安全双联阀用先导电磁阀故障失效模式分析

张 文，李厚伦，杨春华

（1.金丰（中国）机械工业有限公司，浙江 宁波 315221；2.无锡市拓发自控设备有限公司，江苏 无锡 214161）

气动先导电磁阀（以下简称先导阀）是通过对直动电磁阀通、断电的控制来切换电磁阀内部小气流的流通方向，从而达到控制较大通径气动换向阀气流方向改变的目的，其实质是用小功率电能的通断来实现较大空气压缩能量流通方向的切换，并起到放大作用的一种气-电逻辑功能部件。先导阀有多种结构形式，常见有提动式先导阀（湿式电磁铁）和平衡式轴向截止先导阀（干式电磁铁）。如图1所示为无锡市拓发自控设备有限公司生产的K23JDa-2/1先导阀，属提动式先导阀（湿式电磁铁），主要用于K-AQSDFd□-L10、15、20、25 系列的安全双联电磁阀的先导控制。日本SMC生产VO317先导阀属于平衡式轴向截止先导阀，用于K-AQSDFe□-L32、40、50安全双联电磁阀的先导控制。

根据国标GB27607-2011《机械压力机安全技术要求》和最新国际标准ISO 16092-2-2018《机床安全压力机第2部分:机械压力机安全要求》的相关规定,安全双联阀是机械压力重要的安全功能部件。而先导阀是安全双联阀核心部件，从以往相关故障统计来看先导阀故障占安全双联阀故障的70%，先导阀在共因故障条件下产生的危险故障占比55%，日本SMC生产的VO317（平衡式）电磁阀已经过相关安全认证及考评，本文不对其故障失效模式进行分析，对国内自制的K23JDa-2/1先导阀故障失效模式的分析对提高安全双联阀安全水平和可靠性很有必要。

1 K23JDa-2/1先导阀

1.1 结构

K23JDa-2/1（提动式）先导阀用于K-AQSDFd□-L10、15、20、25系列安全双联电磁阀，每台 2件，其总体结构如图2所示。

先导阀由先导阀体1、胶粘层3、先导复位弹簧4、先导动铁芯5、先导编号6、线圈8、接线盒（2+GND）9、先导静铁芯 10、螺母 11、“O”形圈 2、垫圈7构成。其中二个“O”形圈2放入先导阀体1中，先导复位弹簧4套入先导动铁芯5后，再套入先导静铁芯10内，将先导静铁芯10的下端外螺纹旋入先导阀体1内，注意确保先导动铁芯的动作行程0.8±0.05mm。完成上述工作后进行必要的检测，确保各处无内、外泄漏，无交流声和其他缺陷后，按顺序套入起导磁作用的垫圈7、线圈8并用螺母11锁紧。完成总装后（装在安全双联阀并经各项出厂试验合格）将接线盒（2+1GND）9插入线圈并固定。

1.2 要求

完成上述装配的K23JDa-2/1先导阀应完成如下试验后方能进入安全双联阀装配：

（1）先导阀的吸引电压应控制在0.75倍的公称电压（在20℃，进气口IN的压力为0MPa条件下）。

（2）先导阀在进气口IN通入0.5MPa的压缩空气后，分别在通电和不通电条件下测得排气口EX处的泄漏量应不大于10cm3/min。

（3）先导阀进气口IN通入不小于1MPa的压缩空气（或高压氮气）测得排气口EX处的泄漏量应不大于10cm3/min。

1.3 工作原理

K23JDa-2/1先导阀主要有两个工作状态：

（1）不通电状态。线圈8不通电，压缩空气从先导阀进气口IN进入后，因先导动铁芯5在先导复位弹簧4的作用下封住先导阀体1的先导下阀口，空气被阻断，同时从先导阀的输出口OUT来的压缩空气经先导动铁芯5和先导静铁芯10之间的空隙，再经先导上阀口排出大气。

（2）通电状态。线圈8通电，先导动铁芯5在电磁力的作用下克服先导复位弹簧4作用力而离开先导阀体1的先导下阀口，先导动铁芯5向上位移直到封住先导上阀口，此时从进气口IN进入的压缩空气经先导下阀口，从输出口OUT流出。

