王洪波,黃智鵬,柳志姣,高 賓,徐悅鵬,俞 濱

(1.航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710077;2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004)

0 引 言

電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,因其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

高可靠、長壽命是機(jī)載產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)和重要指標(biāo),電液伺服閥的壽命要求通常在百萬次上下。如果僅通過試驗(yàn)結(jié)論確認(rèn)壽命指標(biāo)是否滿足要求,存在周期長、成本高等問題,且無法滿足購買方的交付要求[2]。

壽命作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是由設(shè)計(jì)來保證的,而不是由試驗(yàn)來保證的,因此,對(duì)電液伺服閥壽命進(jìn)行預(yù)測與分析顯得尤為重要。

崔振興[3]進(jìn)行了工程應(yīng)用試驗(yàn),利用典型產(chǎn)品的工程應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù),參照《航空機(jī)載設(shè)備技術(shù)壽命和可靠性評(píng)估的一般程序和方法》,對(duì)伺服閥的技術(shù)壽命進(jìn)行了評(píng)估,初步確定了該閥的技術(shù)壽命平均值,同時(shí)對(duì)電液伺服閥在工業(yè)應(yīng)用中的失效準(zhǔn)則和失效模式做了分析。宗滿意等人[4]發(fā)明了一種雙路電液伺服閥壽命試驗(yàn)及測試裝置,可以同時(shí)進(jìn)行壽命試驗(yàn)與性能測試,利用控制用伺服閥可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)試驗(yàn)產(chǎn)品狀態(tài)的自動(dòng)切換。ZHANG Kun等人[5]基于沖蝕磨損的失效機(jī)制,提出了一種電液伺服閥的退化評(píng)估與壽命預(yù)測方法,采用該方法預(yù)測結(jié)果表明,雙噴嘴擋板閥和滑閥的結(jié)構(gòu)磨損與性能特性的退化有關(guān);并采用計(jì)算流體力學(xué)和沖蝕理論相結(jié)合的方法,建立了湍流磨損和沖蝕磨損的數(shù)學(xué)模型。高婷[6]提出了一種電液伺服振動(dòng)臺(tái)壽命的模糊數(shù)學(xué)評(píng)估模型,以電液伺服振動(dòng)臺(tái)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)等為基礎(chǔ),構(gòu)建了電液伺服振動(dòng)臺(tái)壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;在此基礎(chǔ)上,建立了模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)因子集,采用改進(jìn)的層次分析法確定了評(píng)價(jià)因子的權(quán)重集,采用指數(shù)法定量計(jì)算了單因素評(píng)價(jià)指標(biāo),建立了模糊關(guān)系的定量評(píng)價(jià)矩陣,得到了各層次的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,有效地評(píng)價(jià)了電液伺服振動(dòng)臺(tái)的使用壽命?？祫P旋[7]研究了MOOG-G761雙噴嘴擋板電液伺服閥故障預(yù)測的問題,針對(duì)常見的電液伺服閥故障,建立了故障預(yù)測目標(biāo)與評(píng)價(jià)指標(biāo),探索了電液伺服閥故障預(yù)測策略。

上述研究取得的研究成果可為電液伺服閥故障預(yù)測的推廣奠定理論基礎(chǔ):(1)以伺服閥結(jié)構(gòu)組成、工作機(jī)理以及動(dòng)靜態(tài)特性為基礎(chǔ),建立了電液伺服閥數(shù)學(xué)模型,分析了液壓油溫度、污染顆粒特征,歸納了伺服閥故障分類,揭示了伺服閥故障發(fā)生機(jī)理;(2)基于伺服閥故障機(jī)理,針對(duì)不同故障類型的電液伺服閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量、壓力、內(nèi)泄漏的影響進(jìn)行了靈敏度分析,得到了不同故障發(fā)生的原因以及其對(duì)伺服閥性能的影響程度;并重點(diǎn)分析了阻尼孔堵塞和滑閥閥芯磨損對(duì)伺服閥性能的影響規(guī)律。

李瑜等人[8]提出了一種機(jī)載模型監(jiān)控方法,采用AMESim工具進(jìn)行了系統(tǒng)的建模,對(duì)模型進(jìn)行了校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)化和線性化處理;在對(duì)監(jiān)控算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真之后,用C代碼編程實(shí)現(xiàn)了模型監(jiān)控算法,并將其運(yùn)行于發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器;對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量裝置的試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)載模型監(jiān)控可以有效監(jiān)測系統(tǒng)中因元部件性能衰減、卡滯、零偏漂移等引起的異?；蚬收?并能補(bǔ)償電液伺服閥的零偏漂移和容錯(cuò)運(yùn)行,避免了控制功能失效或過快降級(jí)。該結(jié)果可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域的電液伺服系統(tǒng)機(jī)載模型監(jiān)控設(shè)計(jì)提供參考。

筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前對(duì)電液伺服閥故障模式及失效機(jī)理進(jìn)行的分析較少,且對(duì)建立完整的電液伺服閥壽命評(píng)估方法的研究不足。在相關(guān)研究中,并沒有依據(jù)電液伺服閥現(xiàn)有的可靠性數(shù)據(jù),對(duì)威布爾模型的形狀參數(shù)進(jìn)行合理選取,且對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行壽命預(yù)測模型分析。

FMMEA作為故障模式和機(jī)理分析方法,通常通過統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)、分析、預(yù)測等方法獲得產(chǎn)品的故障模式,從國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)中獲取失效率數(shù)據(jù),該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品可靠性分析中。因此,針對(duì)壽命設(shè)計(jì)需求及壽命試驗(yàn),基于FMMEA的壽命預(yù)測對(duì)壽命工作開展有重要的指導(dǎo)意義。

綜上所述,為了提高各種因素下電液伺服壽命分析的準(zhǔn)確性,筆者提出一種基于故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA)的電液伺服閥壽命分析方法。

首先,以電液伺服閥為研究對(duì)象,通過對(duì)電液伺服閥進(jìn)行故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA),確定電液伺服閥耗損機(jī)理和壽命特征;然后,依據(jù)現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)及應(yīng)力類型,建立電液伺服閥壽命預(yù)測模型,并對(duì)其進(jìn)行壽命評(píng)估;最后,建立電液伺服閥可靠性模型,并進(jìn)行電液伺服閥的壽命分析,為電液伺服閥產(chǎn)品壽命設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 電液伺服閥介紹

作為電液伺服或比例控制系統(tǒng)的核心元件,電液伺服閥在工程技術(shù)領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[9]。它的可靠性對(duì)整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要[10]。

依據(jù)液壓放大級(jí)的不同,電液伺服閥可分為3種,即噴嘴擋板式電液伺服閥、射流管式電液伺服閥和射流偏轉(zhuǎn)板式電液伺服閥。其中,射流偏轉(zhuǎn)板式電液伺服閥由力矩馬達(dá)、射流式液壓放大器、滑閥組件和反饋組件組成。

射流偏轉(zhuǎn)板式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 射流偏轉(zhuǎn)板式電液伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖

電液伺服閥接受控制器的電信號(hào)時(shí),會(huì)輸出相應(yīng)極性、成比例的控制負(fù)載流量,在系統(tǒng)中起著電液轉(zhuǎn)換和功率放大的作用。

2 電液伺服閥的FMMEA分析

失效模式和影響分析是計(jì)劃質(zhì)量工具的一種方法,用于識(shí)別可能影響過程的故障,并對(duì)系統(tǒng)、產(chǎn)品或服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行優(yōu)先排序。

結(jié)合電液伺服閥的使用環(huán)境、工況及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以及同類產(chǎn)品或相似產(chǎn)品的已有故障信息及數(shù)據(jù),筆者需要對(duì)電液伺服閥進(jìn)行故障機(jī)理和影響分析,并確定其產(chǎn)品的損耗故障模式(即疲勞、老化、磨損等),以及影響電液伺服閥使用安全和壽命的主要故障模式。

在可靠性試驗(yàn)中,針對(duì)可靠性指標(biāo)驗(yàn)證和評(píng)估的問題,在現(xiàn)有以壽命為特征量的可靠性試驗(yàn)方法上,筆者對(duì)其進(jìn)行了發(fā)展和完善,提出了一套完整的可靠性壽命試驗(yàn)與評(píng)估方法[11],即基于故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA)的電液伺服閥壽命分析方法,用于控制和防止過程錯(cuò)誤[12]。

依據(jù)電液伺服閥的組成,筆者總結(jié)了其故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA)表,如表1所示。

表1 電液伺服閥故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA)

其中,電液伺服閥中的力矩馬達(dá)、液壓放大器、滑閥組件、反饋組件等關(guān)鍵部件的失效率,是根據(jù)國內(nèi)外各種試驗(yàn)或外場收集數(shù)據(jù)的可靠性數(shù)據(jù),按照一定的標(biāo)準(zhǔn)求得的。

