液壓支架反沖洗濾芯可靠性試驗及研究

朱天濤，劉混舉

1 引言

據統計，液壓系統80%以上的故障是由液壓污染引起的，而過濾器濾芯在污染控制中起著及其關鍵的作用，只要濾芯失效，很容易引起液壓元件腐蝕、磨損、管路堵塞等各種問題，從而造成系統不能正常工作[1]，因此，進行濾芯可靠性的研究十分必要。對于礦用支架反沖洗濾芯，目前從未有專門的設備去檢測其質量，也從未評定過其可靠性，對其進行合適的可靠性試驗，構建恰當的可靠性數學模型，從而有效評定濾芯可靠性水平，指導其設計和制造，具有重要的理論和實踐意義。

由于反沖洗濾芯失效難以判別，首次開發礦用濾芯結構完整性試驗臺，以特定條件下濾芯的首次冒泡壓力為標準判斷其是否失效[2]，再結合煤炭企業實際生產和設備維護，進行定時間隔測試的截尾可靠性試驗[3]。在試驗數據分析和建模過程中，考慮工程上常用的威布爾分布[4]，同時提出不同失效模式對建模過程的影響，改進了其方法，最終成功構建了濾芯可靠性數學模型，有效評定了其可靠性水平，同時找出了設計制造缺陷，利于其改進生產。

2 可靠性試驗

可靠性試驗常指產品在貯存、工作條件下或模擬加速條件下進行的壽命試驗[5]。對于精度很高，修復難度大的濾芯來說，第一次失效顯現的規律特性代表了其壽命特征。因為反沖洗濾芯的失效不通過專門設備檢測難以發現，因此實時監測失效情況的傳統可靠性試驗難以進行，結合企業設備維護時間，設定間隔時間為1個月的定時截尾試驗。進行試驗是同種型號未使用過的50個反沖洗濾芯，為便于以后試驗數據以間隔時間分組，由統計學經驗公式[6]：

帶入n=50，得出k=7，即設定試驗時間為7個月。

2.1 反沖洗濾芯失效判定

濾芯的失效具有隱蔽性，很難通過肉眼或簡單方法鑒別，對于一般的濾芯，除了結構上的損壞，納污容量與其壽命關聯很大，當容納污染物達到一定程度，壓降會達到濾芯規定壓降，也代表著濾芯失效[7]，但對于反沖洗濾芯，由于具有反向沖洗污染物的功能，納污容量不能作為其壽命判斷的根據，結構性失效成為主要原因，在這種情況下，通過濾芯的結構完整性試驗可以有效判定濾芯是否失效。因為國內制造廠方并不能提供濾芯的規定冒泡壓力，此次可靠性試驗所用濾芯參照國外標準，按照其精度，材料及結構，規定冒泡壓力為1200Pa，根據工程經驗和濾芯性能試驗，當冒泡壓力低于規定的80%時，會明顯影響濾芯性能，即當濾芯結構完整性試驗首次出現連續氣泡的壓力值低于960Pa時，就判定濾芯失效。

2.1.1 結構完整性試驗原理

專門用于礦用反沖洗濾芯的結構完整性試驗臺并不存在，但可以借鑒用于燃油過濾濾芯的實驗臺進行改進和開發，使得實驗臺符合反沖洗濾芯的大小，材料等條件，其試驗原理，如圖1所示。氣源處是由空壓機提供的壓縮空氣，管路中設置了各種氣動元件，以調節流量，壓力，并保持氣體的清潔，被測濾芯浸沒在特定的試驗液體中，控制裝置可以控制濾芯的升降便于裝卸，同時也可以使濾芯繞軸線旋轉以觀測冒泡點的準確位置。當氣體以較小的壓力注入濾芯時，由于試驗液體的張力作用，氣體不會從液面逸出，即沒有冒泡；逐漸調節壓力，當達到一定壓力時，氣體壓力大過液體的張力，就會出現冒泡現象。由于液體的張力與孔徑的大小成反比，所以首次出現穩定氣泡的位置就是濾芯的最大孔徑位置，如果冒泡壓力與規定壓力相差較大，就說明濾芯的結構受到損壞。