1.4 关键零部件作用、要求及分析

（1）先导阀体1

先导阀体1如图3所示，其关键尺寸为下阀口高度尺寸9±0.045、下阀口R0.15、下阀口最高端ø2.2±0.050、下阀口粗糙度 Ra0.8、下阀口角度 30°,其中下阀口高度尺寸直接影响先导阀的行程，下阀口最高端ø2.2±0.050影响先导阀安全耐压，而下阀口粗糙度Ra0.8及下阀口角度30°直接影响先导阀的密封可靠性。

（2）先导复位弹簧4

先导复位弹簧4相关的技术要求如图4所示，该零件是影响先导阀安全可靠性的关键零件，图4中弹簧预压力7.35N直接影响先导阀进气口的密封性能（耐压）和吸引电压。

（3）先导动铁芯5

先导动铁芯5相关的技术要求如图5所示，该零件是影响先导阀安全可靠性的关键零件，图5中的总长33.1关联先导阀的行程，先导上、下封塞的材质为耐高温氟橡胶，图6中e处的粗糙度0.8，橡胶硬度和其他品质将直接影响到本产品的安全可靠性，图中的上封塞、下封塞是装在先导动铁芯体（导磁不锈钢）的中央孔内其相关的技术要求及进厂验收控制见图5，由3M公司氟橡胶组成的下封塞直接影响先导阀的安全、寿命及可靠性。

（4）线圈8

与 K-AQSDFd□-L10、15、20、25 系列用安全双联电磁阀配套的K23JDa-2/1先导阀所用线圈8是意大利AMISCO生产的EVI 5S（M）13系列线圈，其主要功能是给线圈8通入一个符合规定要求的电流使其产生一个螺管电磁吸力，先导动铁芯5克服先导复位弹簧4的作用力而动作换向，该线圈任何形式的失效均未产生过与安全相关的事故，其通过CE认证，证书见图7。

（5）先导静铁芯10

先导静铁芯10是先导阀的一个重要功能部件（图8），其主要作用是将线圈流过的电能磁化转换成机械能，同时将相关的气流根据需求限定在规定的范围内，图8中5.5±0.060关系到先导复位弹簧4密封力的大小，5.5走上偏差将使密封力下降，关联到下阀口处的密封，如果失控将影响到与其配套的安全双联阀安全性能，5.5走下偏差将增加先导阀的吸引力，如果失控将使先导阀的打开时间增加，但不影响与其配套安全双联阀的安全性能。图8中ø12+0.110和φ12.1+0.110将影响先导动铁芯动作灵敏度，如果尺寸走下偏差，则与动铁芯5的间隙将减少，如果配合间隙失控将影响到与其配套安全双联阀安全性能；如果尺寸走上偏差，则影响到该先导阀工作时可靠性，如果失控不影响与其配套的安全双联阀安全性能。图8中的6.2±0.075和31.2±0.050如果尺寸超差将直接影响到先导阀动作行程0.8±0.050的调整，但不影响与其配套的安全双联阀安全性能。

（6）接线盒（2+GND）9

接线盒（2+GND）9是先导阀的一个重要功能部件（见图9），其主要是起供电连接的作用，根据经验原则，选用OMAL公司CE自声明的符合DIN43650（A）的接线盒。

2 风险分析

2.1 单个电磁阀工作时的风险分析

通过对K23JDa-2/1先导阀的要求、结构、工作原理、关键零部件作用分析后，根据国标GB/T16856.1-2008,ISO14121-1《机械安全 风险评价 第一部分：原则 》对单个电磁阀工作时可能产生风险进行分析，如表1所示。

由表1分析得到，安全双联阀用先导阀在正常工作状态下没有对人伤害的风险，但应注意如下事项：

表1 单个电磁阀工作时可能产生的风险分析

续表1

续表1

续表1

（1）在连续工作的条件下，因先导阀线圈内部匝间短路烧坏线圈产生高温，如果与人接触可能烫伤人，因此由此而产生的故障在维修时因注意对人体的保护，如增加从产生故障至人员接触的时间，使烧坏线圈有足够的散热时间，确定专业人员维修，健全管理制度。

