液壓柱塞泵加速壽命試驗方法淺談

常真衛　彭秀英

摘 要：隨著工程液壓技術的發展，主機對液壓柱塞泵（以下稱液壓泵）的壽命要求越來越長，可靠性越來越高。針對液壓泵要求若采用傳統的試驗方法進行試驗，需耗費大量的試驗時間和經費，更無法滿足裝備的研制進度要求。采用加速壽命試驗（以下稱加速試驗）能夠使液壓泵試驗時間比正常應力下試驗時間大大縮短，并大幅降低研制成本，滿足主機研制進度要求。因而，研究和應用加速試驗方法具有十分重要的現實意義。

關鍵詞：液壓柱塞泵；加速壽命；試驗方法

中圖分類號：TH137.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0120-02

隨著工程液壓技術的發展，主機對液壓柱塞泵（以下稱液壓泵）的壽命要求越來越長，可靠性越來越高。針對液壓泵要求若采用傳統的試驗方法進行試驗，需耗費大量的試驗時間和經費，更無法滿足裝備的研制進度要求。采用加速壽命試驗（加速試驗）能夠使液壓泵試驗時間比正常應力下試驗時間大大縮短，并大幅降低研制成本，滿足主機研制進度要求。因而，研究和應用加速試驗方法具有十分重要的現實意義。目前，國內外對電子產品的加速試驗方法研究已很成熟，并建立了相應的技術標準，而機械產品由于結構的復雜性，承載的多變性，工況的多樣性，至今機械產品的加速試驗方法已制定成標準的不多。因此有針對性地開展液壓泵加速試驗方法研究及應用十分有必要。

1 加速試驗的總要求

加速壽命試驗又稱加速等效試驗。美國羅姆航空中心首次給出了加速試驗的統一定義，即加速試驗是在進行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的壽命信息進行轉換，得到試件在額定應力水平下壽命特征可復現的數值估計的一種試驗方法。

加速試驗一般可概括為：在不改變故障模式和失效機理的條件下，用加大應力的方法加速產品失效的進程，并運用失效分布函數和加速模型（或退化參數分布規律），在短時間內取得必要的參數（估參），再推算到正常應力下產品的壽命特征值（稱為定壽）的一種可靠性試驗方法。

加速試驗不僅可以對產品的可靠性進行評價，并可通過質量反饋來提高產品的可靠性水平，還可用于可靠性篩選、確定產品的安全余量等。故加速試驗可以應用于產品的驗收、鑒定、出廠分類、維修檢驗等多方面。

一個完整的加速試驗應掌握產品的如下信息：故障模式與機理，加速應力與使用范圍，失效分布函數與加速模型，加速與額定狀態下的壽命特征值轉換。其難點是建立加速模型與兩者壽命特征值轉換的統計方法。針對具體液壓泵和加速應力的加速模型需要通過專門的應用基礎研究才能得出，或通過類比借用有關資料的加速模型。

2 加速試驗應滿足的基本條件

①加速試驗出現的故障模式及機理應與額定應力作用下的相一致。

②存在規律的加速性。

③加速與額定狀態下的壽命分布與損傷退化量應具有同一性或相似規律性。

該基本條件說明加速試驗時間只要持續到某一退化特征值并能找出衰退規律性即可，未必一定要做到產品失效。實際應用上存在的問題是對于某些類型液壓泵其加速性不好，需要花較長的試驗時間，才能得出可描述的損傷退化規律性。

3 液壓泵的壽命分析

液壓泵是一個小型精密機械摩擦學系統。影響液壓泵（馬達）壽命的主要因素是結構件的疲勞強度和運動副的摩擦磨損，特別是后者。運動副有泵內使用的各種軸承副、柱塞與轉子運動副、轉子與配油盤運動副、柱塞與耐磨片運動副、閥芯與閥套運動副。

關于軸承的疲勞壽命：根據泵的結構要求，對軸承進行初步壽命估算，不考慮溫度、機加誤差導致附加的側向力、高速工作的跳動、沖擊等因素影響，單純考慮軸承受到徑向或軸向當量動載荷，泵內使用的軸承壽命通常在8 000～90 00 h。如考慮到溫度、變形、側向力等因素的影響，需對軸承計算壽命進行進一步的修正，修正后的數據表明泵內軸承的壽命約在5 000～7 000 h級別。

要解決軸承壽命問題，需選用高壽命軸承并利用軸承專業技術優勢，聯合開展液壓泵軸承優化工作。使軸承壽命可以滿足主機指標要求。

通過對泵內幾對運動副進行運動計算，利用相關軟件工具進行必要的實體建模和運動分析。得出較為準確的運動關系和運動參數，從而能使各摩擦副、運動副比壓、比速、比功的設計更為合理，提高可靠性。

