某新型液压电磁阀的可靠性分析策略

王岩松, 度红望, 王稳超, 熊 伟

(大连海事大学 船舶机电设备研究所, 辽宁 大连 116000)

引言

随着自动换挡技术的发展,电液式自动换挡操纵装置在履带式车辆上得到了广泛的应用,但换挡操纵装置在车辆换挡时产生的转矩冲击不仅会影响乘员的舒适度更会影响到车辆的使用寿命[1],因此通常引入液压缓冲阀对离合器内的油液压力进行控制[2],以此来减小转矩冲击。比例电磁阀是液压缓冲阀阀组的关键控制元件,其性能的可靠性直接决定了液压换挡系统的换挡质量,但目前此类非标准阀件并没有明确的可靠性研究作为参考标准,导致液压电磁阀的可靠性研究工作无法开展。因此应用理论方面的可靠性分析方法对液压电磁阀进行可靠性分析以确定其故障影响因素及极限工况,对我国自主研发液压电磁阀并开展电磁阀的可靠性研究具有重要意义。

FMECA是可靠性分析中常用的一种方法[3],也是电磁阀可靠性分析中常用的方法。但传统的FMECA分析方法存在风险三因素间的权重分配与事实不符、评判标准具有较大的主观性等问题,导致最后结果中出现多个故障模式的RPN值相同而无法比较[4]。因此大量专家学者们针对阀件的FMECA分析进行了改进。文献[5]将“模糊评价矩阵”用于电液伺服阀的FMECA分析中,针对多个评估人员给出的评估结果确定各个故障的危害度等级的隶属度,进而构建“模糊评价矩阵”来对电液伺服阀的可靠性进行分析。文献[6]在射流管式电液伺服阀的FMECA分析中,采用层次分析法[7-8]确定影响因素之间的权重分配,提高了分析的准确性。上述改进方法虽然对阀类的FMECA分析进行了改进,但在当其用于非标准类阀件的可靠性分析上时仍存在诸多不足,如:多数阀件的可靠性分析中进行隶属度评估时常采用的“三角模糊数”无法对参数峰值分布特征较宽的模型作出精确的描述[9];其次此类分析方法只能确定各个故障模式的危害度以及主要的影响因素,无法确定影响因素中的最极端情况。

应用上述方法对液压电磁阀进行可靠性分析无法准确的分析出影响因素的极端工况,从而无法对液压电磁阀的可靠性试验提供指导参考。因此针对上述问题本研究在液压电磁阀的FMECA分析中引入“梯形模糊数”提高了分析的准确性,并加入二次分析的方法确定了主要影响因素中的极端工况。应用改进后的可靠性分析方法对该电磁阀进行可靠性分析确定了主要影响因素的极限工况,并应用仿真对分析结果的准确性进行了验证,为该阀的可靠性试验提供准确的指导参考。

1 问题描述

本研究所分析的液压电磁阀主要由电磁铁、回油端挡板阀和进油端球阀组成,详细结构如图1所示。电磁铁主要是用来产生电磁力推动主阀芯运动,球阀的主要作用是控制进油量的大小,回油端挡板阀的作用是调节节流口的大小、减小油液冲击。该阀在工作时通过对电磁铁通电产生磁力使活动铁芯移动,铁芯移动会推动球阀运动并影响进油口开口的大小,从而达到控制输出油压的目的[10]。为了确定可能会引起该电磁阀发生故障的最主要的影响因素以及每种因素下该电磁阀的最极限工况,并以此作为可靠性试验的参考标准,本研究通过模糊FMECA的方法对每种可能发生的故障的危害度进行分析,比较危害度较大的几种故障便可以得到引起故障的主要影响因素。通过对影响因素进一步划分并对其进行二次分析,便可以得到每种影响因素中的最极限工况,最后通过仿真验证分析得到的极限工况是否准确。