2.1 力矩馬達(dá)失效分析

力矩馬達(dá)是電液伺服閥的重要組成部分之一,是電液伺服閥的輸入級(jí),它在電液伺服閥中起到前置放大的作用,將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的轉(zhuǎn)角。動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)主要由線圈組件、銜鐵組件、永磁鐵、彈簧管等組成。線圈組件產(chǎn)生的電磁力產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力矩,彈簧管和反饋桿的彈力產(chǎn)生了阻力矩。當(dāng)輸入某一電流,線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩與彈簧管等的阻力矩相平衡,停到某一轉(zhuǎn)角θ。

線圈受到振動(dòng)、沖擊等機(jī)械環(huán)境的影響,易發(fā)生焊點(diǎn)脫落故障;受到溫度、濕熱等氣候環(huán)境影響,易發(fā)生漆包線腐蝕、絕緣性能降低等故障,造成線圈斷路或短路,使產(chǎn)品完全喪失功能。彈簧反復(fù)運(yùn)動(dòng),易發(fā)生彎曲、斷裂,影響電液伺服閥的性能及使用壽命。

設(shè)力矩馬達(dá)銜鐵臂長為a(m)，中位時(shí)氣隙厚度為g(m)，單個(gè)線圈匝數(shù)為NC，永久磁鐵的磁勢(shì)為MO(A)，銜鐵處于中位時(shí)每個(gè)氣隙的磁阻為Rg(1/H)，Rg=g/(μ0Ag)，空氣中導(dǎo)磁率μ0=4π×10-7(H/m)，Aε為氣隙面積。當(dāng)銜鐵處于中位時(shí)，永磁鐵產(chǎn)生的磁通量為Φε，Φε=M0/(2Rε)。

筆者以銜鐵組件為對(duì)象，列出銜鐵組件的動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

式中：Ki—力矩馬達(dá)的力矩參數(shù);N·m/A;Δi—兩個(gè)線圈的差動(dòng)電流；Jm—力矩馬達(dá)銜鐵及運(yùn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ—銜鐵的角位移；Ba—銜鐵的機(jī)械支撐和負(fù)載黏性阻尼系數(shù)；Ka—力矩馬達(dá)銜鐵轉(zhuǎn)軸彈簧管扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)；Km—力矩馬達(dá)的磁彈簧剛度；TL—作用在銜鐵上的負(fù)載力矩。

其中：Ki=2(a/g)NεΦε。

當(dāng)力矩馬達(dá)靜止時(shí)，靜態(tài)的力矩平衡方程為：

KiΔi=(Ka-Km)θ+TL

(2)

從式(1，2)可以看出：Ki是一個(gè)與結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)、永磁鐵參數(shù)有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸固定時(shí)，永磁鐵磁力越強(qiáng)，Ki越大。

Ka是彈簧管的剛度，用于平衡主動(dòng)轉(zhuǎn)矩，彈簧力矩大小與轉(zhuǎn)角成正比。

Km是由磁力的特性產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)角越大，氣隙越減小，吸力越大，與一個(gè)負(fù)彈簧等效，從控制角度來說不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，所以必須保證Ka>Km。

TL是力矩馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，主要是指反饋組件的彈力。

反饋桿下端隨閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)銜鐵組件產(chǎn)生使θ減小的彈力，是阻力矩，其大小與閥芯的位移xv有關(guān)：

TL=Kf(r+b)2θ+Kf(r+b)xv

(3)

式中：Kf—反饋桿的剛度;r—射流管噴嘴到銜鐵組件回轉(zhuǎn)中心的距離;b—反饋桿下端與射流管噴嘴的距離;xv—滑閥閥芯位移。

從參數(shù)的意義可以看出，力矩馬達(dá)的失效主要有以下兩種情況：

(1)零件損壞。如線圈斷路或短路，則Δi=0，轉(zhuǎn)角θ=0，伺服閥完全不能工作;彈簧管斷裂，則Ka=0，此時(shí)，只有用反饋桿的彈力來平衡電磁力矩，力矩馬達(dá)的特性完全改變，性能不可預(yù)測；

(2)零件性能下降。對(duì)于Ki和Km來說，其值除了與結(jié)構(gòu)尺寸及線圈匝數(shù)有關(guān)外，主要與永磁鐵的磁動(dòng)勢(shì)有關(guān)，永磁鐵受過高溫或低溫影響，或是有大量鐵屑附著，都會(huì)使其性能下降，使Ki和Km減小。

