净水机高压开关的故障分析

叶 敏 杨 鹏

（深圳安吉尔饮水产业集团有限公司 深圳 518108）

引言

目前，市场上的家用反渗透净水机常用高压开关控制制水，多为金属膜片式高压开关（图1），其具有体积小、安装方便、触点通断重复性好、不受电磁干扰影响等优点。作为控制净水机运行的关键部件，在正常使用过程中，会发生电气和机械故障从而导致净水机无法正常服务。因此，需要对高压开关的结构进行可靠性设计，通过故障分析找到失效原因，并采用ANSYS 仿真技术定位故障，优化产品技术参数和工艺要求。

图1 金属膜片式高压开关

1 高压开关的组成和工作原理

金属膜片式高压开关：主要元件为金属膜片和电路连接触点。当打开纯水口纯水端管路中的水压降至设计低压值时膜片由凸型突变为凹型，电路连接触点接通，电控板给信号增压泵启动工作，机器开始制水；当纯水端管路中的水压高于设计高压值时膜片由凹型突变为凸型，断开电路连接触点，电控板给信号增压泵停止工作，机器停止制水。

这种工作模式的高压开关，其设计高压值和低压值，是固定的，不可调整。因高压值与低压值之间的压力差值小，或高低压设计值偏低，会造成净水机启停故障频发、用户体验差等问题。

2 故障分析

故障模式影响及危害性分析（简称FMECA 分析）是分析产品所有可能的故障模式及可能的影响，并按每个故障产生影响严重程度及发生概率予以分类的一种归纳分析方法[1]。经调研金属膜片式高压开关的工作环境、产品工况信息以及组成产品的所有元器件信息、工作力学特性对典型失效案例（表1）的故障件进行FMECA 分析（表2），得到高压开关的全部失效模式。继而针对关键元件进行应力剖面分析，深入其失效机理，获得发生失效的原因。

表1 典型失效案例

表2 FMECA 分析

由表1 可以看出：高压开关触点接触电阻过大、触点绝缘电阻下降、电气腔室进水、金属膜簧片疲劳等因素是造成高压开关无法给出准确信号的主要原因。接触电阻增大和开关的绝缘性能降低为电气故障模式，动作特性参数变化量超出规定和弹性元件疲劳断裂为机械故障模式[2]。与失效模式相关的关键元件：触点、金属膜片和簧片。

2.1 电气故障分析

高压开关的电气故障主要表现为接触电阻增大和绝缘性能降低[3]，选取市场使用率较高的A、B 两个品牌的开关（A 型号BLPS-YK-H：规格0.12/0.30±0.02 MPa；B 型号YK-25：规格0.12/0.30±0.05 MPa）进行失效分析。将市场退回故障高压开关安装于净水机复现故障现象，并使用电阻仪测定接触电阻与绝缘电阻，后拆解分析。

由表3 可见：故障高压开关进行100 次通/断后导通时接触电阻波动大，拆解后可见触点表面凹凸不平、触点表面发黑、触点表面有不导电多余物附着、电气腔室进水腐蚀。

表3 故障高压开关电气性能分析

由表4 可见：正常高压开关在100 次通/断后导通时接触电阻阻值波动小，接触电阻均低于1 Ω，电路可正常导通。

表4 无故障高压开关电气性能分析

表5 两种高压开关0.30 MPa 水压下测试结果

表6 两种高压开关0.55 MPa 水压下测试结果

表7 两种型号高压开关0.70 MPa 水压下寿命分析

2.2 定时截尾寿命试验

通过模拟不同流量净水机停机后高压开关承受压力值（净水机停机时高压开关承受压力典型值：0.30 MPa（带压力桶的小流量净水机）、0.55 MPa（不带压力桶的大流量净水机，净水流量≥1 L/min）、0.70 MPa（不带压力桶的大流量净水机，净水流量≥2 L/min））对两种高压开关进行循环水压测试。

经循环水压（频率：2 s 升压2 s 降压）测试100 000 次，随着试验次数的增加，进水水压越高高压开关跳断/导通压差值越低（技术规格书要求：跳断/导通压差值≥0.15 MPa），直至压差值接近零，高压开关失效（本次试验100 000 次，样本失效数为0）。净水机达到制水满水时高压开关断开，因增压泵是缓慢停止工作，会造成管路中水压瞬间远超高压开关设计高水压值，且用户未取水时高压开关一直处于高压状态，长时间保持状态易造成开关内部关键元件加速失效。因此在对净水机系统设计时应根据通量不同而选择适用规格的高压开关，若超设计高水压值使用会缩短高压开关的寿命。

注：压差值=跳断时压力值-恢复导通时压力值

2.3 机械故障分析

1）金属膜片疲劳：跳断与恢复时压差值降低，动、静触点频繁闭合/断开；

2）簧片疲劳：金属膜片恢复后，动、静触点无法闭合；

3）触点磨损：连续动作，触点表面破损。

2.3.1 金属膜片疲劳分析

金属膜片的外形为球壳型，球壳型随压力的改变，会发生失稳，产生突跳现象。目前，国内金属片的原材料和加工方法大体相同，基本上是铜质和铁质合金为基体，再加入锰镍等金属元素改变它自身的屈服强度。主要成分为：不锈钢304、301，如06Cr19Ni10、12Cr17Ni7等材质。

