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機械壓力機用安全雙聯(lián)閥失效分析與改進

文檔作者：陳培麗文檔來源：山東英才學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月27日
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文章編號：1672—0121(2013)06—0059—04
機械壓力機用安全雙聯(lián)閥失效分析與改進
陳培麗
(山東英才學院，山東濟南250104)
摘要：通過對機械壓力機用安全雙聯(lián)閥的一種失效模式的解析，得到安全雙聯(lián)閥安全性能的保證取決于
產(chǎn)品安全可靠設(shè)計和嚴格的管理。為全面貫徹GB27607—2012機械壓力機安全技術(shù)要求，安全雙聯(lián)閥的設(shè)計
應(yīng)采用冗余技術(shù)，著重關(guān)注CCF(共因故障)失效對安全雙聯(lián)閥的影響。
關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；安全雙聯(lián)閥；失效分析；冗余技術(shù)；CCF(共因故障)
中圖分類號：TG315．5 文獻標識碼：A
1 失效原因分析
安全雙聯(lián)閥是機械壓力機上控制滑塊運動的關(guān)
鍵安全功能部件。某類安全雙聯(lián)閥在機械壓力機上
長期連續(xù)運行工作后出現(xiàn)安全雙聯(lián)閥兩個線圈失電
后主閥不換向，輸出口壓力不下降而造成壓力機滑
塊繼續(xù)動作，導致滑塊運動失控、出現(xiàn)連沖現(xiàn)象。
上述失效均產(chǎn)生于機械壓力機連續(xù)工作一段時
間后(3～6個月)需要停止滑塊運動、機械壓力機控
制系統(tǒng)發(fā)出停止信號后，因安全雙聯(lián)閥故障而沒有
復位動作， 使機械壓力機的離合一制動器內(nèi)的壓力
沒有消失造成滑塊運動無法停止的故障。該故障易
導致人身傷害事故，如在手動送料狀態(tài)下工作，該類
故障將導致機械壓力機失控、產(chǎn)生人身傷害事故。
將上述故障的安全雙聯(lián)閥進行解剖分析，證實
故障主要是安全雙聯(lián)閥的兩個先導電磁閥在其線圈
失電后同時不復位(不換向)而造成。
1．1 安全雙聯(lián)閥的先導電磁閥結(jié)構(gòu)
如圖1所示，該先導電磁閥由螺母1、線圈組件
2、先導動鐵芯組件3、先導靜鐵芯組件4、先導復位
彈簧5和先導閥體6構(gòu)成。先導復位彈簧5套在先
導動鐵芯組件3上后裝入先導靜鐵芯組件4內(nèi)，然
后將其旋入先導閥體6上構(gòu)成先導閥芯總成，將線
圈組件2套人先導閥芯總成并用螺母1壓緊。先導
電磁閥的進氣口IN與安全的雙聯(lián)閥進氣口相連，輸
出口OUT與安全雙聯(lián)閥的主閥的控制活塞的活塞
控制室相連，而排氣口EXIT單獨與大氣相聯(lián)。
1．2 安全雙聯(lián)閥的先導電磁閥工作原理
如圖2所示為先導電磁閥的線圈組件失電狀態(tài)
收稿日期：2013—05—26
作者簡介：陳培麗(1963一)，女，工程師，從事機械專業(yè)教研
EXIT
IN OUT IN OUT
圖1 先導電磁閥結(jié)構(gòu) 圖2 線圈組件失電
時、先導控制氣源被由先導復位彈簧5作用的先導
動鐵芯組件3封住， 即先導電磁閥的IN—OUT通道
關(guān)閉， 同時先導電磁閥的OUT—EXIT通道打開、與
安全雙聯(lián)閥的主閥的控制活塞的活塞控制室內(nèi)壓縮
空氣經(jīng)排氣口EXIT排出大氣。
如圖3所示為先導電磁閥的線圈組件得電、產(chǎn)
生電磁力， 先導動鐵芯組件3在電磁力的作用下克
服先導復位彈簧5的彈簧力而上移、打開先導電磁
閥的IN—OUT通道， 同時關(guān)閉先導電磁閥的OUT—
EXIT通道，安全雙聯(lián)閥的先導控制氣源經(jīng)先導電磁
EXIT
IN 0UT
圖3 線圈組件加電
閥的進氣口IN和輸出口OUT流人與安全雙聯(lián)閥的
主閥的控制活塞的活塞控制室、驅(qū)動與安全雙聯(lián)閥
中相對應(yīng)的主閥。
1．3 失效成因分析
通過對安全雙聯(lián)閥的先導電磁閥工作原理的分