從式(2)來看，Ki和Km減小，輸入相同的電流Δi，轉(zhuǎn)角會(huì)變小，從而使輸出流量減小。如果彈簧老化，Ka減小，則同樣輸入電流Δi，轉(zhuǎn)角會(huì)增大，伺服閥輸出的流量會(huì)偏大，同樣改變了伺服閥原來的線性特性。

2.2 液壓放大器失效分析

液壓放大器由射流盤和射流板組成。其中,射流盤包括1個(gè)射流噴嘴、2個(gè)接收通道和1個(gè)回油腔。噴嘴由油源供油,2個(gè)接收通道則分別通至滑閥的兩端,通過控制射流板的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其流量變化,起到射流和接受液流的作用。噴嘴與擋板的間隙是最薄弱、最易污染的地方,若噴擋間隙或噴嘴堵塞污染,堵塞一側(cè),前置腔壓力升高,會(huì)引起閥芯向另一側(cè)運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致閥芯無法及時(shí)復(fù)位,表現(xiàn)為閥芯卡滯現(xiàn)象。

此外,在長期高速射流的沖擊下,容易發(fā)生沖蝕磨損,造成控制腔輸出壓力的改變,進(jìn)而影響電液伺服閥性能。

2.3 滑閥組件失效分析

作為伺服閥的功率輸出級(jí),滑閥組件由閥芯和閥套組成,直接將液壓放大器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥的開口輸出流量,同時(shí)通過反饋桿將閥芯位移反饋給力矩馬達(dá)。閥芯作為引動(dòng)部件,易受油液污染、泄漏量和靜止時(shí)間的影響而卡滯。

一般情況下,大于閥芯間隙的顆粒很難進(jìn)入滑閥副間隙,對(duì)滑閥工作很難造成危害;較微小的污染物進(jìn)入滑閥副環(huán)形縫隙,會(huì)隨著油液流出。但當(dāng)油液較臟時(shí),隨著污染顆粒的聚積效應(yīng),污染物在滑閥副間隙不斷聚集,致使閥芯運(yùn)動(dòng)摩擦力加大,閥響應(yīng)時(shí)間延長,使閥變得不穩(wěn)定[13]。閥芯和閥套在油液環(huán)境下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),易發(fā)生表面劃傷和磨損,影響伺服閥的性能,內(nèi)漏增加,滯環(huán)增大?；y環(huán)形縫隙中不均勻的淤積會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)載荷,側(cè)載荷使得閥芯與閥套的金屬接觸表面之間出現(xiàn)微觀粘附,中等卡澀會(huì)使摩擦力加大,嚴(yán)重的卡澀會(huì)造成滑閥副卡緊失效[14]。

大量流體機(jī)械系統(tǒng)故障是由于油污和液體環(huán)境差造成的[15],在分解檢查的伺服閥中,從滑閥腔內(nèi)沖出很多顆粒物。因此,導(dǎo)致電液伺服閥工作不正常的原因大多是油液污染度超標(biāo),較多肉眼看不到的污物會(huì)導(dǎo)致滑閥卡滯[16]。

2.4 反饋組件失效分析

反饋組件主要是指一端與閥芯中心固連,另一端與馬達(dá)銜鐵組件固連的金屬桿件。反饋桿將閥芯位移以反饋力的方式反饋到馬達(dá)銜鐵上。反饋桿隨著滑閥的往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng),易發(fā)生疲勞斷裂,影響伺服閥的流量輸出。

通過FMMEA分析,電液伺服閥的主要故障模式有:力矩馬達(dá)的彈簧管、反饋組件受力部件、液壓放大器和滑閥組件等運(yùn)動(dòng)部件的磨損,線圈和密封件的老化。影響疲勞壽命的敏感應(yīng)力為壓力及負(fù)載,影響磨損壽命的敏感應(yīng)力一般包括頻率、行程和壓力,影響老化壽命的敏感應(yīng)力為溫度。

3 電液伺服閥的壽命模型

3.1 產(chǎn)品壽命定義

產(chǎn)品壽命是指產(chǎn)品能夠在固定工作條件、規(guī)定的可靠度置信范圍內(nèi),完成規(guī)定功能的時(shí)間長度。為了評(píng)價(jià)產(chǎn)品壽命,需要建立可靠性和壽命[17]的關(guān)系,即產(chǎn)品壽命與產(chǎn)品的可靠度有關(guān)。

