液压柱塞泵加速寿命试验方法浅谈

常真卫　彭秀英

摘 要：随着工程液压技术的发展，主机对液压柱塞泵（以下称液压泵）的寿命要求越来越长，可靠性越来越高。针对液压泵要求若采用传统的试验方法进行试验，需耗费大量的试验时间和经费，更无法满足装备的研制进度要求。采用加速寿命试验（以下称加速试验）能够使液压泵试验时间比正常应力下试验时间大大缩短，并大幅降低研制成本，满足主机研制进度要求。因而，研究和应用加速试验方法具有十分重要的现实意义。

关键词：液压柱塞泵；加速寿命；试验方法

中图分类号：TH137.51 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）18-0120-02

随着工程液压技术的发展，主机对液压柱塞泵（以下称液压泵）的寿命要求越来越长，可靠性越来越高。针对液压泵要求若采用传统的试验方法进行试验，需耗费大量的试验时间和经费，更无法满足装备的研制进度要求。采用加速寿命试验（加速试验）能够使液压泵试验时间比正常应力下试验时间大大缩短，并大幅降低研制成本，满足主机研制进度要求。因而，研究和应用加速试验方法具有十分重要的现实意义。目前，国内外对电子产品的加速试验方法研究已很成熟，并建立了相应的技术标准，而机械产品由于结构的复杂性，承载的多变性，工况的多样性，至今机械产品的加速试验方法已制定成标准的不多。因此有针对性地开展液压泵加速试验方法研究及应用十分有必要。

1 加速试验的总要求

加速寿命试验又称加速等效试验。美国罗姆航空中心首次给出了加速试验的统一定义，即加速试验是在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的寿命信息进行转换，得到试件在额定应力水平下寿命特征可复现的数值估计的一种试验方法。

加速试验一般可概括为：在不改变故障模式和失效机理的条件下，用加大应力的方法加速产品失效的进程，并运用失效分布函数和加速模型（或退化参数分布规律），在短时间内取得必要的参数（估参），再推算到正常应力下产品的寿命特征值（称为定寿）的一种可靠性试验方法。

加速试验不仅可以对产品的可靠性进行评价，并可通过质量反馈来提高产品的可靠性水平，还可用于可靠性筛选、确定产品的安全余量等。故加速试验可以应用于产品的验收、鉴定、出厂分类、维修检验等多方面。

一个完整的加速试验应掌握产品的如下信息：故障模式与机理，加速应力与使用范围，失效分布函数与加速模型，加速与额定状态下的寿命特征值转换。其难点是建立加速模型与两者寿命特征值转换的统计方法。针对具体液压泵和加速应力的加速模型需要通过专门的应用基础研究才能得出，或通过类比借用有关资料的加速模型。

2 加速试验应满足的基本条件

①加速试验出现的故障模式及机理应与额定应力作用下的相一致。

②存在规律的加速性。

③加速与额定状态下的寿命分布与损伤退化量应具有同一性或相似规律性。

该基本条件说明加速试验时间只要持续到某一退化特征值并能找出衰退规律性即可，未必一定要做到产品失效。实际应用上存在的问题是对于某些类型液压泵其加速性不好，需要花较长的试验时间，才能得出可描述的损伤退化规律性。

3 液压泵的寿命分析

液压泵是一个小型精密机械摩擦学系统。影响液压泵（马达）寿命的主要因素是结构件的疲劳强度和运动副的摩擦磨损，特别是后者。运动副有泵内使用的各种轴承副、柱塞与转子运动副、转子与配油盘运动副、柱塞与耐磨片运动副、阀芯与阀套运动副。

关于轴承的疲劳寿命：根据泵的结构要求，对轴承进行初步寿命估算，不考虑温度、机加误差导致附加的侧向力、高速工作的跳动、冲击等因素影响，单纯考虑轴承受到径向或轴向当量动载荷，泵内使用的轴承寿命通常在8 000～90 00 h。如考虑到温度、变形、侧向力等因素的影响，需对轴承计算寿命进行进一步的修正，修正后的数据表明泵内轴承的寿命约在5 000～7 000 h级别。

要解决轴承寿命问题，需选用高寿命轴承并利用轴承专业技术优势，联合开展液压泵轴承优化工作。使轴承寿命可以满足主机指标要求。

通过对泵内几对运动副进行运动计算，利用相关软件工具进行必要的实体建模和运动分析。得出较为准确的运动关系和运动参数，从而能使各摩擦副、运动副比压、比速、比功的设计更为合理，提高可靠性。