圖1 結構完整性試驗原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Structural Integrity Test

2.1.2 結構完整性試驗步驟

（1）放置濾芯，浸泡足夠時間后調整液面至規定高度。

（2）控制濾芯繞主軸緩慢旋轉，同時通入氣體，緩慢調整壓力，壓力每增加100Pa，濾芯至少旋轉360°。

（3）逐漸增加壓力，直到首次出現連續穩定冒泡現象，記錄此時壓力值，冒泡位置及試驗液溫度。

（4）釋放氣壓，再重復試驗兩次，共記錄三次數據。

2.2 可靠性試驗記錄

表1 可靠性試驗記錄表Tab.1 Record List of Reliability Test

以試驗的50個新濾芯正式投入生產之日算起，每隔一個月進行全部的結構完整性檢測以判斷其是否失效，若有失效的濾芯，則不再使用和檢測，一共檢測7次，在每次進行檢測時，填寫可靠性試驗記錄表，如表1所示。在與規定冒泡壓力進行對比時，要使用三次試驗的最小值，通過記錄和整理，結合濾芯的失效判定試驗和實際生產過程，得到可靠性試驗的數據。

3 可靠性數學模型構建

在機械可靠性工程數學模型的構建時，常常運用威布爾分布，因為此分布可以很好地顯示出機械疲勞，磨損，腐蝕等失效形式的規律，但事實上，威布爾分布的前提是假定機械零件的各種失效方式都有著相同的失效函數，這對于失效模式狀況不同的機械產品來說，存在著較大的誤差。對于反沖洗濾芯，它的結構性失效主要表現在濾材、接縫和端蓋，這里面每種失效模式的失效機理并不是明顯相同的。因此，考慮對每種模式所造成的失效進行分別的統計和模型構建，最后根據失效模式間的相關性確定整體的可靠性模型，將接縫失效的模式稱為模式一，濾材為模式二，端蓋為模式三，這樣分別對統計的數據進行分析和整理。

3.1 數據的初步整理

對定時截尾的可靠性試驗的數據畫出記錄圖，如圖2所示。因為這次試驗是運用間隔時間觀測的方法進行的，所以無法準確標定每個樣本失效的具體時間，因此以試驗時間為橫坐標，失效個數為縱坐標，對傳統的截尾試驗示意圖進行合適的改變。

圖2 可靠性試驗記錄圖Fig.2 Record Chart of Reliability Test

通過記錄圖可以清楚地得到每種失效模式在每個時間段引起濾芯失效的個數，在其中取符合條件的隨機點，可以近似得到每種失效模式導致濾芯失效的累計失效概率分布，當然，也可以得到其近似的失效概率密度函數圖，如圖3所示。因為端蓋失效只在第5個月時才發生一次，以后也沒有再發生過，因此判斷為偶然失效，不進行分析和建模。

圖3 失效概率密度函數圖Fig.3 Failure Probability Density Function

3.2 失效分布函數的確定

雖然在考慮到失效模式差別比較大時，放棄了對濾芯整體運用威布爾分布建立模型，但對于每個失效模式本身，可以作為一個單元假定其服從威布爾分布進行建模，這符合威布爾分布的推理過程，因此，設兩種失效模式其概率密度函數都服從兩參數威布爾分布，其公式為[8]：

式中：m—威布爾分布的形狀參數；η—尺度參數；t—時間，月。

由于進行的是定時間隔測試的截尾試驗，因此，如果試驗樣本數為 n，在時間 t1，t2，t3，…，tk進行觀測，至 tk時停止試驗，具體失效時間落入時間間隔（ti-1，ti）的樣本個數為ri（i=1，2，…，k），那么ri個濾芯在時間間隔（ti-1，ti）內失效的概率為：

n-r個濾芯到tk時間未失效的概率為：

那么似然函數：

式中：C—常數。

對上式取對數并求導得到似然方程：

由于此次可靠性試驗用的是等時間間隔的觀測，因此t1=h，t2=2h，…，tk=t7=7h，其中h為間隔時間，即h=1，單位是月。由可靠性試驗記錄圖可知，對于模式一影響的失效來說，r1=5，r2=4，…，對于模式二影響的失效來說r1=0，r2=0，r3=1，…r7=5。

