一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法

摘要

一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法，步骤如下：一：主机理分析；确定柱塞泵产品的薄弱环节及其对应的耗损型失效机理；二：加速寿命试验载荷谱确定；三：加速因子理论模型确定：根据步骤一中主机理分析结果，选择对应的加速因子模型；四：加速因子综合确定；基于成品厂给定的常规试验载荷谱和步骤二确定的加速寿命试验载荷谱带入加速因子模型中计算产品各薄弱环节的加速因子，最后根据加速因子取小原则综合确定产品的加速因子。本发明可直接应用于产品，通过计算主机理分析所得到的产品各薄弱环节的加速因子确定产品的加速因子，为产品层的加速寿命试验方法研究提供理论支撑，具有思路明确、可操作性强等优点。

说明书

技术领域

本发明提供一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法，特别是涉及不同耗损 型失效机理的加速因子计算模型与长寿命产品系统级加速因子的确定方法，属于寿命 分析技术领域。

背景技术

柱塞泵功能是将发动机机械能转化为液压能提供给液压系统，每套柱塞泵由传 动、轴尾密封、增压供油、变量调节、电磁卸荷和外壳密封、缓冲瓶、温度开关等八 个分系统组成。

柱塞泵属长寿命产品，工程中常通过加速寿命试验验证其寿命指标，但由于柱塞 泵价格高，不可能通过增大试验样本量来减少试验时间；同时柱塞泵工作过程作用应 力复杂，其失效是多个失效机理共同作用的结果，这使得柱塞泵的加速因子难以确定。 通过对现有技术的调研，国内外还没有关于基于理论计算模型确定柱塞泵加速因子方 面的研究。

发明内容

1、发明目的

本发明的目的在于针对现有技术所存在的问题，提供一种基于理论模型的柱塞泵 加速因子确定方法。它是利用柱塞泵主机理分析确定柱塞泵的薄弱环节及其对应的耗 损型失效机理，根据成品厂提供的常规实验载荷谱、柱塞泵的工作极限、试验台的加 载能力和国内外相关标准确定柱塞泵加速寿命试验载荷谱，针对不同的耗损型失效机 理选择对应的加速因子计算模型计算每个薄弱环节的加速因子，最后通过取小原则确 定柱塞泵产品的加速因子。该加速因子确定方法可为实现新一代装备产寿命技术要求 提供方法支撑。

2、技术方案

本发明一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：主机理分析。确定柱塞泵产品的薄弱环节及其对应的耗损型失效机理。 主机理分析根据给定的载荷谱或任务剖面，结合柱塞泵产品的组成、结构、原理，进 行故障模式、机理和影响分析(FMMEA,Failure Mode,Mechanisms and Effects  Analysis)，在FMMEA的基础上根据各机理对应的故障模式的严酷度及发生频度，综 合确定柱塞泵产品的薄弱环节及其对应的主机理。

步骤二：加速寿命试验载荷谱确定：基于产品主机理分析结果和成品厂给定的常 规实验载荷谱，结合产品工作极限与试验设备加载能力确定加速应力类型与范围，参 考国内外相关标准确定加速寿命试验载荷谱。

步骤三：加速因子理论模型确定：根据步骤一中主机理分析结果，选择对应的加 速因子理论模型。主要包括：

a.疲劳类机理。

疲劳加速因子理论模型如下式所示

$a=\frac{n_1{\left(P_1\tan \left({\beta }_1\right)\right)}^m}{n_2{\left(P_2\tan \left({\beta }_2\right)\right)}^m}---\left(1\right)$

其中，Q₁,Q₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口流量；

n₁,n₂—加速载荷和常规载荷的转速，r/min；

P₁,P₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口压力，MPa；

β₁,β₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷斜盘倾角，由流量决定，rad；

m—与材料有关的参数；

b.磨损类机理。

磨损加速因子理论模型如下式所示

$a=\frac{n_1{P_1\left(\tan \left({\beta }_1\right)\right)}^m}{n_2{P_2\left(\tan \left({\beta }_2\right)\right)}^m}---\left(3\right)$

其中，Q₁,Q₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口流量；

n₁,n₂—加速载荷和常规载荷的转速，r/min；

P₁,P₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口压力，MPa；

β₁,β₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷斜盘倾角，由流量决定，rad；

m—与材料有关的参数；

c.老化类机理。

老化加速因子理论模型如下公式所示：

$a={\left(\exp (-\frac{E}{R}(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}))\right)}^{(1/0.46)}---\left(5\right)$

其中：E——活化能/J*mol^-1；

R——气体常数8.314/(mol*k)^-1；

T₁,T₂——加速载荷和常规载荷老化反应温度/K。

步骤四：加速因子综合确定。基于成品厂给定的常规试验载荷谱和步骤二确定的 加速寿命试验载荷谱带入加速因子模型中计算产品各薄弱环节的加速因子，最后根据 加速因子取小原则综合确定产品的加速因子。

其中，步骤一中所述的“主机理”是指对产品寿命起关键作用的耗损型失效机理。

其中，步骤一中所述的“综合确定产品的薄弱环节及其对应的主机理”是以严酷 度大和发生频度高的故障模式对应的机理作为产品的主机理，主机理对应的最低约定 层次单元为产品的薄弱环节。

其中，步骤二中所述的“确定加速应力类型与范围”包括两方面内容。1)加速应 力类型确定：选择能够对耗损型失效机理寿命存在明显加速作用的应力类型作为加速 应力类型；2)加速应力范围确定：加速应力的大小应大于常规应力大小，小于产品的 工作极限和试验设备的加载能力。

