安全雙聯閥用先導電磁閥故障失效模式分析

張 文，李厚倫，楊春華

（1.金豐（中國）機械工業有限公司，浙江 寧波 315221；2.無錫市拓發自控設備有限公司，江蘇 無錫 214161）

氣動先導電磁閥（以下簡稱先導閥）是通過對直動電磁閥通、斷電的控制來切換電磁閥內部小氣流的流通方向，從而達到控制較大通徑氣動換向閥氣流方向改變的目的，其實質是用小功率電能的通斷來實現較大空氣壓縮能量流通方向的切換，并起到放大作用的一種氣-電邏輯功能部件。先導閥有多種結構形式，常見有提動式先導閥（濕式電磁鐵）和平衡式軸向截止先導閥（干式電磁鐵）。如圖1所示為無錫市拓發自控設備有限公司生產的K23JDa-2/1先導閥，屬提動式先導閥（濕式電磁鐵），主要用于K-AQSDFd□-L10、15、20、25 系列的安全雙聯電磁閥的先導控制。日本SMC生產VO317先導閥屬于平衡式軸向截止先導閥，用于K-AQSDFe□-L32、40、50安全雙聯電磁閥的先導控制。

根據國標GB27607-2011《機械壓力機安全技術要求》和最新國際標準ISO 16092-2-2018《機床安全壓力機第2部分:機械壓力機安全要求》的相關規定,安全雙聯閥是機械壓力重要的安全功能部件。而先導閥是安全雙聯閥核心部件，從以往相關故障統計來看先導閥故障占安全雙聯閥故障的70%，先導閥在共因故障條件下產生的危險故障占比55%，日本SMC生產的VO317（平衡式）電磁閥已經過相關安全認證及考評，本文不對其故障失效模式進行分析，對國內自制的K23JDa-2/1先導閥故障失效模式的分析對提高安全雙聯閥安全水平和可靠性很有必要。

1 K23JDa-2/1先導閥

1.1 結構

K23JDa-2/1（提動式）先導閥用于K-AQSDFd□-L10、15、20、25系列安全雙聯電磁閥，每臺 2件，其總體結構如圖2所示。

先導閥由先導閥體1、膠粘層3、先導復位彈簧4、先導動鐵芯5、先導編號6、線圈8、接線盒（2+GND）9、先導靜鐵芯 10、螺母 11、“O”形圈 2、墊圈7構成。其中二個“O”形圈2放入先導閥體1中，先導復位彈簧4套入先導動鐵芯5后，再套入先導靜鐵芯10內，將先導靜鐵芯10的下端外螺紋旋入先導閥體1內，注意確保先導動鐵芯的動作行程0.8±0.05mm。完成上述工作后進行必要的檢測，確保各處無內、外泄漏，無交流聲和其他缺陷后，按順序套入起導磁作用的墊圈7、線圈8并用螺母11鎖緊。完成總裝后（裝在安全雙聯閥并經各項出廠試驗合格）將接線盒（2+1GND）9插入線圈并固定。

1.2 要求

完成上述裝配的K23JDa-2/1先導閥應完成如下試驗后方能進入安全雙聯閥裝配：

（1）先導閥的吸引電壓應控制在0.75倍的公稱電壓（在20℃，進氣口IN的壓力為0MPa條件下）。

（2）先導閥在進氣口IN通入0.5MPa的壓縮空氣后，分別在通電和不通電條件下測得排氣口EX處的泄漏量應不大于10cm3/min。

（3）先導閥進氣口IN通入不小于1MPa的壓縮空氣（或高壓氮氣）測得排氣口EX處的泄漏量應不大于10cm3/min。

1.3 工作原理

K23JDa-2/1先導閥主要有兩個工作狀態：

（1）不通電狀態。線圈8不通電，壓縮空氣從先導閥進氣口IN進入后，因先導動鐵芯5在先導復位彈簧4的作用下封住先導閥體1的先導下閥口，空氣被阻斷，同時從先導閥的輸出口OUT來的壓縮空氣經先導動鐵芯5和先導靜鐵芯10之間的空隙，再經先導上閥口排出大氣。

（2）通電狀態。線圈8通電，先導動鐵芯5在電磁力的作用下克服先導復位彈簧4作用力而離開先導閥體1的先導下閥口，先導動鐵芯5向上位移直到封住先導上閥口，此時從進氣口IN進入的壓縮空氣經先導下閥口，從輸出口OUT流出。