1）工作原理分析

金属片的简图如图2所示。当压力升高时，金属片当弯曲到一定程度时（即上临界挠度），金属片达到不稳定状态，突然从一个状态跳转到另外一个状态（突跳），即金属片的变形沿着C-A-B-E-F 方向进行；当压力降低时，金属片主动弯曲回弹，当弯曲到一定程度时（即下临界挠度），金属片达到不稳定状态，突然从一个状态跳到另一个状态（回跳、恢复），即金属片的变形沿着F-E-D-A-C 方向进行。金属片顶点挠度与压力关系如图3，图中，P 为压力，P1、P2分别为突跳压力和恢复压力，y0为金属片的挠度。

图2 金属片简图

图3 金属片绕度与压力的关系图

2）有限元分析

金属膜片是高压开关上的一个重要组成部分，高压开关由于金属膜片尺寸变形，导致压力漂移失效。选取BLPS-YK-H 型的金属膜片进行有限元屈曲分析，验证其工作性能。膜片的尺寸为：Q=40 mm，H=0.85 mm，厚度为0.1 mm，其性能参数如表8。

表8 金属膜片的材料参数

表9 金属膜片承受水压与金属膜片最大应力、最大位移

由于不锈钢301 缺少应变寿命参数，抗拉强度以及条件屈服强度的具体参数，本次分析采用workebench2021R 中结构刚参数进行分析，结构刚材料参数如图4。

图4 金属膜片结构刚材料参数

选择有限元分析软件ANSYS 对金属膜片进行分析，网格划分共62 536 个节点、30 645 单元，得到有限元划分模型如图5所示。

图5 金属膜片有限元模型图

模拟高压开关在机器停机后承受水压值0.30 MPa、0.55 MPa、0.70 MPa，分别作用在膜片上，产生应力并导致膜片发生位移。根据膜片的工作环境，假定其周边竖直及切向方向的自由度、顶点切向和径向方向自由度受约束，金属膜片受不同应力分析结果如图6所示。

图6 金属膜片受等效应力图

由图6 可知金属膜片应力最大主要集中固定位置以及膜片相交的地方，即膜片边缘处，也是失效风险最大的位置，且最大应力随着进水水压的增加而增加（0.7 MPa 下的最大应力是0.3 MPa 下的1.4 倍）。在循环往复一定次数后，应力大于金属膜片的强度时会发生塑性变形，当金属膜片发生塑性变形，尺寸发生变形时，其跳断与恢复压力也会发生变化。

2.3.2 簧片疲劳分析

BLPS-YK-H 型的簧片材料：C17450，其弹性模量为130 MPa，泊松比为0.3，密度为8 260 kg/m3，抗拉强度1 000 Mpa。尺寸测量如图7。

图7 簧片尺寸测量图

1）工作原理分析

簧片是弹簧中的一种，由弹性高的金属薄片制成，利用板片的弯曲变形而起到弹簧作用。簧片一共有三个状态：①簧片初始自由位置为W0；②在温控器安装完毕后，簧片在动静触头接触力的作用下，发生变形，保持动静触头正常接触，相当于在簧片的上臂1 点作用力P1，产生挠度d，使簧片上臂处于水平位置W1（安装位置）；③金属膜片突跳对簧片产生推力P2，簧片的上臂被压迫变形，簧片稳定在位置W2（工作位置）。此时，l 点的挠度为d1，具体如图8所示。当金属膜片回跳时，簧片依靠本身的弹性恢复到水平位置w1，使动静触头接触。

图8 簧片简介图

2）有限元分析

簧片模型建立：因为簧片固定端孔部分、簧片推杆推动点等微小几何部分对簧片的受力、应力影响很小，将其忽略，简化其模型如图9所示。簧片网格划分：有限元节点数为15 360 个，单元格7 568 个。对于BLPS-YK-H 型的高压开关，金属膜片对簧片的位移约束为0.5 mm。

图9 簧片有限元模型图

根据簧片的工作环境，因金属膜片在高压开关内部弹跳时顶点位移由端面固定，故不同水压条件下金属膜片跳断时簧片受应力基本一致，簧片受应力分析结果如图10所示。

图10 簧片受等效应力图

簧片受到的最大应力为761.3 Mpa，小于簧片的抗拉强度1 000 Mpa，最大应力集中在弯曲段，说明簧片的是弯曲段最容易损坏。簧片弯曲断裂是疲劳引起的，簧片有2 个工作状态：保持动、静触点接触的安装位置和在推杆作用下动、静触点分离的工作位置。在产品的整个生命周期中簧片在安装位置和工作位置，受到循环交变作用，易产生疲劳裂纹，最终断裂失效。

3 结语

本文从典型失效模式中深入研究高压开关的故障原因及失效机理，利用ANSYS 仿真应用快速定位高压开关的故障位置，从设计、工艺、使用等方面提出提升净水机高压开关可靠性的措施：增大簧片在推杆作用点处的过渡圆角，减少应力集中导致开裂现象；制程应确保膜片和电气腔室密封良好，防止腔室受潮加剧触点腐蚀；金属膜片疲劳寿命与承受应力大小成反比，降低金属膜片承受的应力大小，即触点弹跳后净水机响应迅速立即停机（如机器有满水冲洗功能，则废水电磁阀立即全开，以降低纯水端的压力），可延长疲劳寿命。