目前，國產液壓泵的磨損壽命遠低于疲勞壽命，泵內關鍵摩擦副的過量磨損制約著泵的壽命。泵內摩擦副的摩擦磨損是十分復雜的現象，但磨損具有階段性，在摩擦副磨合后的穩定磨損階段（即磨損浴盆曲線的平直線段）具有一定得規律性。在工程應用范圍內，磨損速度表示為r=kpmVn（其中r為磨損速度；k為一定工況下的耐磨系數；p、V為摩擦面上的壓力與相對線速度；m為系數1～3；n為系數，一般=1）。因而加大泵的出口壓力和轉速會加速磨損，降低泵的壽命，從而說明磨損壽命與加速應力存在著逆冪律關系。泵內加速磨損的應力還有溫度、污染度、工作頻率等工況條件。

4 可利用的合理工程假設

在制定加速試驗方法時要遇到液壓泵的失效模式和機理、壽命分布、磨損、疲勞、老化等問題，可充分利用合理工程假設：

①液壓泵的壽命服從于威布爾（Weibull）分布。根據可靠性理論，凡是因某一局部失效或故障而導致全局機能停止運行的元件、系統的壽命服從Weibull分布，液壓泵屬于這一類元件。

②國產液壓泵的失效模式和機理為磨損類型，原因是，國產液壓泵的磨損壽命遠低于疲勞壽命，關鍵摩擦副的磨損制約著泵的壽命；根據相似原理，相同結構、相同材料、相同功能的元件在正常工作的條件下具有相同失效機理。

③在低于50℃條件下，不考慮密封件的老化過程。

④在低于200℃時，溫度對鋼制件的疲勞強度的影響不明顯，而不予考慮等。

5 對批生產產品的加速試驗方法應用

進行加速試驗的程序設計為：泵的失效模式分析—失效機理類型—加速模型類型—加速應力及水平選擇—加速試驗方案制定—摸底試驗—輔助試驗—鑒定試驗—數據處理，估參評壽。

由于批生產產品壽命數據較為齊全，加速性又較好，通過摸底試驗能很快找出加速的規律性，并能很好地通過鑒定試驗及數據處理進行額定狀態下的估參評壽，但花費時間較長。

6 對新研制液壓泵的加速試驗方法的應用

對新研制的產品來講，往往研制周期短、壽命長而交付時間緊，其壽命數據又較少，該如何進行加速試驗，這是從生產實踐中提出的新問題。由于可靠性工程的發展遠快于可靠性科學的發展，國內對加速試驗的基礎性研究和應用研究尚不夠，致使符合國產液壓泵情況的壽命分布類型、加速模型、壽命特征值的統計分析等方法沒有形成規范，造成推廣加速試驗方法的困難。

在充分利用國外資料進行類比，使用合理工程假設的基礎上，結合液壓泵生產和使用經驗，進行了新研制產品加速試驗方法的探索，并期望在產品使用中不斷積累壽命數據，使方法更完善，確定的加速系數更合理。

現以某型液壓泵加速試驗為例進行說明，與某主機配套新研制的液壓泵失效模式與機理為磨損類型。根據與主機協商，采用加速試驗方法進行壽命試驗，加速應力選定為：轉速由2 070 r/min提高到2 580 r/min，加速百分比為125%；出口壓力由15.2 MPa提高到19 MPa，加速百分比為125%；進口油溫由45℃提高到55℃，加速百分比122%，加速系數為4.5，用1 000 h完成了4 500 h的壽命試驗考核。

該液壓泵的加速試驗步驟為：

①對液壓泵進行故障機理分析并提取綜合應力，初步編制液壓泵加速壽命試驗大綱、加速壽命試驗載荷譜，邀請行業內專家對加速壽命試驗大綱和加速壽命試驗載荷譜進行分析論證，并確定最終的加速壽命試驗載荷譜。

②根據加速壽命試驗大綱要求，抽取試驗子樣并按加速壽命試驗載荷譜進行加速試驗。

③跟蹤試驗過程，對每階段的試驗數據進行對比分析，密切關注液壓泵退化過程。加速試驗完成后分解液壓泵，對各零組件進行微分計量和無損探傷檢查。

④整理加速試驗數據和編寫液壓泵加速壽命試驗報告，形成試驗結論并提交會議評審，評審通過后即通過加速試驗完成該液壓泵的首翻期定壽試驗。

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