析，明確了先導電磁閥在其線圈失電后同時不復位
(不換向)與螺母1和線圈組件2無關(guān)，而與構(gòu)成先
導電磁閥閥芯總成的先導動鐵芯組件3、先導靜鐵
芯組件4、先導復位彈簧5和先導閥體6有關(guān)。失效
主要原因是套在先導動鐵芯組件3上的先導復位彈
簧5的彈簧力小于其他各種阻力而無法使先導動鐵
芯組件3向下運動、關(guān)閉先導電磁閥的IN—OUT通
道。
上述其他各種阻力包括： 由于電磁感應(yīng)在先導
動鐵芯組件3、先導靜鐵芯組件4間造成的剩磁力，
由于高粘度潤滑介質(zhì)在先導動鐵芯組件3、先導靜
鐵芯組件4的滑動副間的粘著阻力，其他異物進入
在先導動鐵芯組件3、先導靜鐵芯組件4的滑動副
間形成的復位阻力， 由于先導動鐵芯組件3通氣流
道太小而形成的氣墊力以及先導動鐵芯組件3、先
導靜鐵芯組件4間由于密封所需的面積差形成的背
壓力，它們可單獨作用在先導動鐵芯組件3上與先
導復位彈簧5的彈簧力相平衡，也可多個力組合在
一起與先導復位彈簧5的彈簧力相平衡，從而使先
導動鐵芯組件3在線圈組件2失電后不復位。
先導動鐵芯組件3、先導靜鐵芯組件4中的先
導靜鐵芯為高性能導磁低碳易切不透鋼1JN，其磁
滯回線很小，而且產(chǎn)生上述線圈失電后先導電磁閥
的先導動鐵芯組件3不復位(不換向)故障其線圈所
用工作電源為交流，因此先導電磁閥在上述工作狀
態(tài)下產(chǎn)生的剩磁力相對先導復位彈簧產(chǎn)生的彈簧力
可忽略，將已產(chǎn)生故障的先導電磁閥在不通壓縮空
氣的條件下其換向仍正常即可證明；剩磁力與線圈
失電后先導電磁閥的先導動鐵芯組件3不復位無
關(guān)。
圖4為先導電磁閥閥芯總成中的先導動鐵芯組
件3、先導靜鐵芯組件4橫截面圖，先導動鐵芯組件
為
件
3、
通
介
動
芯
位
4
圖4 橫截面圖
阻力，同時由于加大了先導動鐵芯組件3通氣流道，
消除了由于先導動鐵芯組件3通氣流道太小而形成
的氣墊力。
綜上分析所得，除先導動鐵芯組件3、先導靜鐵
芯組件4間由于密封所需的面積差形成的背壓力
外，其余剩磁力、粘著阻力、復位阻力和氣墊力相對
先導復位彈簧5產(chǎn)生的彈簧力可忽略， 因此它們與
線圈失電后先導電磁閥的先導動鐵芯組件3不復位
也無太大關(guān)系。同樣也可說明上述故障與先導閥體
6無關(guān)，與先導動鐵芯組件3、先導靜鐵芯組件4、先
導復位彈簧5有關(guān)。
如圖5所示，先導動鐵芯組件3分別由先導上
封塞7、先導內(nèi)彈簧8、內(nèi)支撐9、先導動鐵芯體10、
先導下封塞11及銷釘12構(gòu)成。其中先導上封塞7
和先導下封塞1 1是用氫化丁腈橡膠， 硬度為邵爾
80。，耐溫為120℃ ，起到為先導電磁閥進氣口IN和
排氣口EXIT切換密封作用。先導內(nèi)彈簧8為高性
能不銹鋼0Crl 8NigTi構(gòu)成，其主要作用是柔性支撐
先導上封塞7。內(nèi)支撐9由硬鋁LY12構(gòu)成，其主要
作用為預防先導上封塞7在排氣時的作用下脫位而
失效。先導動鐵芯體10由古．1生能導磁低碳易切不透
鋼1JN構(gòu)成，其作用是將先導電磁閥中線圈組件2
中的電一磁能轉(zhuǎn)換成動能，使先導動鐵芯組件3上下
運動。銷釘12由高彈性黃銅H62構(gòu)成，其作用是固
定先導下封塞11，使先導上封塞7、先導內(nèi)彈簧8、
內(nèi)支撐9和先導下封塞1 1保持相對穩(wěn)定的位置關(guān)
系。
7 8 9 】O 11 12
圖5 組件結(jié)構(gòu)示意圖
圖6a是線圈失電后仍能正常復位的先導動鐵
芯組件3頂端照片，圖6b是線圈失電后不復位的先
(b)
圖6 組件3頂端照片對比圖
導動鐵芯組件3頂端照片。兩張照片的中央黑色的
零件為先導上封塞7。圖6b中的先導上封塞7與先
導靜鐵芯接觸處沒有發(fā)生明顯的永久壓縮變形，而
圖6a中先導上封塞與先導靜鐵芯接觸處已經(jīng)產(chǎn)生
明顯的永久壓縮變形， 而且拆檢產(chǎn)生明顯永久壓縮
變形的先導上封塞7已經(jīng)失去彈性。當更換新的先
導上封塞7后，在線圈失電后先導電磁閥的先導動
鐵芯組件3能正常復位— — 故障排除。另外在不更
換已產(chǎn)生明顯永久壓縮變形先導上封塞7的條件下
更換剛度較硬的先導復位彈簧5后， 當線圈失電后
先導電磁閥的先導動鐵芯組件3同樣也能正常復
位— — 故障排除。因此，上述故障與先導上封塞7和
