Как да проверите надеждността на пневматичните цилиндри, без да губите месеци за тестване?

Инфографика от три панела, илюстрираща проверката на надеждността на пневматичните цилиндри. Със стрелка в горната част е отбелязано "Сгъстяване на валидирането в реални условия от месеци на седмици". Първият панел, "Ускорено изпитване с вибрации", показва цилиндър върху маса с вибратори. Вторият панел, "Експозиция на солено пръскане", показва цилиндър в камера за солено пръскане. Третият панел, "Анализ на режима на отказ", показва цилиндъра, разглобен на работна маса за проверка. — проверка на надеждността на пневматичните цилиндри

Всеки инженер, с когото съм разговарял, е изправен пред една и съща дилема: трябва да имате абсолютна увереност в пневматичните си компоненти, но традиционното изпитване за надеждност може да забави проектите с месеци. В същото време крайните срокове за производство се приближават, а ръководството оказва натиск, за да получи резултати още вчера. Този пропуск в проверката на надеждността създава огромен риск.

Ефективно пневматичен цилиндър проверка на надеждността съчетава ускорено виброизпитване¹ с подходящ избор на спектър, стандартизирани цикли на излагане на солена мъгла и цялостен анализ на режимите на отказ, за да се компресират месеците на валидиране в реални условия в седмици, като се поддържа статистическа достоверност.

Миналата година се консултирах с производител на медицински изделия в Швейцария, който се бореше с точно този проблем. Производствената им линия беше готова, но те не можеха да започнат работа, без да потвърдят, че техните пневматични цилиндри без пръти ще запазят прецизността си поне 5 години. Използвайки нашия подход за ускорена проверка, ние съкратихме 6-месечното тестване само за 3 седмици, което им позволи да стартират по график, като същевременно запазиха пълна увереност в надеждността на системата си.

Съдържание

Избор на спектър за вибрационно изпитване
Сравнение на цикъла на изпитване със солено пръскане
Шаблон за анализ на режимите и последствията от откази
Заключение
Често задавани въпроси относно проверката на надеждността

Как да изберете правилния спектър на ускорение за вибрационен тест?

Изборът на неправилен спектър за вибрационно изпитване е една от най-често срещаните грешки, които виждам при проверката на надеждността. Или спектърът е твърде агресивен, което води до нереалистични повреди, или твърде мек, което пропуска критични слабости, които ще се появят при реална употреба.

Оптималният спектър на ускорение на вибрационния тест трябва да съответства на специфичната среда на приложение, като същевременно усилва силите, за да ускори изпитването. За пневматични системи спектър, който обхваща 5-2000 Hz с подходящи коефициенти за умножаване на G-силата въз основа на средата на инсталацията, осигурява най-точни прогнозни резултати.

Техническа графика на спектъра на ускорението при вибрационно изпитване. Тя изобразява ускорението (G-сила) спрямо честотата (Hz) в логаритмична скала от 5 до 2000 Hz. Графиката сравнява две криви: прекъсната линия, представляваща "профил на вибрациите в реални условия", и плътна линия за "спектъра на ускореното изпитване". Изпитвателният спектър има същата форма като профила на реалните вибрации, но се усилва до по-високо ниво на G-сила, за да се ускори изпитването, както е обяснено в известието. — изпитване на вибрации

Разбиране на категориите вибрационни профили

След като анализирах стотици инсталации на пневматични системи, категоризирах вибрационните среди в тези профили:

Категория околна среда	Честотен обхват	Върхова G-сила	Фактор за продължителност на изпитването
Лека промишленост	5-500 Hz	0.5-2G	1x
Общо производство	5-1000 Hz	1-5G	1.5x
Тежка промишленост	5-2000 Hz	3-10G	2x
Транспорт/мобилни устройства	5-2000 Hz	5-20G	3x

Методология за избор на спектър

Когато помагам на клиентите да изберат подходящия вибрационен спектър, следвам този процес от три стъпки:

Стъпка 1: Характеристика на средата

Първо, измерете или оценете действителния профил на вибрациите в средата на приложение. Ако не е възможно директно измерване, използвайте индустриалните стандарти като отправна точка:

ISO 20816 за промишлени машини
MIL-STD-810G² за транспортни приложения
IEC 60068 за общо електронно оборудване

Стъпка 2: Определяне на коефициента на ускорение

За да съкратим времето за изпитване, трябва да усилим вибрационните сили. Връзката следва този принцип:

Време за изпитване = (действителни часове живот × действителна сила на натиск²) ÷ (сила на натиск²)

Например, за да симулирате 5 години (43 800 часа) работа при 2G само за 168 часа (1 седмица), трябва да тествате при:

G-сила = √[(43,800 × 2²) ÷ 168] = приблизително 32,3 %.