2 液压电磁阀的模糊FMECA

模糊FMECA应用于液压阀件可靠性分析的分析过程通常为5部分:系统定义、故障模式及原因分析、确定因素集与评价集、危害度计算、确定薄弱环节,详细过程如图2所示。

2.1 液压电磁阀FMECA分析的系统定义

对液压电磁阀系统的功能、系统组成、子部件功能及组成进行详细划分如表1所示,为后续故障模式及其原因的分析提供参考。

表1 液压电磁阀功能及影响

2.2 故障模式及影响分析

以类似阀件在实验以及工作过程中常见的故障模式为参考,结合液压电磁阀的工程经验和相关故障维修统计数据的调研,参考严酷度类别与定义[11]以及故障模式发生的概率等级与定义[12]对该液压电磁阀进行故障模式及影响分析[13],得出如表2所示的分析结果。

表2 液压电磁阀的故障模式及影响分析

2.3 确定因素集和评价集

本研究将故障模式的严酷度、故障的发生概率以及故障的检测难易度作为影响因素,因此 “因素集”U= { 严酷度、发生率、检测难度} 。通过对液压电磁阀实际的调查和分析,确定该系统的评价指标可分5级;因此“评价集”V= {1,2,3,4,5}。因素集与评价集共同形成如表3所示的风险因素水平等级,为专家进行评价描述提供参考。

表3 风险因素水平等级

3 危害度等级计算

3.1 评判结果转化模糊概率

通过向相关专家进行调查并根据相关阀的统计数据结果,分别对该故障模式的“严酷度”、“发生率”及“检测难度”进行描述评价,利用“梯形模糊数”将评估结果转化为模糊数,梯形模糊数的隶属函数形式[14]如式(1)所示:

(1)

由4个参数(l,m,n,u) 来表示梯形模糊数,其分别表示下界值、最可能值、最可能值和上界值。并引入“高”、“偏高”、“中等”、“偏低”和“低”来描述已知因素处于当前水平等级的可能性, 每种可能性对应的模糊数如表4所示。

表4 梯形模糊数定义表

根据各个专家对故障模式的评价描述,将评价结果转化为模糊概率值。本研究选取5位专家作为评估人员,表5为专家一对故障1的评价结果(本研究危害度计算均以故障1为例)。

表5 专家一对故障1的综合评价结果

3.2 模糊概率的均值化

利用算术平均法,将每个评估人员对于同一故障模式中的某个因素处于某个水平时的概率进行平均化处理,公式如下:

(2)

式中,Pij表示当前故障模式中i元素处于j水平等级的概率。根据式(2)得出如表6所示的故障1的综合评估结果。

表6 故障1综合评价结果

3.3 模糊概率的反模糊化处理

利用“均值面积法”[15]对表7中各模糊概率进行反模糊化处理,得到该因素处于某个水平时的精确概率,公式如下:

表7 故障1因素水平的精确概率

(3)

式中,lij,mij,nij,uij分别代表当前故障模式中i元素处于j水平等级的梯形模糊数的四个数值。根据式(3)便可得到如表7所示的故障1各个因素水平的精确概率。

3.4 归一化处理

对各因素的精确概率做归一化处理使各水平的概率之和为1,获得最终的模糊评判矩阵。公式如下:

(4)

3.5 故障模式危害度计算

通过层次分析法就可以计算得到每个因素之间的权重分配关系[16],根据得到因素的权重集ω={0.226,0.674,0.100},由式(5)可以计算故障1的危害度R1：

(5)

根据式(5)计算得到故障1的危害度为R1=[0.043,0.378,0.404,0.104,0.043]

对危害度向量进行反模糊化处理可以将向量转化为具体的数值,公式如下:

D1=R1VT

(6)

式中,V为评价集,R1为故障1的危害度。根据式(6)计算得到故障1的危害度等级数值为2.642。

3.6 危害度比较

通过同样的方法可以计算其他故障模式的危害度数值D2=2.834、D3=2.763、D4=3.050、D5=2.500、D6=2.908、D7=2.573。对这7种故障模式重新排序如下:

FM4>FM6>FM2>FM3>FM1>FM7>FM5。

根据比较结果并参照电磁阀的故障模式及影响分析可以看出,危害性大的故障模式与温度、载荷冲击与信号冲击有关。

4 二次分析

在确定了主要影响因素的情况下,对影响因素进一步划分并结合专家评价结果建立分析矩阵:载荷冲击取方波,锯齿波,正弦波三种波形为分析因素建立分析矩阵;信号冲击取方波,锯齿波,正弦波三种波型为分析因素建立分析矩阵;温度从40～90 ℃每8 ℃ 划分为一个等级,共有6个等级建立分析矩阵。将上述电磁阀故障模式影响及危害性分析方法改进后,对三种影响因素进行二次分析。

此处以载荷冲击为例进行介绍。以方波,锯齿波,正弦波三种波形为分析因素,将专家对三种波形的评价描述以“梯形模糊数”的形式转化为模糊数,得到极限情况出现于三种波形时各自对应的概率值,如表8所示。

表8 载荷冲击三种波形的分析结果

将每个评估人员对于极限工况处于某个波形时的概率进行平均化处理,得到载荷冲击三种波形的综合分析结果,如表9所示。

表9 载荷冲击三种波形的综合分析结果

将综合分析结果进行模糊化处理以及归一化处理,得到极限工况处于某个波形时的精准概率。经计算方波为0.42;正弦波为0.38;锯齿波为0.20,方波>正弦波>锯齿波,因此可以得出载荷冲击中极限情况为方波的概率最大。

通过相同的分析方法可以得出信号冲击中极限情况为方波概率最大;温度中极限情况为90 ℃概率最大。

5 仿真验证

对二次分析得出的结果通过仿真进行了验证。在AMESim仿真软件中搭建如图3所示的液压电磁阀的仿真模型,建立载荷冲击、信号冲击以及温度的故障工况,在仿真中输入不同的故障信号,得出系统在各种故障原因中波动最大的故障信号波形既为极限工况。

图3 液压电磁阀AMESim仿真模型

5.1 载荷冲击

以周期1 s,峰值为2 MPa的压力冲击作为对电磁阀的载荷冲击,得到电磁阀输出流量、压力曲线如图4所示。

图4 电磁阀输出流量曲线

如图4、图5所示,不同压力冲击下对离合器流量Q引起的波动排序是:方波>正弦波>锯齿波;不同压力冲击下对离合器油压p引起的波动排序是:方波>正弦波>锯齿波。因此方波作为冲载荷冲击时对电磁阀的影响最大。

5.2 信号冲击

对电磁阀分别输入周期1 s,峰值1A的正弦、方波、锯齿波信号,得到电磁阀输出流量、压力曲线如图6所示。

图6 电磁阀输出流量曲线

如图6、图7所示,不同冲击信号下对离合器油压p引起的波动排序是:正弦波>方波>锯齿波;不同冲击信号下对离合器流量Q引起的波动排序是:方波>锯齿波>正弦波。因此方波作为冲击信号时对电磁阀的影响较大。

图7 电磁阀输出压力曲线

5.3 温度

以温度梯度为5 ℃,-40～140 ℃范围内进行批处理,得先导阀输出流量、压力曲线如图8所示。

图8 电磁阀输出流量曲线

如图8、图9所示,随着油液温度升高,先导阀在升压处的波动也越大,其中对输出压力p/流量Q来说,每升高一个温度梯度,波动增加0.1%～0.15%左右,因此90 ℃时对电磁阀影响最大。

仿真结果与上文理论分析的结果一致,因此证明其方法与结果正确。

6 结论

本研究针对某新型液压电磁阀可靠性试验缺乏指导原则的问题,对传统类似阀件的FMECA分析方法进行改进,提高了分析方法的准确性并进一步细化了分析结果。应用改进后的分析方法对该液压电磁阀进行可靠性分析,计算得到该液压电磁阀各个故障模式的危害度, 经分析导致危害度较高的故障发生的主要影响因素为载荷冲击、信号冲击以及温度。在得到主要影响因素的基础上通过二次分析的方法进一步分析每个影响因素中的极限情况,最终结果为载荷冲击中的极限情况为方波;信号冲击中的极限情况为方波;温度中的极限情况为90 ℃。最后仿真结果证明该可靠性理论分析方法正确,可以为该液压电磁阀提供可靠性研究及试验的参考标准。