其中，步骤四中所述的“加速因子综合确定”包括两方面内容。1)薄弱环节的 加速因子计算：把成品厂给定的常规试验载荷谱和步骤二确定的加速寿命试验载荷谱 带入加速因子模型中计算所有薄弱环节的加速因子。2)产品加速因子确定：针对所 有薄弱环节的加速因子，按照取小原则得到产品的加速因子。

3、优点及功效

本发明具有以下优点：

1)本发明一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法，可以通过计算主机理 分析所得到的产品各薄弱环节的加速因子确定产品的加速因子，为产品层的 加速寿命试验方法研究提供理论支撑。

2)本发明一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法提供了柱塞泵类产品中 的承力件、摩擦副与密封件对应的疲劳、磨损与老化加速因子计算模型，为 同类产品寿命分析提供了方法支撑。

3)本发明一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法可直接运用于工程实 践，为柱塞泵等长寿命产品的加速寿命验证试验提供输入，具有思路明确、 可操作性强等优点。

附图说明

图1是本发明确定方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种基于理论模型的柱塞泵加速因子确定方法，见图1所示，该方法具体 步骤如下：

步骤一：进行主机理分析，确定柱塞泵产品的薄弱环节及其对应的耗损型失效机 理。根据给定的载荷谱或任务剖面，结合柱塞泵产品的组成、结构、原理，进行故障 模式、机理和影响分析(FMMEA,Failure Mode,Mechanisms and Effects Analysis)，在 FMMEA的基础上根据各机理对应的故障模式的严酷度及发生频度，综合确定柱塞泵 产品的薄弱环节及其对应的耗损型失效机理。某柱塞泵主机理分析结果见下列表1：

表1某柱塞泵产品主机理分析结果

步骤二：加速寿命试验载荷谱确定：基于产品主机理分析结果和成品厂提供的常 规试验载荷谱，结合产品工作极限与试验设备加载能力确定加速应力类型与范围，参 考响应标准确定加速寿命试验载荷谱。

根据柱塞泵主机理分析结果，柱塞泵整机的组合敏感载荷为出口油压、油液温度、 转速和流量。在柱塞泵加速寿命试验中，其转速不能超过泵的极限转速，出口压力也 不能超过泵的极限油压。由GJB 2188A可知，液压泵当系统压力小于等于21MPa时， 液压泵能承受125％的额定出口压力，液压泵能够以115％的额定转速持续运行，可 以得到该柱塞泵的理论极限转速为4600r/min，极限出口油压为26.25MPa。跟据GJB 2188A和MIL-P-19692E的耐久性试验谱和成品厂给定的常规实验载荷谱(表2所示)， 确定柱塞泵的加速试验载荷谱如表3所示：

表2柱塞泵常规试验每阶段40h载荷谱

表3柱塞泵加速寿命试验每阶段40h载荷谱

步骤三：加速因子理论模型确定：根据步骤一中主机理分析结果，选择对应的加 速因子模型，计算产品各薄弱环节的加速因子。主要包括：

a.疲劳类机理。

疲劳加速因子理论模型如下式所示

$a=\frac{n_1{\left(P_1\tan \left({\beta }_1\right)\right)}^m}{n_2{\left(P_2\tan \left({\beta }_2\right)\right)}^m}---\left(1\right)$

其中，Q₁,Q₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口流量；

n₁,n₂—加速载荷和常规载荷的转速，r/min；

P₁,P₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口压力，MPa；

β₁,β₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷斜盘倾角，由流量决定，rad；

m—与材料有关的参数；产生疲劳的机理的材料为钢，则m＝6；

b.磨损类机理。

磨损加速因子理论模型如下式所示

$a=\frac{n_1{P_1\left(\tan \left({\beta }_1\right)\right)}^m}{n_2{P_2\left(\tan \left({\beta }_2\right)\right)}^m}---\left(3\right)$

其中，Q₁,Q₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口流量；

n₁,n₂—加速载荷和常规载荷的转速，r/min；

P₁,P₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷出口压力，MPa；

β₁,β₂—柱塞泵加速载荷和常规载荷斜盘倾角，由流量决定，rad；

m—与材料有关的参数，柱塞泵的磨损机理为磨粒磨损和疲劳磨损，m＝4；

c.老化类机理。

老化加速因子理论模型如下公式所示：

$a={\left(\exp (-\frac{E}{R}(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}))\right)}^{(1/0.46)}---\left(6\right)$

其中：E——活化能/J*mol^-1，材料的活化能，取E＝39800；

R——气体常数8.314/(mol*k)^-1；

T₁,T₂——加速载荷和常规载荷老化反应温度/K。

步骤四：加速因子综合确定。基于成品厂给定的常规试验载荷谱和步骤二确定的 加速寿命试验载荷谱带入加速因子模型中计算产品各薄弱环节的加速因子，最后根据 加速因子取小原则综合确定产品的加速因子。主要包括：

a.不同薄弱环节的加速因子计算。把成品厂给定的常规试验载荷谱(表2所示) 和步骤二确定的加速寿命试验载荷谱(表3所示)带入加速因子模型中计算所有薄弱环 节的加速因子。柱塞泵产品薄弱环节加速因子确定结果如表4所示：

表4柱塞泵薄弱环节加速因子计算结果

b.加速因子综合确定。针对所有薄弱环节的加速因子，按照取小原则得到产品 的加速因子。柱塞泵产品加速因子综合确定结果如表5所示：

表5柱塞泵产品加速因子综合确定结果