目前，国产液压泵的磨损寿命远低于疲劳寿命，泵内关键摩擦副的过量磨损制约着泵的寿命。泵内摩擦副的摩擦磨损是十分复杂的现象，但磨损具有阶段性，在摩擦副磨合后的稳定磨损阶段（即磨损浴盆曲线的平直线段）具有一定得规律性。在工程应用范围内，磨损速度表示为r=kpmVn（其中r为磨损速度；k为一定工况下的耐磨系数；p、V为摩擦面上的压力与相对线速度；m为系数1～3；n为系数，一般=1）。因而加大泵的出口压力和转速会加速磨损，降低泵的寿命，从而说明磨损寿命与加速应力存在着逆冪律关系。泵内加速磨损的应力还有温度、污染度、工作频率等工况条件。

4 可利用的合理工程假设

在制定加速试验方法时要遇到液压泵的失效模式和机理、寿命分布、磨损、疲劳、老化等问题，可充分利用合理工程假设：

①液压泵的寿命服从于威布尔（Weibull）分布。根据可靠性理论，凡是因某一局部失效或故障而导致全局机能停止运行的元件、系统的寿命服从Weibull分布，液压泵属于这一类元件。

②国产液压泵的失效模式和机理为磨损类型，原因是，国产液压泵的磨损寿命远低于疲劳寿命，关键摩擦副的磨损制约着泵的寿命；根据相似原理，相同结构、相同材料、相同功能的元件在正常工作的条件下具有相同失效机理。

③在低于50℃条件下，不考虑密封件的老化过程。

④在低于200℃时，温度对钢制件的疲劳强度的影响不明显，而不予考虑等。

5 对批生产产品的加速试验方法应用

进行加速试验的程序设计为：泵的失效模式分析—失效机理类型—加速模型类型—加速应力及水平选择—加速试验方案制定—摸底试验—辅助试验—鉴定试验—数据处理，估参评寿。

由于批生产产品寿命数据较为齐全，加速性又较好，通过摸底试验能很快找出加速的规律性，并能很好地通过鉴定试验及数据处理进行额定状态下的估参评寿，但花费时间较长。

6 对新研制液压泵的加速试验方法的应用

对新研制的产品来讲，往往研制周期短、寿命长而交付时间紧，其寿命数据又较少，该如何进行加速试验，这是从生产实践中提出的新问题。由于可靠性工程的发展远快于可靠性科学的发展，国内对加速试验的基础性研究和应用研究尚不够，致使符合国产液压泵情况的寿命分布类型、加速模型、寿命特征值的统计分析等方法没有形成规范，造成推广加速试验方法的困难。

在充分利用国外资料进行类比，使用合理工程假设的基础上，结合液压泵生产和使用经验，进行了新研制产品加速试验方法的探索，并期望在产品使用中不断积累寿命数据，使方法更完善，确定的加速系数更合理。

现以某型液压泵加速试验为例进行说明，与某主机配套新研制的液压泵失效模式与机理为磨损类型。根据与主机协商，采用加速试验方法进行寿命试验，加速应力选定为：转速由2 070 r/min提高到2 580 r/min，加速百分比为125%；出口压力由15.2 MPa提高到19 MPa，加速百分比为125%；进口油温由45℃提高到55℃，加速百分比122%，加速系数为4.5，用1 000 h完成了4 500 h的寿命试验考核。

该液压泵的加速试验步骤为：

①对液压泵进行故障机理分析并提取综合应力，初步编制液压泵加速寿命试验大纲、加速寿命试验载荷谱，邀请行业内专家对加速寿命试验大纲和加速寿命试验载荷谱进行分析论证，并确定最终的加速寿命试验载荷谱。

②根据加速寿命试验大纲要求，抽取试验子样并按加速寿命试验载荷谱进行加速试验。

③跟踪试验过程，对每阶段的试验数据进行对比分析，密切关注液压泵退化过程。加速试验完成后分解液压泵，对各零组件进行微分计量和无损探伤检查。

④整理加速试验数据和编写液压泵加速寿命试验报告，形成试验结论并提交会议评审，评审通过后即通过加速试验完成该液压泵的首翻期定寿试验。

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