先導復位彈簧5有著密切的關(guān)系。
圖7a為線圈組件2經(jīng)長久通電后未產(chǎn)生永久
壓縮變形的先導上封塞7的狀態(tài)，圖7b為線圈組件
2經(jīng)過長久通電后產(chǎn)生永久壓縮變形的先導上封塞
7的狀態(tài)。如安全雙聯(lián)閥的進氣工作壓力 =
0．5MPa，則圖7a中先導動鐵芯組件3所受的背壓力
(單位N)。
(a) (b)
罔7 先導上封塞7狀態(tài)對比圖
v==PlxS 0．5x3．8 x3．14x98／4x100=5．56
式中：s — — 先導上封塞實際背壓面積。
圖7b中先導動鐵芯組件3所受的背壓力
(單位N)。
= PIxSb=0．5x4．2 x3．14x98／4X100=6．78
當雙聯(lián)閥進氣壓力 ：0．63MPa，則圖7a中先導
動鐵芯組件3所受的背壓力 。
v=PfxS，J=0．63x3．8 x3．14x98／4x100=7
當雙聯(lián)閥進氣壓力 =O．63MPa，則圖7b中先導
動鐵芯組件3所受的背壓力 。
v==PlxS 0．63x4．2 x3．14x98／4xl00=8．55
通過上述計算，當安全雙聯(lián)閥進氣工作壓力尸，=
0．5MPa， 未產(chǎn)生永久壓縮變形的先導動鐵芯組件3
所受的背壓力5．56N， 小于彈簧規(guī)定6．5N 的復位
力，則先導動鐵芯3能復位；當已產(chǎn)生永久壓縮變形
的先導動鐵芯組件3所受的背壓力6．78N， 大于彈
簧規(guī)定6．5N的復位力，則先導動鐵芯3不能復位。
另外，安全雙聯(lián)閥的最高工作壓力為0．63MPa，
因此當未產(chǎn)生永久壓縮變形的先導動鐵芯組件3所
受的背壓力7N，大于彈簧規(guī)定6．5N 的復位力，則先
導動鐵芯3不能復位；同樣，已產(chǎn)生永久壓縮變形的
先導動鐵芯組件3所受的背壓力8．55N，大于彈簧
規(guī)定6．5N的復位力，則先導動鐵芯3不能復位。
由上可得結(jié)論1：先導電磁閥在其線圈失電后
不復位，該故障是由于設(shè)計不周而造成的。
另外，先導上封塞7材質(zhì)為氫化丁腈橡膠，耐溫
120~2。而安全雙聯(lián)閥在長期連續(xù)通電后，在環(huán)境溫
度為12~C(見圖14)時用遠紅外儀測線圈溫度為小
于72~C(見圖15)，溫升50~C。如果安全雙聯(lián)閥在環(huán)
境溫度為55℃使用，其先導上封塞7的實際溫度將
達到105~C，因此該橡膠材料耐溫安全裕度不足。
由上可得結(jié)論2： 先導電磁閥在其線圈失電后
不復位，該故障是因先導上封塞7使用耐溫不合格
的材質(zhì)和使用彈簧力離散度大的先導復位彈簧5而
致，屬生產(chǎn)、管理缺陷造成。
經(jīng)上述失效分析得到如下結(jié)論：
(1)安全雙聯(lián)閥在壓力機處于長期連續(xù)運行工
作狀態(tài)下，1～3月后出現(xiàn)安全雙聯(lián)閥兩線圈失電后
主閥不換向使其輸出口壓力不下降而造成壓力機滑
塊繼續(xù)上、下動作，使壓力機失控造成連沖現(xiàn)象，主
要是安全雙聯(lián)閥的兩個先導電磁閥在其線圈失電后
同時不
(2
電磁閥
不合理
密封面
對先導
封塞進
2 改進措施
2．1 設(shè)計改進
(1)減少先導靜鐵芯13與先導上封塞7密封面
最大背壓面積，達到減少背壓力F的目的。① 更改先
導靜鐵芯13閥口的形狀。② 減少先導上封塞7密封
面的背壓面積使其最大背壓面積為S=9．62ram ，比
原有最大背壓面積13．85ramz減少30．6％ 。最大背壓
力F=SxP63=5．93N， 比原有最大背壓力8．55N減少
30．6％ 。
(2)增加先導復位彈簧5的復位力，復位力增加
到7．8N。
(3)將先導復位力增加到1．2倍的最大背壓力，
即為7．12N。
(4)為增加安全裕度，先導上封塞7改用3M 公
司的氟橡膠，其耐溫為200~(2。
2．2 加強管理
(1)制訂科學合理的先導上封塞7、先導復位彈
簧5的驗收規(guī)范，對每批先導上封塞7進行長期通
電、耐溫老化試驗；對每個先導復位彈簧5彈簧的復
位力必須進行檢測。
(2)制訂詳細的先導閥芯裝配工藝規(guī)程和檢驗
規(guī)范，并設(shè)置科學合理的質(zhì)控點。
(3)嚴格工藝紀律，加強對文件執(zhí)行的記錄和監(jiān)
督。
3 總結(jié)
