方式的动作速度快； ( 4 ) 可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而 一般气缸的寿命可达15 0 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 0 k i n ； ( 5 ) 利用空气的可压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能 量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强 的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力； ( 6 ) 全气动控制具有防火、防爆、耐潮能力。与液压方式相比，气动方式 可在高温场合使用； ( 7 ) 由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。 缺点： ( 1 ) 由于空气有压缩性，气缸的动作速度易随负载的变化而变化。采用气 液联动方式可以克服这一缺陷； ( 2 ) 气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸的低速稳定 2 武汉理工大学硕士学位论文 性不如液压缸； ( 3 ) 虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比 液压缸小。 1 1 3 气动技术的发展趋势 随着1 t 工业、通信技术、传感技术的不断发展，以及新技术、新产品、新 工艺、新材料等在工业界的应用，气动元件、气动技术作为主机配套的重要基 础件也发生了革命性的变化。纵观世界气动行业的发展趋势，气动元件的发展 动向可归纳为： ( 1 ) 高质量气缸的寿命可达l5 0 0 0 0 - - - 3 0 0 0 0 0 k i n ： ( 2 ) 高精度定位精度达到0 5 o 1 m m ，过滤精度可达0 0 1 p m ，除油率 可达1 标准大气中的油雾在o 1 i n g 以下： ( 3 ) 高速度气缸最大速度可达3 r n s ： ( 4 ) 低功耗电磁阀的功耗可降至0 1 w ： ( 5 ) 小型化元件制成超薄、超短、超小形。如：缸径2 5 m m 的单作用 气缸；缸径4 m m 的双作用气缸； ( 6 ) 轻量化元件采用铝合金及塑料等新型材料制造，零件进行等强度设 计： ( 7 ) 无给油化不供油润滑元件组成的系统不污染环境，系统简单，维护 方便，节省润滑油，且摩擦性能稳定，成本低、寿命长； ( 8 ) 复合集成化减少配线、配管和元件，节省空间，简化拆装，提高工 作效率； ( 9 ) 机电气一体化典型的是“可编程序控制器+ 传感器+ 气动元件 组成 的控制系到1 】【2 】【3 1 。 1 2 可靠性的定义及其特征量 1 2 1 可靠性定义 一般所说的“可靠性”指的是“可信赖的 或“可信任的 。根据国 家标准的规定，产品的可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间 内完成规定的功能的能力。在建筑结构可靠度设计统一标准中是指： 3 武汉理工大学硕士学位论文 结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力。对产品而言， 可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作( 这正是所有 消费者需要得到的) 。从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品 可以无故障工作的时间就越长【4 】【5 】【6 1 。 1 2 2 可靠性特征量 为了评价零部件、机器、系统等的可靠性，必须对可靠性制定一些行之有 效的指标，并加以数量化为衡量可靠性的尺度，表示产品总体可靠性水平高低 的各种可靠性指标称为可靠性评价尺度，也称为特征量。可靠性评价尺度的真 值是理论上的数值，实际上是不知道的。根据样本观测值，经一定的统计分析 可得到评价尺度真值的估计值。估计值可以是点估计，也可以是区间估计。衡 量可靠性的尺度主要有可靠度、失效率、平均寿命等。 ( 1 ) 可靠度可靠度( r e l i a b i l i t y ) 可定义为产品在规定的条件下和规定的时 间内，完成规定的功能概率，通常用r 表示。考虑到它是时间的函数，所以又 可以表示为r = 震( 力，称为可靠度的函数。就概率分布而言，它被称为累积分布 函数，它表示在固定的使用条件下和规定的时间内，无故障的发挥规定功能而 工作的产品占全部工作产品( 累积起来) 的百分率。 ( 2 ) 失效率失效率是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位 时间内发生失效的概率一般记作a ，它也是时间t 的函数，故记为a ( 力，称为失 效率函数。 ( 3 ) 平均寿命平均寿命是寿命的平均值。对于不可修复产品，其寿命是 指它的失效前的工作时间。因此平均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的 工作时间( 或工作次数) 的平均值，或称为失效前的平均时间，一般记为 m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) 。对于可修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间 的工作时间。因此，它的平均寿命也称为平均故障间隔，一般记为m t b f ( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。 ( 4 ) b l o 寿命、可靠寿命、中位寿命和特征寿命曰1 0 寿命指累积失效概率 为1 0 ( 可靠度为9 0 ) 时的工作时间，可以用时间、循环次数或公里数表示。 可靠寿命就是指可靠度为给定值时的工作寿命。可靠度为r = 5 0 的可靠寿命， 称为中位寿命，用t o 5 表示。可靠度为r = e 。的可靠寿命称为特征寿命，用t o 6 3 ( 1 - e - - 0 6 3 ) 表示【7 j 【引。 4 武汉理工大学硕士学位论文 可靠性特征量中可靠度r ( 0 、累积失效率( 也叫不可靠度) f ( 0 、概率密度 f i t ) 和失效率工( ，) 是四个基本函数，只要知道其中一个，则所有变量均可求得。 基本函数间的关系如表1 1 所示。 表1 - 1 可靠性特征量间的关系 可靠性特征量尺( r ) f ( o苁，)五( ，) f ： 5 0 0 m m s 负载率茎7 0 s 5 0 3 0 2 2 失效理论基础 2 2 1 失效与失效分析 各类产品都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传 递能量、完成某种规定的运动等。当这些产品失去了它应用的功能时，则称该 产品失效。按照国际标准( g b 3 1 8 7 8 2 ) 规定，失效是“产品丧失规定的功能， 对可修复的产品通常也称为故障n 引。 产品失效即失去其原有功能的含义包括三种情况n 7 1 ： ( 1 ) 产品由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能： ( 2 ) 产品在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但 不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等； ( 3 ) 产品虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安 全可靠性。 失效分析通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技 术活动，也就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。在 失效分析中，通常将失效分类。从技术角度可按失效机制、失效产品类型、引 起失效的工艺环节等分类。从质量管理和可靠性工程角度可按产品使用过程分 类。图2 5 所示的失效率曲线通常称浴盆曲线，它描述了失效率与使用时间的 关系。早期失效率高的原因是产品中存在不合格的部件；晚期失效率高的原因 是产品部件经过长期使用后进入失效期n 引。 武汉理工大学硕士学位论文 失 效 塞 早期失效期| 偶然失效期 予损失效期 图2 5 失效率曲线 失效分析可分为整机失效分析和零部件残骸失效分析，也可按产品发展阶 段、失效场合、分析目的进行失效分析。失效分析的工作程序通常分为明确要 求，调查研究，分析失效机制和提出对策等阶段。失效分析的核心是失效机制 的分析和揭示。失效机制是导致零件、元器件和材料失效的物理或化学过程。 此过程的诱发因素有内部的和外部的。在研究失效机制时，通常先从外部诱发 因素和失效表现形式入手，进而再研究较隐蔽的内在因素。在研究批量性失效 规律时，常用数理统计方法，构成表示失效机制、失效方式或失效部位与失效 频度、失效百分比或失效经济损失之间关系的排列图或帕雷托图，以找出必须 首先解决的主要失效机制、方位和部位。