摘 要：给出一种通过增加油液介质污染度作为加速应力的柱塞泵寿命评估方法。该方法首先分析了影响柱塞泵寿命的失效原因，其次给出了柱塞泵的磨损加速寿命试验方法，然后建立加速寿命模型，利用统计分析方法给出了柱塞泵的寿命计算方法。
关键词：柱塞泵；加速模型；污染度；寿命评估
1 引言
柱塞泵具有输出压力高、流量便于调节、结构紧凑等优点，被广泛应用在船舶、工程机械、矿山冶金机械等液压系统中[1]。作为动力源，其使用寿命对整个的液压系统影响重大。在柱塞泵设计过程中，无法有效的计算其使用寿命，柱塞泵寿命大多通过试验数据获得，传统的寿命试验具有实验周期长，费用高等问题[2]，因此需要探求一种简洁有效的柱塞泵寿命评估方法。
为了减少试验样本，缩短试验周期，文章3给出了一种将序贯寿命抽样试验与强化试验相结合的寿命试验方法；文章4给出了液压泵综合应力加速寿命试验方法。以上方法均能起一定的加速作用，但加速性受限制，试验设备复杂且费用高，不能得到较好的推广使用。因此，为了解决上述试验方法存在的不足，本文给出了一种以油液介质污染度作为加速应力的柱塞泵寿命试验方法，以评估柱塞泵使用寿命及其他可靠性指标。
该方法首先对柱塞泵的失效原因进行了分析，然后以油液污染度作为加速应力给出了柱塞泵加速寿命试验程序，最后建立寿命模型，利用统计方法给出了柱塞泵的寿命及其他可靠性指标的计算方法。该方法在柱塞泵寿命评估有一定的应用价值。
2 柱塞泵的失效形式
工程中，零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。在柱塞泵的使用过程中，由于摩擦副的过早磨损，使得摩擦副部件的寿命远远低于其他零件的寿命，使得摩擦副部件成了决定柱塞泵使用寿命的最关键部件[6]。文章5给出了柱塞泵故障主次因统计图，如图1所示。从图中可知柱塞泵的失效形式主要为磨损。.png)
图1 柱塞泵故障主次因统计图
在轴向柱塞泵中，摩擦发生在转子端面和分油盘之间、轴承之间、滑履与斜盘平面之间、柱塞与柱塞孔之间以及柱塞球头和滑履之间。柱塞泵摩擦副磨损的形式有粘着磨损和磨粒磨损，文章6中分析出多数摩擦副主要是磨粒磨损。磨损给柱塞泵会带来两种失效形式：一是性能衰降，因磨损造成柱塞泵间隙的增大，泄漏增加，导致容积效率及总效率下降，下降到一定程度，就意味着寿命的终止。二是突发性故障，指柱塞泵在非预料情况下突然损坏。
通过以上分析，柱塞泵的主要失效形式是磨损，其寿命考核应以磨损寿命为依据。
3 加速寿命试验方法
加速寿命试验即通过加大应力来缩短试验时间。加速寿命试验的类型很多，常用的有三类[2]：序进应力加速寿命试验（序加试验）、步进应力加速寿命试验（步加试验）和恒定应力加速寿命试验（恒加试验）。恒加试验方法操作简单，数据处理方法也较为成熟，因此本文选择恒加应力试验方法。
3.1选择加速应力
影响柱塞泵寿命的应力有温度、转速和油液污染。温度可能会导致柱塞泵失效机理的复杂化而不宜选取作为加速应力[4] ；柱塞泵为容积式泵，随着转速的提高，泵的填充效果会变差，因此转速也不适合作为加速应力。磨损是影响柱塞泵使用寿命的主要因素，油液的污染（固体颗粒物）加速了柱塞泵摩擦副的磨损，直接影响柱塞泵的寿命，固体颗粒物是液压系统中危害作用最大、最普遍的污染物[7]。因此可以选择油液的污染作为加速应力，只需要在液压油中添加固体颗粒物，配制不同浓度（颗粒数）的污染液，可以简化试验设备，节约试验成本。
3.2配制污染液
本实验将空气滤清器细试验粉尘（ACFTD）作为试验用颗粒。该粉尘的颗粒尺寸分布较固定，已被国际标准化组织确定为试验用的标准粉尘。在1mg/L AC粉的油液中，颗粒数统计如表1所示。参照表1数据，按1ml油液中所含直径大于10μm的颗粒数N进行污染度的划分，配制不同浓度的油液。
表1 1mg/L的AC粉油液中的颗粒数 [7]
.png)
3.3试验方法
①取应力水平数为，配制种污染度的油液，污染度等间隔取值，在应力水平下投入个样品；
②每组试验除污染度不同外，其它如转速、压力、温度、流量等都与正常使用环境保持一致；