Стъпка 3: Оформяне на спектъра

Последната стъпка е да оформите честотния спектър, за да съответства на вашето приложение. Това е от решаващо значение за безпрътовите пневматични цилиндри, които имат специфични резонансни честоти, които се различават в зависимост от конструкцията.

Проучване на случай: Проверка на оборудването за опаковане

Неотдавна работих с производител на опаковъчно оборудване в Германия, който изпитваше мистериозни повреди в своите безпръчкови цилиндри след приблизително 8 месеца на място. Стандартните им тестове не бяха установили проблема.

Чрез измерване на действителния профил на вибрациите на тяхното оборудване открихме резонансна честота от 873 Hz, която възбужда компонент в конструкцията на цилиндъра. Разработихме персонализиран тестови спектър, който акцентира върху този честотен диапазон, и в рамките на 72 часа ускорено тестване възпроизведохме повредата. Производителят промени конструкцията си и проблемът беше решен, преди да засегне допълнителни клиенти.

Съвети за провеждане на тестове за вибрации

За да получите най-точни резултати, спазвайте следните указания:

Многоосово тестване

Тествайте последователно и по трите оси, тъй като повредите често се появяват в неочевидни посоки. Специално за цилиндрите без пръти усукващите вибрации могат да причинят повреди, които чисто линейните вибрации могат да пропуснат.

Температурни съображения

Проведете вибрационно изпитване както при температура на околната среда, така и при максимална работна температура. Установихме, че комбинирането на повишени температури с вибрации може да разкрие повредите 2,3 пъти по-бързо, отколкото само с вибрации.

Методи за събиране на данни

Използвайте тези точки на измерване за изчерпателни данни:

Ускорение в точките на монтаж
Преместване в средата на разстоянието и в крайните точки
Флуктуации на вътрешното налягане при вибрации
Степен на течове преди, по време и след изпитването

Кои цикли на изпитване със солено пръскане действително предсказват корозията в реалния свят?

Изпитването със солена мъгла често се разбира погрешно и се прилага неправилно при валидирането на пневматични компоненти. Много инженери просто следват стандартните продължителности на тестовете, без да разбират как те се съотнасят към действителните условия на полето.

Най-предсказуемите цикли на изпитване със солена мъгла съответстват на специфичните фактори на корозия във вашата работна среда. За повечето индустриални пневматични приложения цикличното изпитване, при което се редуват периоди на пръскане с 5% NaCl (35°C) и сухи периоди, осигурява значително по-добра корелация с реалните характеристики, отколкото методите на непрекъснато пръскане.

Модерна инфографика в лабораторен стил, обясняваща цикличното изпитване със солена мъгла. Диаграмата илюстрира двуфазен цикъл. Във "Фаза 1: Солено пръскане" пневматичният компонент се намира в изпитвателна камера, в която се пръска с разтвор, с етикети, указващи "5% NaCl Solution" и "35°C". Във "Фаза 2: Сух период" пръскането е изключено и компонентът е в суха среда. Стрелките показват, че изпитването се редува между тези две фази. — изпитване на солена мъгла

Връзка между часовете на изпитване и резултатите на полето

Тази сравнителна таблица показва как различните методи за изпитване със солена мъгла съответстват на реалното излагане на въздействието на различни среди:

Околна среда	Непрекъснат ASTM B117³	Цикличен ISO 9227	Модифициран стандарт ASTM G85
Индустриални на закрито	24 часа = 1 година	8h = 1 година	12h = 1 година
Градски на открито	48h = 1 година	16h = 1 година	24 часа = 1 година
Крайбрежие	96h = 1 година	32h = 1 година	48h = 1 година
Морски/офшорни	200h = 1 година	72h = 1 година	96h = 1 година

Рамка за избор на тестови цикъл

Когато съветвам клиентите си относно изпитването на солена мъгла, препоръчвам тези цикли в зависимост от типа на компонента и приложението:

Стандартни компоненти (алуминий/стомана с основни покрития)

