氣動電磁閥壽命試驗

1、氣動電磁換向閥恒定應力加速壽命試驗液氣壓世界2010年第5期北京航空航天大學自動化學院、航天集團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：對氣動電磁換向閥的使用壽命進行研究有著極其重要的意義。傳統(tǒng)的壽命試驗方法需耗費大量的時間與成本，而加速壽命試驗則通過提高應力水平來加速產(chǎn)品性能衰退，在可以接受的時間內(nèi)得到有效的試驗數(shù)據(jù)，并預測出產(chǎn)品在正常應力下的壽命。 關鍵詞：電磁換向閥；加速壽命試驗；故障機理；加速模型氣動電磁閥在氣動系統(tǒng)中有著廣泛的應用，其工作性能的優(yōu)劣直接影響著整個氣動回路的品質(zhì)。對電磁閥的使用壽命進行評估能夠為提高氣動系統(tǒng)的可靠性提供保障，有著重要的意義。然而，正

2、常的壽命試驗需要花費大量的時間和成本，才能得到被測產(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，當產(chǎn)品面臨市場淘汰的時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來縮短試驗時間和降低試驗成本將成為一種極為有效的手段。 加速壽命試驗的定義是在進行合理工程及統(tǒng)計假設的基礎上，利用與物理失效規(guī)律相關的統(tǒng)計模型對在超出正常應力水平的加速環(huán)境下獲得的信息進行轉(zhuǎn)換，得到產(chǎn)品在額定應力水平下的特征可復現(xiàn)的數(shù)值估計的一種試驗方法。簡而言之，加速壽命的思想是采用高出正常使用應力水平的加速壽命試驗，其前提是在高應力水平下發(fā)生故障的機理不能發(fā)生變化，然后通過相應的加速模型和統(tǒng)計

3、模型對試驗數(shù)據(jù)進行分析，從而計算得到被測產(chǎn)品的各項壽命指標。 1電磁閥故障機理分析 11電磁閥FTA與故障模式 實驗采用電磁閥為某公司s系列直動式電磁閥，其結構原理圖如圖1所示。電磁閥線圈未通電時，PB導通，A-R1導通；電磁閥線圈通電時P-A導通，AR2導通。 圖1電磁閥結構圖結合s系列電磁閥的結構，應用故障樹分析（FailureTreeAnalysis，F(xiàn)TA）方法進行分析。將電磁閥失效作為頂事件，把換向動鐵芯不動作或動作時間過長、換向動鐵芯不能復位、線圈過熱或者燒損、泄漏4項作為失效判據(jù)，作為故障樹的第二級中間事件；然后再把每個第二級中間事件按邏輯失效的因果關系，再分析到第三級，直到最后

4、的底事件。從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；而機械故障一般是漸進性故障，可以通過故障物理或故障化學獲得其故障發(fā)展規(guī)律。同時，考慮到實際使用中以電氣故障作為電磁閥的失效標準將有可能導致電磁閥在機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。因此，作者將著重關注電磁閥的機械故障。 在故障樹的基礎上，結合電磁閥FMEA（Failure Modeand Effects Analysis）分析可以看出，其常見的機械故障主要發(fā)生在換向閥芯，主要的模式有疲勞

5、、老化和磨損。對于電磁閥換向滑閥，閥芯的密封圈位置不良或者閥桿位置不良都有可能導致某點摩擦力增大，從而造成磨損；異物進入也可能導致嚴重的摩擦；潤滑液稀釋或者干澀都可能加大摩擦力從而導致磨損。而對于密封圈，隨著使用環(huán)境的變化以及工作介質(zhì)品質(zhì)的變化都有可能導致橡膠原料老化。疲勞主要發(fā)生在用于復位滑閥的彈簧處，對彈簧施加交變應力同時工作環(huán)境的變化都會導致彈簧疲勞而彈性不足或者變形。 1.2故障機理與敏感應力 針對此系列氣動電磁閥加速壽命試驗的相關數(shù)據(jù)并不充分，因此不能明確指出試驗條件下電磁閥的主要故障機理，下面將針對前面3種可能的情況進行分析。 （1）磨損故障機理與敏感應力分析 磨損產(chǎn)生的一個直接原

6、因是閥芯和活塞連續(xù)的往復運動，和其作動路徑有很大關系，那么在相同時間內(nèi)，其作動頻率越大，意味著磨損就越加嚴重，可見作動頻率是一個相關應力。此外，磨損的產(chǎn)生也是由摩擦力所導致的，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系，在此電磁閥中摩擦因數(shù)和潤滑程度有關，接觸面壓力和密封件與工作面的接觸程度有關。潤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，潤滑劑稀釋導致摩擦因數(shù)增大，密封件自身在高溫下也有可能軟化，造成黏性摩擦，進一步增大摩擦因數(shù)；或者密封件膨脹，導致接觸面壓力增加，最終都可能導致磨損加劇。由此可見溫度是磨損產(chǎn)生的一個重要應力。 綜上可以看出磨損的敏

7、感應力主要有溫度和工作頻率。 （2）疲勞故障機理與敏感應力分析彈簧屬于機械部件，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：選材和設計不當、制造加工精度低、材料性能差、工作條件惡劣（應力過重、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力成為主要的考慮因素。此外溫度升高會導致原子間距增大，原子問的結合力減小，導致彈簧的彈性模量和切變模量下降，因此溫度也是一個重要應力。進一步結合電磁閥中彈簧的作