③柱塞泵失效判据：当液压泵的流量下降到额定标准的85%以下，即认定为该泵失效，记录失效时间；
④使用定数截尾寿命试验方法，保证每一应力水平下至少有一半数量的样品失效。如有个样品在应力水平下试验，到有个样品失效时试验停止，则取得的定数截尾样本为
。
4 试验数据后处理
选定柱塞泵磨损寿命模型，对上述试验方法所测定数截尾寿命数据进行统计分析，建立加速模型，估算柱塞泵在正常应用环境的平均寿命。
4.1磨损寿命模型
常用的寿命分布有对数正态分布、指数分布、威布尔分布三种。因液压故障规律一般遵循“浴盆曲线”，在威布尔分布中，当、、时，分别对应于早期故障期、随机故障期、耗损故障期情况，所以威布尔分布得到广泛的应用。理论上，柱塞泵的磨损寿命服从威布尔分布，其中为形状参数，为特征寿命，表示有63%产品在之前失效。
4.2加速模型
因为油液污染颗粒浓度的平方与液压泵的磨损寿命成反比[1]，可以推测柱塞泵磨损寿命与油液颗粒浓度的关系为：
（1）.png)
式中 ——特征寿命；
——待定常数（根据文献1知计算值在2附近）；
——待定常数；
——油液浓度，1ml油液中含直径大于10的颗粒个数。
将（1）式两边取对数，得到柱塞泵加速模型的线性方程：
（2）.png)
其中， 、均为待定常数，。
4.3试验数据分析
4.3.1和的线性估计
在应力水平下，测得定数截尾试验数据为。采用最佳线性无偏估计方法可以求出下极值分布中两个参数的线性估计为：
（3）.png)
（4）
式中，、分别为位置参数和尺度参数，、为最佳线性无偏性系数，查阅“最佳线性无偏估计系数表”取值。
4.3.2的估计
由于威布尔分布的各应力水平下应相等，所以应该相等。然而由于试验具有随机性，造成不会完全相等。因此，考虑在的线性组合中寻找一个最小方差无偏估计来得到的无偏估计。
最小方差无偏估计为：
（5）.png)
式中为的方差系数，可查“可靠性试验用表”取值。
将经过修正可以得到的近似无偏估计：
（6）.png)
4.3.3加速方程的估计
根据威布尔寿命数据统计分析的假定，应力水平与特征寿命有如下加速模型：
,（7）
的最佳线性无偏估计为：
, （8）
式中 ，.png)
，
式中为方差系数，查阅“可靠性试验用表”取值。
4.3.4正常应力水平下的平均寿命估计
根据加速方程可得正常使用环境（应力水平）下柱塞泵寿命估计：
（9）.png)
进而可得柱塞泵正常使用环境下的威布尔分布平均寿命估计：
（10）.png)
式中为伽玛函数。
5 结束语
本文给出了一种以油液污染度为加速应力的柱塞泵加速寿命评估方法。确定了微粒磨损是柱塞泵失效的主要原因；将污染度作为加速应力的选择能够更容易建立磨损寿命加速模型，缩短试验周期，节约试验经费。给出了柱塞泵加速寿命的试验方法，并利用统计分析方法得出了柱塞泵平均寿命估计方法，对柱塞泵在设计过程中的寿命评估具有一定的实际价值。
参考文献
[1] 张红俊,熊光荣,苏明.液压传动[M].武汉:华中科技大学出版社,2009.
[2] 茆诗松,王玲玲.加速寿命试验[M].北京:科学出版社, 2000.
[3] 孙毅刚,许耀铭.液压泵可靠性序贯寿命强化试验方法研究[J].液压与气动, 1992(4):41-44.
[4] 王少萍,李沛琼.液压泵综合应力寿命试验方法研究[J].北京航空航天大学学报, 2000,26(1): 38- 40.
[5] 焦宏轶.离子注入技术提高液压柱塞泵关键零部件耐磨寿命研究[D].贵阳：贵州大学，2005.
[6] 唐令力,吕立功.轴向柱塞泵摩擦副磨损及改进探讨[J].运行与维修,2003(6):39-42.
[7] 龚烈航,液压系统污染控制[M].北京:国防工业出版社, 2010.
论文作者:刘义宏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/29
标签：寿命论文; 柱塞泵论文; 应力论文; 磨损论文; 出了论文; 试验方法论文; 方法论文; 《科学与技术》2019年19期论文;