運用數值分析的方法解出似然方程，帶入h和r后分別得到模式一和模式二威布爾分布失效概率密度函數的m，η極大似然估計值。求得：

對于并沒有明顯的相關性的失效模式，而且其中任意一種失效都會導致濾材的失效時，其總分布的累計失效分布函數為：

帶入數值，可以得出，模式一，模式二以及濾芯總累計失效分布函數為：

3.3 失效分布函數的擬合檢驗

在進行擬合檢驗的時候，因為沒有確切的數值，只能在規定的范圍內任取幾個隨機數，進行近似的擬合，假定檢測時恰好發生本間隔時間內最后一個失效，這樣可以確定七個確切的坐標，在origin軟件中，分別對模式一累積失效分布函數，模式二累計失效分布函數，濾芯總的累計失效分布函數進行擬合檢驗，如圖4所示。

圖4 擬合檢驗圖Fig.4 Fitting Test Chart

擬合檢驗用的是origin中非線性擬合的功能，對兩個失效模式的函數，設定參數P1，P2分別為η和m，對于總失效函數設定比例系數P1，將求取的值分別作為初始值帶入，進行卡方檢驗和多次擬合運算，最后得到卡方檢驗接受函數的假設，多次擬合得出的最佳值與計算值差距在5%以內，擬合度很高，這表明所求分布失效函數是可以接受的。

4 可靠性分析和討論

由可靠性試驗數據得出其數學模型，并經過擬合檢驗確定其可以接受，進而在企業中進行同種型號反沖洗濾芯的抽樣檢測，表明其失效情況大致符合模型，這說明進行的建模是可靠的，因此，根據數學模型對此種反沖洗濾芯進行可靠性的分析和討論。根據濾芯總失效累計分布函數可以得到，當其使用半年時，可靠度為0.5，到廠家標稱的使用壽命三年時，其可靠度已幾乎為0，這表明此種濾芯的可靠性水平很差，需要慎重選用。由濾材失效分布函數可知，其m值為3.36，處于3和4之間，根據威布爾分布的性質可以知道，此時分布近似于正態分布，正態分布一般用于顯現由累計的各微小隨機因素共同導致的失效，如機械產品的磨損，腐蝕等，這表示制造及偶然因素對濾材的失效影響不大。此濾芯在短時間內濾材失效率很低，但過了初始期后，失效情況迅速增多，說明其所用材料和乳化液介質和井下環境相容性不是很好，只有在前期才能比較好地經受住環境的應力，可以推斷其所用不銹鋼和濾紙等有一定的質量缺陷。對于接縫失效，其m值為0.8，小于1，說明其失效率是逐漸降低的，這表示接縫在使用前期失效率很高，很明顯有著重大的制造缺陷，其膠接或焊接工藝需要進行改進。

5 結論

（1）開發的礦用反沖洗濾芯結構完整性試驗臺運行良好，其檢測結果經過多通試驗以及實際使用情況驗證，能夠準確判斷濾芯的失效情況，可以作為反沖洗濾芯失效檢測設備。（2）由濾芯總的失效可靠度分布函數可以確定，所選的這種型號濾芯可靠性水平很差，遠遠達不到其規定的要求，但此濾芯在煤礦企業的使用非常廣泛，這種情況應該得到重視，最好形成煤礦企業倒逼制造商進行產品升級和可靠性建設的機制。（3）濾芯結構性失效兩大原因，接縫失效和濾材失效，其失效分布函數分別近似服從m值小于1的Weibull分布和正態分布，表明分別是制造工藝和材料不良引起的失效，其中接縫處的焊接工藝不合格是濾芯失效的主要原因，應該重點加以改進。此次關于礦用反沖洗濾芯可靠性的試驗與研究對以后濾芯的可靠性試驗，可靠性建模，可靠性評價，可靠性提升等有一定數據和方法上的借鑒意義。