Приложение	Метод на изпитване	Подробности за цикъла	Критерии за преминаване
Използване на закрито	ISO 9227 NSS	24 часа пръскане, 24 часа сушене × 3 цикъла	Без червена ръжда, <5% бяла ръжда
Обща промишленост	ISO 9227 NSS	48 часа пръскане, 24 часа сушене × 4 цикъла	Без червена ръжда, <10% бяла ръжда
Сурова среда	ASTM G85 A5	1 час пръскане, 1 час сушене × 120 цикъла	Без корозия на основния метал

Компоненти Premium (подобрена защита от корозия)

Приложение	Метод на изпитване	Подробности за цикъла	Критерии за преминаване
Използване на закрито	ISO 9227 NSS	72 часа пръскане, 24 часа сушене × 3 цикъла	Без видима корозия
Обща промишленост	ISO 9227 NSS	96 часа пръскане, 24 часа сушене × 4 цикъла	Без червена ръжда, <5% бяла ръжда
Сурова среда	ASTM G85 A5	1 час пръскане, 1 час сушене × 240 цикъла	Без видима корозия

Интерпретиране на резултатите от тестовете

Ключът към ценното изпитване със солена мъгла е правилното тълкуване на резултатите. Ето какво трябва да се търси:

Визуални индикатори

Бяла ръжда: Ранен индикатор върху цинкови повърхности, обикновено не е функционален проблем
Червена/кафява ръжда: Корозия на основния метал, показва повреда на покритието
Блистеринг: Показва нарушено сцепление на покритието или подповърхностна корозия
Пълзене от Scribe: Мерки за защита на покритието в повредените зони

Оценка на въздействието на изпълнението

След изпитването със солена мъгла винаги оценявайте тези функционални аспекти:

Цялост на уплътнението: Измерване на степента на изтичане преди и след експозицията
Сила на задействане: Сравняване на необходимата сила преди и след изпитването
Повърхностно покритие: Оценяване на промените, които могат да повлияят на съвместимите компоненти
Стабилност на размерите: Проверете за набъбване или изкривяване, причинено от корозия

Проучване на случай: Изпитване на автомобилни компоненти

Голям доставчик на автомобилни продукти е имал преждевременни корозионни повреди на пневматични компоненти в автомобили, изнасяни за страните от Близкия изток. Техният стандартен 96-часов тест със солена мъгла не идентифицира проблема.

Извършихме модифициран цикличен тест, който включваше:

4 часа солен спрей (5% NaCl при 35°C)
4 часа сушене при 60°C с влажност 30%
16 часа излагане на влажност при 50°C с 95% RH
Повтаря се за 10 цикъла

Този тест успешно идентифицира механизма на повреда в рамките на 7 дни, като разкри, че комбинацията от висока температура и сол разрушава специфичен материал на уплътнението. След преминаването към по-подходяща смес, повредите в полето намаляха с 94%.

Как можете да създадете FMEA⁴ Който действително предотвратява повредите в полето?

Анализът на режимите и последствията от откази (FMEA) често се разглежда по-скоро като упражнение за работа с документи, отколкото като мощен инструмент за надеждност. Повечето FMEA, които преглеждам, са или прекалено общи, или толкова сложни, че са неизползваеми на практика.

Ефективната FMEA за пневматични системи се фокусира върху специфичните за приложението режими на неизправност, определя количествено както вероятността, така и последствията, като използва оценки, базирани на данни, и е пряко свързана с методите за проверка. Този подход обикновено идентифицира 30-40% повече потенциални режими на неизправност, отколкото общите шаблони.

Инфографика на шаблон за анализ на режимите и ефектите от откази (FMEA) за пневматична система, проектиран да изглежда като модерен софтуерен интерфейс. Шаблонът представлява таблица с колони за "Режим на отказ", "Тежест", "Възникване" и "Препоръчителни действия". Извивките подчертават характеристиките на системата, включително "Специфичен за приложението фокус", използване на "Оценки, базирани на данни" и "Пряка връзка към тестовете за проверка". В долната част на банера е отбелязано, че този метод "Идентифицира 30-40% повече потенциални начини на повреда". — Шаблон на FMEA

Структура на FMEA за пневматични компоненти

Най-ефективният шаблон на FMEA за пневматични системи включва тези ключови елементи:

Раздел	Цел	Ключова полза
Разбивка на компонентите	Идентифицира всички критични части	Осигуряване на цялостен анализ
Описание на функцията	Определя предвиденото изпълнение	Изяснява какво представлява неуспех
Начини на отказ	Изброява конкретни начини, по които функцията може да се провали	Ръководства за целенасочено тестване
Анализ на ефектите	Описва въздействието върху системата и потребителя	Определяне на приоритетите на критичните въпроси
Анализ на причините	Идентифицира основните причини	Ръководи превантивни действия
Текущи контроли	Документи за съществуващите предпазни мерки	Предотвратява дублирането на усилия
Номер на приоритета на риска⁵	Количествено определяне на общия риск	Фокусиране на ресурсите върху най-високите рискове
Препоръчани действия	Посочва стъпки за смекчаване на последиците	Създаване на приложим план за действие
Метод за проверка	Връзки към конкретни тестове	Осигуряване на правилно валидиране

Разработване на специфични за приложението режими на отказ

В общите FMEA често се пропускат най-важните режими на неизправност, тъй като те не отчитат специфичното ви приложение. Препоръчвам този подход за разработване на изчерпателни режими на отказ:

Стъпка 1: Анализ на функциите

Разделете всяка функция на компонента на специфични изисквания за изпълнение:

Функциите на пневматичен цилиндър без пръти включват:

Осигуряване на линейно движение с определена сила
Поддържане на точността на позицията в рамките на допустимото отклонение
Задържане на налягането без течове
Работете в рамките на параметрите на скоростта
Поддържане на подравняването при натоварване

Стъпка 2: Картографиране на факторите на средата

За всяка функция помислете как тези фактори на околната среда могат да причинят повреда:

Фактор	Потенциално въздействие
Температура	Промени в свойствата на материалите, топлинно разширение
Влажност	Корозия, електрически проблеми, промени в триенето
Вибрации	Разхлабване, умора, резонанс
Замърсяване	Износване, запушване, повреда на уплътнението
Промяна на налягането	Напрежение, деформация, повреда на уплътнението
Честота на цикъла	Умора, натрупване на топлина, разрушаване на смазването

Стъпка 3: Анализ на взаимодействието

Обмислете как компонентите си взаимодействат помежду си и със системата:

Точки на взаимодействие между компонентите
Пътища за пренос на енергия
Зависимости на сигналите/контрола
Проблеми със съвместимостта на материалите

Методология за оценка на риска

Традиционното изчисление на RPN (Risk Priority Number) често не успява да даде точен приоритет на рисковете. Препоръчвам този усъвършенстван подход:

Оценка на тежестта (1-10)

Въз основа на тези критерии:
1-2: Незначително въздействие, без забележим ефект
3-4: Незначително въздействие, леко влошаване на производителността
5-6: Умерено въздействие, намалена функционалност
7-8: Голямо въздействие, значителна загуба на производителност
9-10: Критично въздействие, загриженост за безопасността или пълен отказ

Оценка на събитията (1-10)

Въз основа на вероятност, базирана на данни:
1: <1 на милион цикъла
2-3: 1-10 на милион цикъла
4-5: 1-10 на 100 000 цикъла
6-7: 1-10 на 10 000 цикъла
8-10: >1 на 1 000 цикъла

Оценка на откриването (1-10)

Въз основа на възможностите за проверка:
1-2: Сигурно откриване преди въздействието върху клиента
3-4: Висока вероятност за откриване
5-6: Умерен шанс за откриване
7-8: Ниска вероятност за откриване
9-10: Не може да се открие с настоящите методи

Свързване на FMEA с тестовете за проверка

Най-ценният аспект на правилната FMEA е създаването на преки връзки с тестовете за проверка. За всеки режим на отказ посочете:

Метод на изпитване: Конкретният тест, който ще провери този режим на отказ
Параметри на теста: Точните условия, които се изискват
Критерии за преминаване/отпадане: Количествени стандарти за приемане
Размер на извадката: Статистически изисквания за достоверност

Проучване на случай: Усъвършенстване на дизайна, основано на FMEA

Производител на медицинско оборудване в Дания разработва ново устройство, използващо пневматични цилиндри без пръти за прецизно позициониране. Първоначалната им FMEA е била обща и не е обхванала няколко критични режима на отказ.

Използвайки нашия специфичен за приложението процес FMEA, идентифицирахме потенциален режим на повреда, при който вибрациите могат да причинят постепенно разминаване на лагерната система на цилиндъра. Това не беше уловено при стандартните им тестове.