可靠度是關(guān)于工作壽命t的函數(shù)，可以用可靠度函數(shù)R(t)來表示?？煽慷葔勖褪侵缚煽慷葹榻o定值時(shí)的工作壽命，并以tR表示。

可靠度壽命有以下兩種特別壽命：

(1)中位壽命。可靠度R=50%的可靠度壽命，稱為中位壽命，用t0.5表示；

(2)特征壽命?？煽慷萊=36.8%的可靠度壽命，稱為特征壽命，用te-1來表示，針對(duì)于威布爾分布，此時(shí)特征壽命te-1=θ。

3.2 可靠性與壽命的數(shù)學(xué)描述

可靠性函數(shù)R(t)的積分形式，可用故障密度函數(shù)F(t)來表示，即：

(4)

產(chǎn)品的壽命分布通常用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來描述。產(chǎn)品壽命預(yù)期值可用下式表示：

(5)

針對(duì)產(chǎn)品壽命，常用的分布函數(shù)有指數(shù)分布、威布爾分布等。依據(jù)電液伺服閥的故障機(jī)理[18]，其壽命模型采用威布爾分布來描述，威布爾分布函數(shù)可作為因疲勞、磨損及老化而引起的故障機(jī)理的壽命模型。

接下來，筆者對(duì)威布爾的壽命模型進(jìn)行推導(dǎo)。

威布爾故障密度的分布函數(shù)如下：

(6)

式中：β—形狀參數(shù)，表示曲線的形狀；θ—尺度參數(shù)，表示曲線的集中趨勢(shì)(當(dāng)t=θ時(shí)，無論β值是多少，其故障率為63.2%；因此，θ也被稱為特征值，有助于確定威布爾分布的中心)；δ—初始位置參數(shù)，在壽命分析中，一般δ=0。

當(dāng)δ=0時(shí)，式(6)可簡化為：

(7)

根據(jù)式(7)，可以得到威布爾分布的R(t)，λ(t)的函數(shù)分布，如下式所示：

(8)

(9)

由式(8)可知，威布爾分布的可靠壽命為：

(10)

當(dāng)β=1時(shí)，威布爾分布就變?yōu)橹笖?shù)分布，平均壽命就變?yōu)镸TBF=θr(2)=θ，可靠壽命變?yōu)閠R=-θ(lnR)。

因此，指數(shù)分布是威布爾分布β=1的特例，所以在不清楚元件的失效概率密度函數(shù)時(shí)，可統(tǒng)一用威布爾分布模型來表示指數(shù)分布模型和威布爾分布模型。

4 電液伺服閥的壽命分析

依據(jù)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)組成原理,力矩馬達(dá)、液壓放大器、滑閥組件和反饋組件的功能緊密關(guān)聯(lián),任何一環(huán)出現(xiàn)故障,都會(huì)影響電液伺服閥的性能,導(dǎo)致任務(wù)無法完成。因此,各部件的可靠性是串聯(lián)的關(guān)系。

依據(jù)其功能層次,筆者建立了電液伺服閥的可靠性框圖,如圖2所示。

圖2 電液伺服閥的任務(wù)可靠性框圖

再依據(jù)電液伺服閥可靠性框圖，建立由各零部件R1(t)、R2(t)、R3(t)和R4(t)串聯(lián)混合的可靠性模型。

產(chǎn)品可靠度數(shù)值等于各零部件可靠度數(shù)值的乘積，則產(chǎn)品可靠度為：

(11)

式中：Ri(t)—t時(shí)刻第i零部件的可靠度。

各零部件的可靠度R(t)一般不是一個(gè)定值，而是服從不同函數(shù)分布的。在不清楚元件的失效概率密度函數(shù)時(shí)，可統(tǒng)一用威布爾分布模型來表示。

當(dāng)威布爾分布的形狀參數(shù)為2時(shí)，它被稱為Rayleigh分布，其應(yīng)用廣泛，此分布可廣泛用于電真空設(shè)備的壽命檢驗(yàn)中。在產(chǎn)品的壽命期間，磨損失效風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。通過調(diào)整威布爾分布的形狀參數(shù)β，可以對(duì)許多不同壽命分布的特征進(jìn)行建模[19]。

當(dāng)0<β<1時(shí)，早期失效發(fā)生在產(chǎn)品壽命的初始階段。這些失效可能會(huì)迫使產(chǎn)品進(jìn)入“老化”階段，以降低初期失效的風(fēng)險(xiǎn)；