8、用可以看出，此處彈簧的工作應力是瞬變的而且無法準確控制，因此可以認為疲勞的敏感應力為溫度和工作頻率。 （3）老化故障機理與敏感應力分析 密封件除了磨損外，在高溫環(huán)境下還有可能因為材料中的高分子聚合物組分發(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力為溫度。 2 加速模型與統(tǒng)計模型 2.1加速模型選擇 壽命特征與應力水平之間的關系就是通常所說的加速模型，又稱加速方程。下面同樣針對3種不同的情況進行分析。 （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力，屬于多應力模型，比較常用廣

9、義艾琳模型。廣義艾琳模型描述的是產(chǎn)品故障是由兩種應力造成的，一種是溫度應力，一種是溫度以外的應力（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，對式 （1）兩邊取對數(shù)進行線性化，可得（2）基于老化的加速模型 老化的主要敏感應力為溫度，因此可以選擇阿倫尼斯模型。阿倫尼斯模型是1889年Arrhenius在相關研究的基礎上總結出某產(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。溫度對電子設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)，為絕對溫度，A為正常數(shù)。對式（3）兩邊取對數(shù)，可得式中：為待定系數(shù)

10、。（3）基于疲勞的加速模型 彈簧機械疲勞的產(chǎn)生一般來說是損傷積累的過程，相關文獻多采用S-N曲線和邁因納（MINER）法則來分析彈簧的壽命，但該實驗中電磁閥切換過程中對彈簧施加的應力無法得知，因此就給應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力與壽命的關系，因此對工作頻率這個應力首選冪律模型。再結合溫度應力進行考慮，則可以初步?jīng)Q定選擇廣義艾琳模型作為此類故障機理的加速模型。 2.2 統(tǒng)計模型選擇 Weibul1分布是在實際使用中很重要的壽命分布，大量統(tǒng)計方法的文獻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，

11、如軸承、真空管、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)，在實驗過程中不變；71為尺寸參數(shù)，這里即為特征壽命。 需要指出的，實驗數(shù)據(jù)有可能并不是一定嚴格符合所選擇的分布函數(shù)，因此需要在實際應用的過程中進行檢驗，來判別所選模型的精準度，并在必要的時候進行改進。 3 實驗方案與數(shù)據(jù)分析 由于恒定應力加速壽命實驗理論成熟，操作簡單，因此成為首選實驗方法。 3.1 單個電磁閥實驗回路 針對電磁氣動閥的加速壽命實驗空氣回路如圖3所示。 圖3電磁閥壽命實驗的空氣回路3.2 實驗方案 實驗的被測電磁閥被置于溫控箱

12、內(nèi)施加溫度應力。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）作動器件。氣缸選定為缸徑為20rfml的B系列氣缸，負載選擇為143424，密度P=7900ksm的45號鋼，氣缸水平放置。 （5）試驗數(shù)量。每組l0個，共需40個電磁閥。 （6）加速應力剖面。采用恒定雙應力加速，分別為溫度和工作頻率。溫度設定兩個數(shù)值45與55；工作頻率設定兩個數(shù)值3Hz與5Hz。其加速試驗條件矩陣如表1所示。 （7）輸入信號。試驗所使用的氣動電磁閥在試驗過程中要保持不停地換向，因此

13、要對其施加控制信號。用PLC通過輸出點控制電磁閥的切換，利用計數(shù)器記錄電磁閥切換次數(shù)。（8）測量間隔。正常試驗期間測量間隔為兩個星期；當出現(xiàn)故障后，間隔時間縮短到3d。 （9）故障判定。在工作氣壓為0.4MPa時，內(nèi)部泄漏量5mLmin；在工作氣壓為0.63MPa時，外部泄漏量10mLmin。通過這兩個指標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機械故障可能的影響，同時測量關斷電壓、最低作動電壓、響應時間來作為參考指標。 3.3 試驗數(shù)據(jù)分析 目前試驗仍在進行中，通過定期測量，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系列電磁閥作為機電混合產(chǎn)品，其電氣部分的性能退化遠遠快于

14、機械部分，目前的試驗數(shù)據(jù)顯示被測電磁閥的內(nèi)外泄漏量均為0的情況下，換向端口通斷響應時間已經(jīng)有較大的性能退墨化。圖4為被測電磁閥樣本簣組中某一樣本的Part2端口的導通和關閉響應時間示意圖，其中橫坐標為作動次數(shù)，縱坐標為響應時間。圖4端口通斷響應時間從圖4可以看出，電磁閥的電特性隨作動次數(shù)的增加（也即適用壽命的增長）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重退化導致電磁閥作動不正常。另一方面電磁閥的機械故障目前為止尚未暴露被測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械特性穩(wěn)定，其故障過程是緩慢的，對其的分析將通過今后進一步得到的試驗數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。同時需要指出的是，電磁閥電特性退化導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電磁閥的機械故障產(chǎn)生耦合作用，因此當試驗測得電特性退化到一定程度時，將考慮替換電磁閥的電氣部件來盡力減小耦合。而且在進一步的數(shù)據(jù)分析中將考慮這種耦合的潛在影