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气动电磁阀的寿命试验.doc

气动电磁阀的寿命试验

zhang远旺
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《气动电磁阀的寿命试验doc》,可适用于工程科技领域

气动电磁阀的寿命试验气动电磁换向阀恒定应力加速寿命试验《液气压世界》年第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: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。电磁阀故障机理分析(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所示。电磁阀线圈未通电时PB导通AR导通电磁阀线圈通电时PA导通A(R导通。图电磁阀结构图结合s系列电磁阀的结构应用故障树分析(FailureTreeAnalysisFTA)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。图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FMEA(FailureModeandEffectsAnalysis)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。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种可能的情况进行分析。()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。()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。()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。加速模型与统计模型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。下面同样针对种不同的情况进行分析。()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()两边取对数进行线性化可得()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()两边取对数可得式中:为待定系数。()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SN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sN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。统计模型选择Weibul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。Weibul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。Weibul分布有单参数、两参数和三参数等几种形式其中两参数Weibul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。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。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所示。图电磁阀寿命实验的空气回路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,之间工况为h连续工作。()供试阀为s系列电磁阀()使用最大压力MPa()使用温度范围,()作动器件。气缸选定为缸径为rfml的B系列气缸负载选择为×密度P=ks,m的号钢气缸水平放置。()试验数量。每组l个共需个电磁阀。()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。温度设定两个数值与工作频率设定两个数值Hz与Hz。其加速试验条件矩阵如表所示。()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。()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d。()故障判定。在工作气压为MPa时内部泄漏量>mL,min在工作气压为MPa时外部泄漏量>mL,min。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。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。图为被测电磁阀样本篑组中某一样本的Part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。图端口通断响应时间从图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影响。结论通过对电磁阀加速寿命试验的设计在分析S系列电磁阀故障树的基础上提出了几种可能的故障机理以及相应的敏感应力。根据可能的故障机理设计了试验方案并得到了初步的试验数据。根据试验数据进一步明确了机电混合产生中机械特性相比于电气特性的稳定性。随着今后试验的进行将会得到S系列电磁阀的主要故障机理根据作者所分析种可能性中的对应情况通过对试验数据的统计分析最终将得到S系列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。

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