任一产品或系统的构成都是有层次的， 失效原因也具有层次性，如系统一单机一部件( 组件) 一零件( 元件) 一材料。 上一层次的失效原因即是下一层次的失效现象。越是低层次的失效现象，就越 是本质的失效原因。 失效分析学( 失效学) 是人类长期生产实践的总结，与其它学科相比，有 两个显著特点：一是结合性强，即它有很强的生产使用背景，与国民经济建设 存在着密切关系；二是综合性强，即它涉及广泛的学科领域和技术部门。图2 - 6 给出了失效分析学与其他学科的关系n 9 1 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 断口学fi 材料学 思想方法 修理学 失效分析学 金相学li 无损检测i 、1 可靠性分析 2 2 2 失效判据 图2 - 6 失效分析学与其他学科的关系 为了正确判断产品是否失效，合理地确定失效判据是很重要的。 日本工业标准( j i s z 8 1 i s 一1 9 7 0 ) 规定，失效判据是判断是否构成失效的界 限值。这一规定表明，判定产品失效与否，需要明确的甚至是定量的界限值。 不同的产品有不同的失效判据。在我国，这一般由该产品的上级业务主管部门 或者业务归口单位来制定，对某些特殊任务的产品，也可由使用方与生产方共 同协商制制删。 在规定产品的失效判据时，一般遵循的原则是： ( 1 ) 不能在规定的条件下丧失其功能； ( 2 ) 失效判据的界限值根据可接受的性能来确定； ( 3 ) 不同产品可按该产品的主要性能指标来衡量。 2 2 3 失效分类和等级划分 ( 1 ) 失效分类 按功能分类 由失效的定义可知，失效的判据是看规定的功能是否丧失。因此，失效的 分类可以按功能进行分类。例如，当把材料作为产品，按不同材料的规定功能 可以用各种材料缺陷( 包括成分、性能、组织、表面完整性、品种、规格等方 面) 来划分材料失效的类型。对机械产品可按照其相应规定功能来分类。 按材料损伤机理分类 1 7 学=理=学=学=程=计=学=理力一物f力一化一里蕴一数一管程=裂=裂=裂统=率=糊二量工=塑簖=盟泵=塑稹=质一一一一一一一一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 根据机械失效过程中材料发生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特 征差异，可以作分类如表2 2 所示。 表2 2 失效按材料损伤机理分类 弹性 变形塑性 粘弹性 韧窝断裂 解理断裂 准解理断裂 应力疲劳 机械疲劳应变疲劳 断裂接触疲劳 疲劳断裂腐蚀疲劳 高温疲劳 热疲劳 微动疲劳 沿晶断裂 磨粒磨损 粘着磨损 磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损 微动磨损 化学腐蚀 点蚀 晶间腐蚀( 剥蚀) 电偶腐蚀 选择性腐蚀 缝隙腐蚀 电化学腐蚀气氛腐蚀 腐蚀 生物腐蚀 土壤腐蚀 应力腐蚀 氢脆 腐蚀疲劳 老化( 非金属) 变质( 油液) 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 按机械失效的时间特征分类 a 早期失效：可分为偶然早期失效和耗损期失效。 b 突发失效：可分渐进( 渐变) 失效和间歇失效。 按机械失效的后果分类 a 部分失效 b 完全失效 c 轻度失效 d 危险性( 严重) 失效 e 灾难性( 致命) 失效 ( 2 ) 失效等级划分 规划失效等级的目的，是为了判断失效影响及其后果的严重程度。失效等 级划分所考虑的因素是： 元器件失效后，造成工作人员或者公众伤亡情况； 元器件失效后，造成外部设备或设备本身的损坏情况； 元器件失效后，造成设备不能完成其主要功能或者不能执行任务的情况 元器件失效后，造成设备无输出或者失去功能而导致经济损失的情况。 综上所述，失效等级要综合考虑对人身安全、执行任务、经济损失、风险 度等方面的影响。1 9 8 3 年，由原电子工业部标准化所拟定的国家标准草案，对 常用的失效效应严重等级划分为四级，这种标准是由电子工业部提出的，但从 国家标准角度来考虑，同样适用于任何系统，包括气动系统【2 1 1 。 2 2 4 失效模式与失效机理 国家标准( g b 3 1 8 7 8 2 ) 规定，失效模式是指元器件或产品“失效的表现 形式。失效模式一般是能够观察到的一种失效现象，它好比是人生病表现出来 的症状，能被医生观察到的一样【2 2 1 。 国家标准草案失效模式和效应分析程序列出了足以概括任何系统可能 发生的失效现象，也包括气动元件的失效现象。表2 3 包括了系统可能发生的 各类失效模式。