1.4 關鍵零部件作用、要求及分析

（1）先導閥體1

先導閥體1如圖3所示，其關鍵尺寸為下閥口高度尺寸9±0.045、下閥口R0.15、下閥口最高端?2.2±0.050、下閥口粗糙度 Ra0.8、下閥口角度 30°,其中下閥口高度尺寸直接影響先導閥的行程，下閥口最高端?2.2±0.050影響先導閥安全耐壓，而下閥口粗糙度Ra0.8及下閥口角度30°直接影響先導閥的密封可靠性。

（2）先導復位彈簧4

先導復位彈簧4相關的技術要求如圖4所示，該零件是影響先導閥安全可靠性的關鍵零件，圖4中彈簧預壓力7.35N直接影響先導閥進氣口的密封性能（耐壓）和吸引電壓。

（3）先導動鐵芯5

先導動鐵芯5相關的技術要求如圖5所示，該零件是影響先導閥安全可靠性的關鍵零件，圖5中的總長33.1關聯先導閥的行程，先導上、下封塞的材質為耐高溫氟橡膠，圖6中e處的粗糙度0.8，橡膠硬度和其他品質將直接影響到本產品的安全可靠性，圖中的上封塞、下封塞是裝在先導動鐵芯體（導磁不銹鋼）的中央孔內其相關的技術要求及進廠驗收控制見圖5，由3M公司氟橡膠組成的下封塞直接影響先導閥的安全、壽命及可靠性。

（4）線圈8

與 K-AQSDFd□-L10、15、20、25 系列用安全雙聯電磁閥配套的K23JDa-2/1先導閥所用線圈8是意大利AMISCO生產的EVI 5S（M）13系列線圈，其主要功能是給線圈8通入一個符合規定要求的電流使其產生一個螺管電磁吸力，先導動鐵芯5克服先導復位彈簧4的作用力而動作換向，該線圈任何形式的失效均未產生過與安全相關的事故，其通過CE認證，證書見圖7。

（5）先導靜鐵芯10

先導靜鐵芯10是先導閥的一個重要功能部件（圖8），其主要作用是將線圈流過的電能磁化轉換成機械能，同時將相關的氣流根據需求限定在規定的范圍內，圖8中5.5±0.060關系到先導復位彈簧4密封力的大小，5.5走上偏差將使密封力下降，關聯到下閥口處的密封，如果失控將影響到與其配套的安全雙聯閥安全性能，5.5走下偏差將增加先導閥的吸引力，如果失控將使先導閥的打開時間增加，但不影響與其配套安全雙聯閥的安全性能。圖8中?12+0.110和φ12.1+0.110將影響先導動鐵芯動作靈敏度，如果尺寸走下偏差，則與動鐵芯5的間隙將減少，如果配合間隙失控將影響到與其配套安全雙聯閥安全性能；如果尺寸走上偏差，則影響到該先導閥工作時可靠性，如果失控不影響與其配套的安全雙聯閥安全性能。圖8中的6.2±0.075和31.2±0.050如果尺寸超差將直接影響到先導閥動作行程0.8±0.050的調整，但不影響與其配套的安全雙聯閥安全性能。

（6）接線盒（2+GND）9

接線盒（2+GND）9是先導閥的一個重要功能部件（見圖9），其主要是起供電連接的作用，根據經驗原則，選用OMAL公司CE自聲明的符合DIN43650（A）的接線盒。

2 風險分析

2.1 單個電磁閥工作時的風險分析

通過對K23JDa-2/1先導閥的要求、結構、工作原理、關鍵零部件作用分析后，根據國標GB/T16856.1-2008,ISO14121-1《機械安全 風險評價 第一部分：原則 》對單個電磁閥工作時可能產生風險進行分析，如表1所示。

由表1分析得到，安全雙聯閥用先導閥在正常工作狀態下沒有對人傷害的風險，但應注意如下事項：

表1 單個電磁閥工作時可能產生的風險分析

續表1

續表1

續表1

（1）在連續工作的條件下，因先導閥線圈內部匝間短路燒壞線圈產生高溫，如果與人接觸可能燙傷人，因此由此而產生的故障在維修時因注意對人體的保護，如增加從產生故障至人員接觸的時間，使燒壞線圈有足夠的散熱時間，確定專業人員維修，健全管理制度。

