凈水機高壓開關的故障分析

葉 敏 楊 鵬

（深圳安吉爾飲水產業集團有限公司 深圳 518108）

引言

目前，市場上的家用反滲透凈水機常用高壓開關控制制水，多為金屬膜片式高壓開關（圖1），其具有體積小、安裝方便、觸點通斷重復性好、不受電磁干擾影響等優點。作為控制凈水機運行的關鍵部件，在正常使用過程中，會發生電氣和機械故障從而導致凈水機無法正常服務。因此，需要對高壓開關的結構進行可靠性設計，通過故障分析找到失效原因，并采用ANSYS 仿真技術定位故障，優化產品技術參數和工藝要求。

圖1 金屬膜片式高壓開關

1 高壓開關的組成和工作原理

金屬膜片式高壓開關：主要元件為金屬膜片和電路連接觸點。當打開純水口純水端管路中的水壓降至設計低壓值時膜片由凸型突變為凹型，電路連接觸點接通，電控板給信號增壓泵啟動工作，機器開始制水；當純水端管路中的水壓高于設計高壓值時膜片由凹型突變為凸型，斷開電路連接觸點，電控板給信號增壓泵停止工作，機器停止制水。

這種工作模式的高壓開關，其設計高壓值和低壓值，是固定的，不可調整。因高壓值與低壓值之間的壓力差值小，或高低壓設計值偏低，會造成凈水機啟停故障頻發、用戶體驗差等問題。

2 故障分析

故障模式影響及危害性分析（簡稱FMECA 分析）是分析產品所有可能的故障模式及可能的影響，并按每個故障產生影響嚴重程度及發生概率予以分類的一種歸納分析方法[1]。經調研金屬膜片式高壓開關的工作環境、產品工況信息以及組成產品的所有元器件信息、工作力學特性對典型失效案例（表1）的故障件進行FMECA 分析（表2），得到高壓開關的全部失效模式。繼而針對關鍵元件進行應力剖面分析，深入其失效機理，獲得發生失效的原因。

表1 典型失效案例

表2 FMECA 分析

由表1 可以看出：高壓開關觸點接觸電阻過大、觸點絕緣電阻下降、電氣腔室進水、金屬膜簧片疲勞等因素是造成高壓開關無法給出準確信號的主要原因。接觸電阻增大和開關的絕緣性能降低為電氣故障模式，動作特性參數變化量超出規定和彈性元件疲勞斷裂為機械故障模式[2]。與失效模式相關的關鍵元件：觸點、金屬膜片和簧片。

2.1 電氣故障分析

高壓開關的電氣故障主要表現為接觸電阻增大和絕緣性能降低[3]，選取市場使用率較高的A、B 兩個品牌的開關（A 型號BLPS-YK-H：規格0.12/0.30±0.02 MPa；B 型號YK-25：規格0.12/0.30±0.05 MPa）進行失效分析。將市場退回故障高壓開關安裝于凈水機復現故障現象，并使用電阻儀測定接觸電阻與絕緣電阻，后拆解分析。

由表3 可見：故障高壓開關進行100 次通/斷后導通時接觸電阻波動大，拆解后可見觸點表面凹凸不平、觸點表面發黑、觸點表面有不導電多余物附著、電氣腔室進水腐蝕。

表3 故障高壓開關電氣性能分析

由表4 可見：正常高壓開關在100 次通/斷后導通時接觸電阻阻值波動小，接觸電阻均低于1 Ω，電路可正常導通。

表4 無故障高壓開關電氣性能分析

表5 兩種高壓開關0.30 MPa 水壓下測試結果

表6 兩種高壓開關0.55 MPa 水壓下測試結果

表7 兩種型號高壓開關0.70 MPa 水壓下壽命分析

2.2 定時截尾壽命試驗

通過模擬不同流量凈水機停機后高壓開關承受壓力值（凈水機停機時高壓開關承受壓力典型值：0.30 MPa（帶壓力桶的小流量凈水機）、0.55 MPa（不帶壓力桶的大流量凈水機，凈水流量≥1 L/min）、0.70 MPa（不帶壓力桶的大流量凈水機，凈水流量≥2 L/min））對兩種高壓開關進行循環水壓測試。

經循環水壓（頻率：2 s 升壓2 s 降壓）測試100 000 次，隨著試驗次數的增加，進水水壓越高高壓開關跳斷/導通壓差值越低（技術規格書要求：跳斷/導通壓差值≥0.15 MPa），直至壓差值接近零，高壓開關失效（本次試驗100 000 次，樣本失效數為0）。凈水機達到制水滿水時高壓開關斷開，因增壓泵是緩慢停止工作，會造成管路中水壓瞬間遠超高壓開關設計高水壓值，且用戶未取水時高壓開關一直處于高壓狀態，長時間保持狀態易造成開關內部關鍵元件加速失效。因此在對凈水機系統設計時應根據通量不同而選擇適用規格的高壓開關，若超設計高水壓值使用會縮短高壓開關的壽命。

注：壓差值=跳斷時壓力值-恢復導通時壓力值

2.3 機械故障分析

1）金屬膜片疲勞：跳斷與恢復時壓差值降低，動、靜觸點頻繁閉合/斷開；

2）簧片疲勞：金屬膜片恢復后，動、靜觸點無法閉合；

3）觸點磨損：連續動作，觸點表面破損。

2.3.1 金屬膜片疲勞分析

金屬膜片的外形為球殼型，球殼型隨壓力的改變，會發生失穩，產生突跳現象。目前，國內金屬片的原材料和加工方法大體相同，基本上是銅質和鐵質合金為基體，再加入錳鎳等金屬元素改變它自身的屈服強度。主要成分為：不銹鋼304、301，如06Cr19Ni10、12Cr17Ni7等材質。