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 各类失效模式 序号失效模式序号失效模式 1 结构失效 1 8不能动作 2 物理性质卡死 1 9不能关机 3 颤振 2 0 不能开机 4 不能保持正常位置 2 l 不能切换 5 不能开 2 2提前运行 6 不能关 2 3 滞后运行 7错误开机2 4输入过大 8 错误关机 2 5输入过小 9 内漏 2 6输出过大 1 0外漏2 7输出过小 1 1 超出允许上限 2 8无输入 1 2超出允许下限2 9无输出 1 3 意外运行 3 0 电短路 1 4 间断性工作不稳定 3 1 电开路 1 5 漂移工作不稳定 3 2 电泄漏 1 6错误指示3 3 其他 1 7 流动不畅 失效模式是失效的表现形式，而失效机理是失效的实质性原因。前者相当 于病症后者相当于病理。 国家标准( g b 3 1 8 7 8 2 ) 规定，失效机理是引起失效的物理、化学变化等 内在原因。 失效模式与失效机理往往有时在实际问题中难以区分。例如，磨损是机械 产品的常见失效表现形式之一，是一种失效模式。但磨损的物理、化学变化过 程，则又是引起失效的原因，例如疲劳磨损、粘着磨损等，是不同原因造成的 磨损，它又是一种失效机理。因此，在具体分析产品的失效问题时，可根据不 同的对象来固定各自特定的分类，有时在这种产品上定为失效机理的项目，在 另一种产品上则可能定为失效模式里去。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 故障树分析法 2 3 1 故障树分析法基础 失效分析方法主要有以下几种类型【2 3 1 ： ( 1 ) 故障树分析法( 简称f t a 法) ： ( 2 ) 特征一因素图分析法； ( 3 ) 事件时序树分析法( 简称e t a 法) ； ( 4 ) 故障率预测法； ( 5 ) 失效模式及后果分析法( 简称n 肛a 法) ； ( 6 ) 模糊数学分析法。 鉴于本课题中气缸失效分析是基于故障树分析法，这里仅简单介绍故障树 分析法。 故障树分析法( f t a ) 是美国贝尔电话实验室的w a s t o nha 于1 9 6 1 年首 先提出来的。它的概念来自数学图论中树的概念和计算机算法符号。它是一种 由结果到原因的分析方法，对系统故障形成的原因采用从整体至局部按树枝状 逐渐细化分析的方法。故障树分析法通过分析系统的薄弱环节和完成系统的最 优化来实现对产品故障的预测和诊断，还可以用于分析系统组成中除硬件以外 的其他成分，例如，可以考虑维修、人的因素影响。它不仅可以分析由单一缺 陷所诱发的系统故障，而且可以分析当有两个以上的构件同时发生故障( 失效) 时才会发生的系统故障，是一种安全性与可靠性分析技术，对于系统故障的预 测、预防、分析和控制效果显著。基于故障树分析的故障诊断技术在实际系统 故障诊断中有着广泛的应用。早在6 0 年代初就应用在民兵导弹的发射控制系统 安全性分析中，用它来预测导弹发射的随机故障概率。后来，美国波音公司研 制出f t a 的计算机程序，进一步推动了它的发展。故障树分析法具有以下特点： ( 1 ) f t a 是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。 f t a 法清晰地用图说明系统是怎样失效的，它也是系统某一个特定故障状态的 快速照相： ( 2 ) f t a 把系统的故障与组成系统的部件的故障有机地联系在一起，通过 f t a 可以找出系统的全部可能的失效状态，也就是故障树的全部最小割集，或 者称它们是系统的故障谱； 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 故障树本身也是一种形象化的技术资料，当它建成以后，对不曾参与 系统设计的管理、操作人员也是一种直观的教学和维修指南； ( 4 ) 由于f t a 它常用于分析复杂系统，因此它离不开计算机软件，目前 在f t a 方面的软件有迅速的发展，从定性、定量以及图形化、微机化等方面取 得很大进展； ( 5 ) 由于f t a 受到统计数据的不确定性的影响，因此在定量分析中有很 大困难，所以除了行之有效的定性分析外，更多人的兴趣在于f t a 的重要度分 析与灵敏度分析，它是f t a 中定量分析的重要部分。 目前f t a 已从宇航、核能进入电子、电力、化工、机械、交通及船舶等领 域。 由于故障树分析法是一种图形演绎法，因而需要一些专门的表示逻辑关系 的门符号、事件符号以及基本术语，籍以表示事件之间的逻辑关系和因果关系。 图2 7 是一故障树图例。 图2 7 故障树图例 ( 1 ) 顶事件：所谓顶事件就是系统不希望发生的事件，也就是要研究的事 件。通常选设备最不希望出现的故障为项事件，它位于故障树的顶端，可把它 形象地理解为“树根 。 ( 2 ) 中间事件：又称故障事件，它位于顶事件和底事件之间，用矩形符号 武汉理工大学硕士学位论文 并紧跟一个逻辑门，可形象地理解为“树枝。 ( 3 ) 底事件：位于树的底部，可分为基本事件( 符号为圆形) 和菱形事件( 符 号为菱形) 。底事件可理解为“树叶 。 2 3 2 故障树分析法步骤 f t a 把系统不希望发生的事件( 失效状态) 作为故障树的顶事件( t o pe v e n ) ， 用规定的逻辑符号表示，找出导致这一不希望事件所有可能发生的直接因素和 原因。它们是从处于过渡状态的中间事件开始，并由此逐步深入分析，直到找 出事故的基本原因，即故障树的底事件为止。这些底事件的数据是己知的，或 者己经有过统计或实验的结果。f t a 一般可分为以下几个阶段： ( 1 ) 选择合理的顶事件和系统的分析边界和定义范围，并且确定成功与失 败的准则； ( 2 ) 建造故障树，这是f t a 的核心部分之一，通过对己收集的技术资料， 在设计运行管理人员的帮助下，建造故障树： ( 3 ) 对故障树进行简化或者模块化： ( 4 ) 定性分析，求出故障树的全部最小割集，当割集的数量太多时，可以 通过程序进行概率截断或割集阶截断： ( 5 ) 定量分析，这一阶段的任务是很多的，它包括计算顶事件发生概率即 系统的点无效度和区间无效度，此外还要进行重要度分析和灵敏度分析。 2 3 3 故障树建造 故障树的建造是f t a 法的关键，故障树的建造的完善程度将直接影响定性 分析与定量分析的准确性。在故障树分析中，建树的关键是要清楚地了解所分 析的系统功能逻辑关系及故障模式、影响及致命性。建树完善与否直接影响定 性分析与定量计算的结果是否准确，故障应是实际系统故障组合和传递的逻辑 关系的正确抽象。 ( 1 ) 建树基本步骤 首先，分析系统各个组件的功能、结构、原理、故障状态、故障因素及其 影响等，并作深刻透彻的了解，确定一个不希望的顶事件，由此开始，逐级找 出各级事件的全部可能的直接原因，并用故障树的符号表示各类事件及逻辑关 系，直至分析到各类底事件为止。一般按如下步骤进行建树： 武汉理工大学硕士学位论文 熟悉系统 在对一个系统进行故障树分析之前，建树者首先应对系统的功能、结构、 原理、故障状态、故障因素及其影响等作深刻透彻的了解，收集有关系统的技 术资料，这是建树的基础工作。 确定顶事件 顶事件可以根据研究对象来选取。为了能够进行分析，顶事件必须有明确 的定义，能够定量评定，而且能进一步分解出它发生的原因。一个系统可能有 多个不希望发生的事件，因此可以建立几棵故障树，但一个故障树只能从一个 不希望事件开始分折，这就要选择与设计、分析目的最相关的事件作为建树的 起始事件，即顶事件。 构造发展故障树 由顶事件出发，逐级找出各级事件的全部可能的直接原因，并用故障树的 符号表示各类事件及其逻辑关系，直至分析到底事件为止。显然，对于一个复 杂的系统构造发展成一棵故障树需要浩大的工作量。建树方法一般分为两类： 第一类是人工建树，基本上是用演绎法，即对系统的各级故障事件进行逻辑推 理。第二类是计算机辅助建树，目前这是一个很活跃的研究课题。 简化故障树 当故障树建成后，还必须从故障树的最下一级开始，逐级写出上级事件与 下级事件的逻辑关系式，直到顶事件为止。并结合逻辑运算法做进一步分析运 算，删除多余的事件。 ( 2 ) 建树基本方法和原则 第一类方法是人工建树，主要采用的是演绎法建树。由故障树的顶事件开 始循序渐进地寻找每一层事件发生的所有可能的原因，一直分解到基本的顶事 件为止。 第二类方法是计算机辅助建树，主要是计算机辅助合成法建树。首先将每 个部件的失效函数编程汇总。再按一定的边界条件，从顶事件出发，计算机程 序将分散的小故障树按一定的分析要求自动画成所需要的故障树。 故障树的建造经过几十年不断实践，总结出了一些可借鉴的建树基本规则： 故障状态和故障事件要有确切的定义： 在探明故障的基础上，确定最不希望发生故障事件作为故障树的顶事件； 根据系统所提出的假设条件为依据，合理地确定边界条件以及故障树的 武汉理工大学硕士学位论文 建树范围； 在故障树矩形方块中填写故障说明时，要准确说明这些故障是什么以及 何时发生，用词力求简明，但不得忽略主要概念； 进一步分解矩形方块中的故障事件时，如该故障事件由部件失效组成， 它便可归为“部件故障状态 ；否则，该故障事件归为“系统故障状态。在分 解过中，应寻找最简捷的、充分必要的直接原因，如此划分是为了建造故障树 时思维清晰、层次明确【2 4 】【2 5 】【2 6 】【2 7 】。 2 4 气缸故障分析 2 4 1 气缸的故障模式分析 进行故障模式分析( f a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l y s i s ，简称f m e a ) 有利于 改善产品的可靠性。