（2）當先導閥出故障后維修不當，可能使先導靜鐵芯在壓縮空氣的作用下從先導閥體中飛出對人傷害，提高產品加工精度，在產品使用說明書中作出相關規定，確定專業人員維修，健全管理制度。

（3）先導閥正常工作時產生噪聲小于80dB對，對人的健康不產生傷害，對先導閥因故障產生交流聲時將對人耳產生輕微的傷害，確保工作介質-壓縮空氣的清潔度，清除交流聲，確定專業人員保養設備，健全管理制度。

2.2 危險故障分析（共因故障CCF）

通過上述分析，單個先導閥的相關風險已得到控制，對先導閥裝在安全雙聯閥后關鍵零部件的失效，根據GB/T 16855.1-2018《機械安全 控制系統安全相關部件 第1部分：設計通則》表F1共因故障條件下（CCF）造成的后果及其控制進行分析，結果如表2所示。

通過上述表2對先導閥的關鍵零部件在共因故障（CCF）條件下的失效分析得到如下結果：

表2 共因故障（CCF）條件下造成后果及其控制分析

續表2

（1）兩個先導閥的閥口品質同時不良（最高處直徑?2.2偏大，閥口粗糙度大于Ra0.8）再疊加先導復位彈簧的復位力偏軟，當先導閥失電的瞬間因氣墊效應而使先導閥不能復位，從而造成安全雙聯閥不復位，使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（2）兩個先導閥體內有毛刺和異物，因異物同時破壞兩個先導閥的閥口密封或因毛刺同時軋住先導動鐵芯，從而造成安全雙聯閥不復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（3）兩個先導復位彈簧預壓力偏軟，再疊加先導閥的閥口品質同時不良，當先導閥失電的瞬間因氣墊效應而使先導閥不能復位，從而造成安全雙聯閥不復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（4）兩個先導復位彈簧同時斷裂，當先導閥失電后而使先導閥不能復位，從而造成安全雙聯閥不復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（5）兩個先導動鐵芯總長33.1偏長到一定的范圍，當先導閥失電后，先導閥不能很快將安全雙聯閥活塞控制室內的壓縮空氣釋放至大氣，從而造成安全雙聯閥不能很快復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（6）兩個先導動鐵芯的先導下封塞密封同時被破壞（如下封塞斷裂），或先導動鐵芯內的異物同時填在先導閥口上，先導動鐵芯上的毛刺同時被軋住，當先導閥失電后而使先導閥不能復位，從而造成安全雙聯閥不復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（7）兩個先導靜鐵芯的與先導復位彈簧預壓力相關尺寸5.5±0.06偏大至一定范圍，再疊加兩個先導復位彈簧預壓力同時偏軟，當先導閥失電的瞬間可能因氣墊效應而使先導閥不能復位，從而造成安全雙聯閥不復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（8）兩個先導靜鐵芯內有異物，掉落的異物同時填在先導閥口上，或兩個先導靜鐵芯內有毛剌并同時軋住先導動鐵芯，當先導閥失電后而使先導閥不能復位，從而造成安全雙聯閥不復位使壓力機連沖，可能產生人身傷害事故。

（9）先導電磁閥的線圈通、斷電將產生浪涌，因浪涌產生的過電壓、過電流，或因各種原因產生的靜電均可能對壓力機的安全控制系統產生電磁干擾，使壓力機失控產生連沖，可能產生人身傷害事故。

（10）接線盒(2+GND)接地線插頭接觸不良將不能規避因電磁線圈短路而造成的傷害和不能消除因靜電對壓力機的控制電路的干擾而使壓力機失控產生連沖，可能產生人身傷害事故。

因此，在制造、維修安全雙聯閥過程中，先導閥體的閥口品質和其關鍵尺寸控制、先導復位彈簧復位力的質量控制、各零部件內部的毛刺和飛邊的去除、重要橡膠密封件的品質的保證、線圈通、斷電產生浪涌的吸收、線圈可靠接地等因素，涉及原材料、機械加工工藝、熱處理以及相關的品質控制、檢查及記錄，這些將直接關聯到安全雙聯閥的安全水平。