1）工作原理分析

金屬片的簡圖如圖2所示。當壓力升高時，金屬片當彎曲到一定程度時（即上臨界撓度），金屬片達到不穩定狀態，突然從一個狀態跳轉到另外一個狀態（突跳），即金屬片的變形沿著C-A-B-E-F 方向進行；當壓力降低時，金屬片主動彎曲回彈，當彎曲到一定程度時（即下臨界撓度），金屬片達到不穩定狀態，突然從一個狀態跳到另一個狀態（回跳、恢復），即金屬片的變形沿著F-E-D-A-C 方向進行。金屬片頂點撓度與壓力關系如圖3，圖中，P 為壓力，P1、P2分別為突跳壓力和恢復壓力，y0為金屬片的撓度。

圖2 金屬片簡圖

圖3 金屬片繞度與壓力的關系圖

2）有限元分析

金屬膜片是高壓開關上的一個重要組成部分，高壓開關由于金屬膜片尺寸變形，導致壓力漂移失效。選取BLPS-YK-H 型的金屬膜片進行有限元屈曲分析，驗證其工作性能。膜片的尺寸為：Q=40 mm，H=0.85 mm，厚度為0.1 mm，其性能參數如表8。

表8 金屬膜片的材料參數

表9 金屬膜片承受水壓與金屬膜片最大應力、最大位移

由于不銹鋼301 缺少應變壽命參數，抗拉強度以及條件屈服強度的具體參數，本次分析采用workebench2021R 中結構剛參數進行分析，結構剛材料參數如圖4。

圖4 金屬膜片結構剛材料參數

選擇有限元分析軟件ANSYS 對金屬膜片進行分析，網格劃分共62 536 個節點、30 645 單元，得到有限元劃分模型如圖5所示。

圖5 金屬膜片有限元模型圖

模擬高壓開關在機器停機后承受水壓值0.30 MPa、0.55 MPa、0.70 MPa，分別作用在膜片上，產生應力并導致膜片發生位移。根據膜片的工作環境，假定其周邊豎直及切向方向的自由度、頂點切向和徑向方向自由度受約束，金屬膜片受不同應力分析結果如圖6所示。

圖6 金屬膜片受等效應力圖

由圖6 可知金屬膜片應力最大主要集中固定位置以及膜片相交的地方，即膜片邊緣處，也是失效風險最大的位置，且最大應力隨著進水水壓的增加而增加（0.7 MPa 下的最大應力是0.3 MPa 下的1.4 倍）。在循環往復一定次數后，應力大于金屬膜片的強度時會發生塑性變形，當金屬膜片發生塑性變形，尺寸發生變形時，其跳斷與恢復壓力也會發生變化。

2.3.2 簧片疲勞分析

BLPS-YK-H 型的簧片材料：C17450，其彈性模量為130 MPa，泊松比為0.3，密度為8 260 kg/m3，抗拉強度1 000 Mpa。尺寸測量如圖7。

圖7 簧片尺寸測量圖

1）工作原理分析

簧片是彈簧中的一種，由彈性高的金屬薄片制成，利用板片的彎曲變形而起到彈簧作用。簧片一共有三個狀態：①簧片初始自由位置為W0；②在溫控器安裝完畢后，簧片在動靜觸頭接觸力的作用下，發生變形，保持動靜觸頭正常接觸，相當于在簧片的上臂1 點作用力P1，產生撓度d，使簧片上臂處于水平位置W1（安裝位置）；③金屬膜片突跳對簧片產生推力P2，簧片的上臂被壓迫變形，簧片穩定在位置W2（工作位置）。此時，l 點的撓度為d1，具體如圖8所示。當金屬膜片回跳時，簧片依靠本身的彈性恢復到水平位置w1，使動靜觸頭接觸。

圖8 簧片簡介圖

2）有限元分析

簧片模型建立：因為簧片固定端孔部分、簧片推桿推動點等微小幾何部分對簧片的受力、應力影響很小，將其忽略，簡化其模型如圖9所示。簧片網格劃分：有限元節點數為15 360 個，單元格7 568 個。對于BLPS-YK-H 型的高壓開關，金屬膜片對簧片的位移約束為0.5 mm。

圖9 簧片有限元模型圖

根據簧片的工作環境，因金屬膜片在高壓開關內部彈跳時頂點位移由端面固定，故不同水壓條件下金屬膜片跳斷時簧片受應力基本一致，簧片受應力分析結果如圖10所示。

圖10 簧片受等效應力圖

簧片受到的最大應力為761.3 Mpa，小于簧片的抗拉強度1 000 Mpa，最大應力集中在彎曲段，說明簧片的是彎曲段最容易損壞。簧片彎曲斷裂是疲勞引起的，簧片有2 個工作狀態：保持動、靜觸點接觸的安裝位置和在推桿作用下動、靜觸點分離的工作位置。在產品的整個生命周期中簧片在安裝位置和工作位置，受到循環交變作用，易產生疲勞裂紋，最終斷裂失效。

3 結語

本文從典型失效模式中深入研究高壓開關的故障原因及失效機理，利用ANSYS 仿真應用快速定位高壓開關的故障位置，從設計、工藝、使用等方面提出提升凈水機高壓開關可靠性的措施：增大簧片在推桿作用點處的過渡圓角，減少應力集中導致開裂現象；制程應確保膜片和電氣腔室密封良好，防止腔室受潮加劇觸點腐蝕；金屬膜片疲勞壽命與承受應力大小成反比，降低金屬膜片承受的應力大小，即觸點彈跳后凈水機響應迅速立即停機（如機器有滿水沖洗功能，則廢水電磁閥立即全開，以降低純水端的壓力），可延長疲勞壽命。