气动电磁阀寿命试验.doc

气动电磁换向阀恒定应力加速寿命试验液气压世界2010年第5期北京航空航天大学自动化学院、航天集团万峰无线电厂刘棣斐、唐志勇、裴忠才、彭军阅读次数：26 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。 关键词：电磁换向阀；加速寿命试验；故障机理；加速模型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 11电磁阀FTA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，PB导通，A-R1导通；电磁阀线圈通电时P-A导通，AR2导通。 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（FailureTreeAnalysis，FTA）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。 图2S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FMEA（Failure Modeand Effects Analysis）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。 （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（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1889年Arrhenius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，Arrhenius模型一般可表示为式中：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，可得式中：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（MINER）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 Weibul1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。Weibul1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。Weibul1分布有单参数、两参数和三参数等几种形式，其中，两参数Weibul1分布的概率密度函数为式中：卢为形状参数，在实验过程中不变；71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。 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2030之间，工况为24h连续工作。 （1）供试阀为s系列电磁阀； （2）使用最大压力0.7MP a； （3）使用温度范围-1055； （4）作动器件。气缸选定为缸径为20rfml的B系列气缸，负载选择为143424，密度P=7900ksm的45号钢，气缸水平放置。 （5）试验数量。每组l0个，共需40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45与55；工作频率设定两个数值3Hz与5Hz。其加速试验条件矩阵如表1所示。 （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PLC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。（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3d。 （9）故障判定。在工作气压为0.4MPa时，内部泄漏量5mLmin；在工作气压为0.63MPa时，外部泄漏量10mLmin。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Part2端口的导通和关闭响应时间示意图，其中横坐标为作动次数，纵坐标为响应时间。图4端口通断响应时间从图4可以看出，电磁阀的电特性随作动次数的增加（也即适用寿命的增长）有着比较显著的退化，这也印证了作者在开始所分析的电磁阀很有可能在机械故障尚未发生的情况下产生电气故障，或者由于电磁特性的严重退化导致电磁阀作动不正常。另一方面电磁阀的机械故障目前为止尚未暴露被测电磁阀样本目前均未发生泄露现象，这也说明电磁阀的机械特性稳定，其故障过程是缓慢的，对其的分析将通过今后进一步得到的试验数据来实现。同时需要指出的是，电磁阀电特性退化导致电磁阀的工作特性产生一定的变化，这部分变化很有可能对电磁阀的机械故障产生耦合作用，因此当试验测得电特性退化到一定程度时，将考虑替换电磁阀的电气部件来尽力减小耦合。而且在进一步的数据分析中将考虑这种耦合的潜在