當(dāng)β=1時(shí)，失效率保持恒定。隨機(jī)失效，失效的原因有多種；

當(dāng)β=1.5時(shí)，屬于早期磨損失效；

當(dāng)β=2時(shí)，在產(chǎn)品的壽命期間，磨損失效風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，此分布可廣泛用于電真空設(shè)備的壽命檢驗(yàn)；

當(dāng)3≤β≤4時(shí)，屬于快速磨損失效；

當(dāng)β>10時(shí)，屬于非常快的磨損失效。

假設(shè)電液伺服閥的力矩馬達(dá)和液壓放大器失效模型均滿足β=2的威布爾分布，滑閥組件和反饋組件均滿足β=1的威布爾分布，則產(chǎn)品的可靠度可表示為：

(12)

式中：θ—特征壽命參數(shù)，與失效率參數(shù)λ相關(guān)，單位為小時(shí)。

根據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)有故障數(shù)據(jù)和壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照不同應(yīng)力類型，筆者對(duì)產(chǎn)品壽命與應(yīng)力大小之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立可靠性壽命模型[20]。

在可靠度為R(t)時(shí)，產(chǎn)品的壽命為tR：

(13)

筆者將求出的特征值θ以及各零組件的形狀參數(shù)β和失效率λ代入式(8)中；并從t=0開始逐漸增加到t=tend，每增加一次，可以分別得到力矩馬達(dá)、液壓放大器、滑閥組件、反饋組件的可靠度函數(shù)R1(t)、R2(t)、R3(t)和R4(t)；然后，根據(jù)式(12)求出此刻的電液伺服閥可靠度Rs(t)，直至計(jì)算結(jié)束。

由此可以得出電液伺服閥的可靠度[21]隨時(shí)間變化曲線,如圖3所示。

圖3 電液伺服閥可靠度變化曲線與工作壽命

當(dāng)t=t1時(shí)，可靠度Rs(t)即為電液伺服閥工作時(shí)間為t1時(shí)的可靠度，即若需確定電液伺服閥可靠性下降到某一值Rs(tR)時(shí)所得最低可靠度，對(duì)應(yīng)的計(jì)算時(shí)間則為產(chǎn)品可靠壽命tR[22]。

由圖3可知：當(dāng)可靠度為0.73時(shí)，電液伺服閥壽命為t0.73=30 000 h；當(dāng)可靠度為0.9時(shí)，對(duì)應(yīng)的壽命t0.9=12 477 h。

5 結(jié)束語

現(xiàn)有的研究中,針對(duì)電液伺服閥故障模式及失效機(jī)理分析得較少,完整的電液伺服閥壽命評(píng)估方法研究存在不足,為此,筆者提出了一種基于故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA)的電液伺服閥壽命分析方法。

首先,以電液伺服閥為研究對(duì)象,通過對(duì)電液伺服閥進(jìn)行故障模式及失效機(jī)理分析(FMMEA),確定電液伺服閥耗損機(jī)理和壽命特征;然后,依據(jù)現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)及應(yīng)力類型,建立電液伺服閥壽命預(yù)測模型,并對(duì)其進(jìn)行壽命評(píng)估;最后,建立電液伺服閥可靠性模型,并進(jìn)行電液伺服閥的壽命分析。

研究結(jié)果表明:

(1)通過統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)、分析、預(yù)測等方法獲得了產(chǎn)品的故障模式,從國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)中獲取了失效率數(shù)據(jù),可以較為方便地確定電液伺服閥的耗損機(jī)理和壽命特征;

(2)依據(jù)電液伺服閥現(xiàn)有的可靠性數(shù)據(jù),合理選取了威布爾模型的形狀參數(shù),建立了電液伺服閥關(guān)鍵部件的較為準(zhǔn)確的壽命預(yù)測模型,有利于對(duì)電液伺服閥的壽命進(jìn)行評(píng)估,提高了各種因素影響下電液伺服壽命分析的準(zhǔn)確性。

在后續(xù)的工作中,筆者需要對(duì)電液伺服閥各個(gè)零件的具體失效模式及機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析,通過積累更多故障數(shù)據(jù),更加準(zhǔn)確地選取多個(gè)工況下壽命預(yù)測模型中的形狀參數(shù),提高電液伺服閥在多個(gè)工況下的可靠性分析的準(zhǔn)確性。