从气缸最低层的故障出发，得出全部故障模式和对高层的 故障影响，分析高层的故障影响对于本层的故障配置。然后分析本层的故障模 式对于高层的故障的影响。首先，全部的故障模式是组成气缸的主要构成要素 的故障；其次，对于气缸进行故障影响分析，求出故障原因的组合：最后，找 到改善产品可靠性的方向。 对于所选受试气缸，活塞杆密封圈沟的位置不良和套管的位置不良，活塞 杆轴心和负载的移动方向不一致时，活塞杆、缸筒产生的变形，是造成缸简内 面、套管和活塞杆的表面等密封圈类的磨损、破损的原因。气缸缸筒和活塞杆 可动部分有损伤或润滑不足时，容易造成轻微变形和运动不良。活塞杆可动部 分的伤、打痕等容易造成密封圈类的损伤，从而产生空气泄漏。 从气缸的主要的f m e a 可以看出，活塞杆密封圈和活塞密封圈是最重要的 可动部件。这些薄弱环节的故障原因的组合是将来产品改良的焦点【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 l 】。 2 4 2 气缸的故障树分析 气缸的故障树分析( f t a ) 如图2 8 所示。把气缸的失效定为顶事件，把 最小作动压力超标、行程时间超标和泄漏量超标三项作为失效判据，作为故障 树的第二级中间事件，然后再把活塞密封圈失效和活塞杆密封圈失效作为泄漏 量超标的子事件，直到最后的底事件。 根据气缸故障树中各种事件对顶事件的重要程序和发生的频率，可以发现 武汉理工大学硕士学位论文 气缸最主要的故障是泄漏量超标，导致泄漏量超标的原因有很多种，把泄漏量 超标作为气缸主要的失效模式。 图2 8 气缸的f t a 通过分析气缸的结构，可以得出气缸主要的两个可动部件是活塞杆和活塞。 活塞对气缸缸筒往复运动时，活塞上安装的活塞密封圈和垫圈对气缸缸筒反复 摩擦，活塞杆与安装在杆盖上的活塞杆密封圈反复摩擦，造成活塞杆密封圈和 活塞密封圈的磨损。另外，在这两个可动部件上施加的润滑脂随着活塞在缸筒 内的往复运动，其润滑状态逐渐恶化，密封圈磨损造成空气泄漏和摩擦抵抗的 增加导致运动不良。 根据上述分析在试验中将测量气缸的最小作动压力、泄漏量和行程时间， 将最小作动压力、泄漏量超标和行程时间超标作为本试验的失效模式。本试验 将根据这三种失效模式定期测试最小作动压力、泄漏量和行程时间的值，判断 气缸是否失效。 根据i s o 技术委员会规定的i s o1 0 0 9 9 ：2 0 0 1 、i s o f d i s l 9 9 7 3 文件中规定 的气缸可靠性试验标准，任何一个失效模式的测量值超过规定阀值，即认为气 缸失效【3 2 】。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 小结 本章首先分析了试验气缸的结构、性能，然后介绍了失效、失效分析、失 效判据、失效分类和等级划分、失效模式与失效机理的概念。接着介绍失效分 析的典型方法一故障树分析法，分析了故障树分析法的基础、步骤以及故障树 的建造过程。最后根据故障树分析法对试验气缸进行故障机理分析，建立了试 验气缸的故障树，给出了试验气缸的失效模式，并把泄漏量超标作为主要失效 模式。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章气缸可靠性试验系统设计 3 1 气缸可靠性试验方法研究 可靠性试验的方法和试验的规模由试验的对象及要求来决定。对于系统、 设备及元器件，各自采用的试验方法是不同的。对于整机，通过试验剔除对系 统有影响的不可靠元器件，而对于电子元器件( 例如继电器) 、机械零部件( 例 如气缸) 侧重于疲劳寿命试验。 目前，气缸可靠性的通用测试方法是气缸疲劳寿命试验。但按现行气动行 业的标准( 即j b t 5 9 2 3 1 9 9 7 气动气缸技术条件) 规定的方法，如连续2 4 小时 做试验的话，最短的气缸疲劳寿命试验也得2 0 天以上，这对于试验单位来说无 论从时间上还是经费上都是无法承受的。为了能够定量地分析气缸在其正常工 作下的可靠性指标，有必要利用加速寿命试验以及开发相应的加速寿命试验模 型，在较短的时间内和较低的费用下取得关于气缸失效的信息m 儿蚓。 3 1 1 加速寿命试验定义 加速寿命试验( 也简称加速试验) 就是一种特殊的试验方法。产品或系统 的可靠度，应该按最终使用条件评价。所以，寿命试验应该按实际的使用条件 与实际的环境条件( 应力) 来进行。但由于时间上、经济上的考虑，总希望以 较少的试验费用，早一些取得满意的结果。为此，所采用的手段之一，是通过 提高环境应力( 如温度) 与工作应力( 施加给产品的电压、负荷等)