（2）当先导阀出故障后维修不当，可能使先导静铁芯在压缩空气的作用下从先导阀体中飞出对人伤害，提高产品加工精度，在产品使用说明书中作出相关规定，确定专业人员维修，健全管理制度。

（3）先导阀正常工作时产生噪声小于80dB对，对人的健康不产生伤害，对先导阀因故障产生交流声时将对人耳产生轻微的伤害，确保工作介质-压缩空气的清洁度，清除交流声，确定专业人员保养设备，健全管理制度。

2.2 危险故障分析（共因故障CCF）

通过上述分析，单个先导阀的相关风险已得到控制，对先导阀装在安全双联阀后关键零部件的失效，根据GB/T 16855.1-2018《机械安全 控制系统安全相关部件 第1部分：设计通则》表F1共因故障条件下（CCF）造成的后果及其控制进行分析，结果如表2所示。

通过上述表2对先导阀的关键零部件在共因故障（CCF）条件下的失效分析得到如下结果：

表2 共因故障（CCF）条件下造成后果及其控制分析

续表2

（1）两个先导阀的阀口品质同时不良（最高处直径ø2.2偏大，阀口粗糙度大于Ra0.8）再叠加先导复位弹簧的复位力偏软，当先导阀失电的瞬间因气垫效应而使先导阀不能复位，从而造成安全双联阀不复位，使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（2）两个先导阀体内有毛刺和异物，因异物同时破坏两个先导阀的阀口密封或因毛刺同时轧住先导动铁芯，从而造成安全双联阀不复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（3）两个先导复位弹簧预压力偏软，再叠加先导阀的阀口品质同时不良，当先导阀失电的瞬间因气垫效应而使先导阀不能复位，从而造成安全双联阀不复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（4）两个先导复位弹簧同时断裂，当先导阀失电后而使先导阀不能复位，从而造成安全双联阀不复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（5）两个先导动铁芯总长33.1偏长到一定的范围，当先导阀失电后，先导阀不能很快将安全双联阀活塞控制室内的压缩空气释放至大气，从而造成安全双联阀不能很快复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（6）两个先导动铁芯的先导下封塞密封同时被破坏（如下封塞断裂），或先导动铁芯内的异物同时填在先导阀口上，先导动铁芯上的毛刺同时被轧住，当先导阀失电后而使先导阀不能复位，从而造成安全双联阀不复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（7）两个先导静铁芯的与先导复位弹簧预压力相关尺寸5.5±0.06偏大至一定范围，再叠加两个先导复位弹簧预压力同时偏软，当先导阀失电的瞬间可能因气垫效应而使先导阀不能复位，从而造成安全双联阀不复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（8）两个先导静铁芯内有异物，掉落的异物同时填在先导阀口上，或两个先导静铁芯内有毛剌并同时轧住先导动铁芯，当先导阀失电后而使先导阀不能复位，从而造成安全双联阀不复位使压力机连冲，可能产生人身伤害事故。

（9）先导电磁阀的线圈通、断电将产生浪涌，因浪涌产生的过电压、过电流，或因各种原因产生的静电均可能对压力机的安全控制系统产生电磁干扰，使压力机失控产生连冲，可能产生人身伤害事故。

（10）接线盒(2+GND)接地线插头接触不良将不能规避因电磁线圈短路而造成的伤害和不能消除因静电对压力机的控制电路的干扰而使压力机失控产生连冲，可能产生人身伤害事故。

因此，在制造、维修安全双联阀过程中，先导阀体的阀口品质和其关键尺寸控制、先导复位弹簧复位力的质量控制、各零部件内部的毛刺和飞边的去除、重要橡胶密封件的品质的保证、线圈通、断电产生浪涌的吸收、线圈可靠接地等因素，涉及原材料、机械加工工艺、热处理以及相关的品质控制、检查及记录，这些将直接关联到安全双联阀的安全水平。