安全雙聯(lián)閥失效的主要原因是設(shè)計安全雙聯(lián)閥
時沒有根據(jù)GB／T15706．2—2007中的第4章從設(shè)計
的角度來消除安全雙聯(lián)閥工作時因失效而產(chǎn)生的危
險、或減小風險，在采用本質(zhì)安全設(shè)計過程中盡管將
兩個先導電磁閥和兩個單式主閥采用了冗余技術(shù)，
但在設(shè)計的過程中忽略了如下問題：
(1)沒有按GB／T15706．2—2007中4．3條的要求
進行設(shè)計，沒有注意“特殊零部件或者裝配件，則其
應(yīng)力值應(yīng)乘以適當?shù)墓ぷ飨禂?shù)”，即沒有使用更高耐
溫等級和更高質(zhì)量的氟橡膠作為先導上封塞7的材
料，而選擇質(zhì)量不高、耐溫等級一般的氫化丁腈橡
膠。
(2)沒有按GB／T15706．2—2007中4．12條要求
設(shè)計安全雙聯(lián)閥，沒有注意“可靠零部件的使用”，在
“部件和子系統(tǒng)的加倍(冗余)”設(shè)計的同時沒有注意
“采用多樣化設(shè)計和(或)工藝技術(shù)避免共因失效(如
由于電磁干擾)或共模失效”，即在設(shè)計安全雙聯(lián)閥
時沒有根據(jù)GB／T16855．1— 2008的附錄F中的“防
止CCF的措施的打分和量化過程”表對安全雙聯(lián)閥
及其先導電磁閥進行共因失效CCF影響的估計。在
設(shè)計安全雙聯(lián)閥中先導電磁閥時沒有重點注意溫度
對先導上封塞7的背壓力的影響，選用的先導上封
塞7的材質(zhì)為不可靠材質(zhì)。
另外，應(yīng)從管理上建立一套完整、科學的產(chǎn)品設(shè)
計安全體系(CE 等安全認證)和質(zhì)量保證體系
(ISO19001)的評估制度，使安全雙聯(lián)閥在設(shè)計和制
造管理過程中有章可依。
【參考文獻】
全國鍛壓機械標準化技術(shù)委員會．GB 27607—2012機械壓力機
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全國機械安全標準化技術(shù)委員會．GB／T15706．2—2007機械安全
基本概念與設(shè)計通則第2部分：技術(shù)原則[s】 E京：中國標準出
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全國機械安全標準化技術(shù)委員會．GB／T16855．1—2008機械安全
控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1部分：設(shè)計通則【s]．北京：中國標準
出版社，2008．
榮琳，金超，張整風．機械壓力機用安全雙聯(lián)閥安全可靠性
研究方法．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48(2)．
Failure analysis and improvement of safe double valve for mechanical press
CHEN Peili
(Shandong Yingcai University，Jinan 250104，Shandong China)
analysis of the failure mode for safe double valve of mechanical press，it is obtained that the safe
d strict management decide the safe performance of the valve．In order to carry out the GB27607-
ogy demands of mechanical press，the redundant technique has been adopted in the design of safe
influence of CCF failure to safe double valve has been paid attention．
afe double valve；Failure analysis；Redundant technique；CCF
Ⅲ

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