Разработихме комбиниран тест за вибрации и цикъл, който симулира 5 години работа в рамките на 2 седмици. Тестът показа постепенно влошаване на производителността, което би било неприемливо за медицинското приложение. Чрез модифициране на конструкцията на лагера и добавяне на вторичен механизъм за подравняване проблемът беше разрешен преди пускането на продукта на пазара.

Заключение

Ефективната проверка на надеждността на пневматичните системи изисква внимателно подбрани спектри на вибрационни изпитвания, подходящи за приложението цикли на изпитване със солена мъгла и цялостен анализ на режимите на отказ. Чрез интегрирането на тези три подхода можете драстично да намалите времето за проверка, като същевременно увеличите доверието в дългосрочната надеждност.

Често задавани въпроси относно проверката на надеждността

Какъв е минималният размер на извадката, необходим за надеждно изпитване на пневматични компоненти?

За пневматични компоненти, като например цилиндри без пръти, статистическата достоверност изисква изпитване на поне 5 единици за квалификационно изпитване и 3 единици за текуща проверка на качеството. Критичните приложения могат да изискват по-големи проби от 10-30 единици, за да се открият по-ниско вероятни режими на неизправност.

Как да определите подходящия коефициент на ускорение за изпитване за надеждност?

Подходящият коефициент на ускорение зависи от изпитваните механизми на разрушение. За механично износване обикновено се използват коефициенти от 2 до 5 пъти. За термично стареене обикновено се използва 10 пъти. За изпитване на вибрации могат да се прилагат коефициенти от 5 до 20 пъти. По-високите коефициенти рискуват да предизвикат нереалистични режими на повреда.

Могат ли резултатите от тестовете за солена мъгла да предскажат действителната устойчивост на корозия след години?

Изпитването със солена мъгла дава относителни, а не абсолютни прогнози за устойчивостта на корозия. Съотношението между часовете на изпитване и действителните години варира значително в зависимост от средата. За индустриални среди на закрито 24-48 часа непрекъснато солено пръскане обикновено представляват 1-2 години излагане.

Каква е разликата между DFMEA и PFMEA за пневматични компоненти?

FMEA на проектирането (DFMEA) се фокусира върху слабостите, присъщи на проектирането на пневматичните компоненти, докато FMEA на процеса (PFMEA) се занимава с потенциални повреди, възникнали по време на производството. И двете са необходими - DFMEA гарантира, че проектът е надежден, докато PFMEA осигурява постоянно качество на производството.

Колко често трябва да се повтарят тестовете за проверка на надеждността по време на производството?

Пълната проверка на надеждността трябва да се извърши по време на първоначалната квалификация и при всяка значителна промяна в конструкцията или процеса. Съкратената проверка (с акцент върху критичните параметри) следва да се извършва на тримесечие, като статистическата извадка се основава на обема на производството и нивото на риска.

Кои фактори на околната среда оказват най-голямо влияние върху надеждността на пневматичните цилиндри без пръти?

Най-значимите фактори на околната среда, които влияят върху надеждността на безпрътовите пневматични цилиндри, са температурните колебания (влияят върху работата на уплътненията), замърсяването с частици (причинява ускорено износване) и вибрациите (влияят върху подравняването на лагерите и целостта на уплътненията). Тези три фактора са причина за приблизително 70% от преждевременните повреди.

Обяснява принципите на ускореното тестване на живота (ALT) - процес на тестване на продукт чрез подлагането му на условия (като напрежение, деформация, температура, напрежение, вибрации), които надвишават нормалните му експлоатационни параметри, за да се определи продължителността на живота му за по-кратко време. ↩
Предоставя преглед на MIL-STD-810, военен стандарт на САЩ, който описва инженерните съображения за околната среда и лабораторните тестове, като се фокусира върху широко използваните методи за изпитване на вибрации, които симулират реалните условия за оборудването. ↩
Подробно описание на стандарт ASTM B117, който предоставя стандартизирана процедура за работа с апарат за неутрално солено пръскане (мъгла) - често срещано и отдавнашно корозионно изпитване, използвано за оценка на относителната корозионна устойчивост на материали и покрития. ↩
Предлага изчерпателно обяснение на анализа на режимите и ефектите от откази (FMEA) - систематичен, проактивен подход за идентифициране на потенциалните режими на откази в даден проект, процес или продукт и за оценка на риска, свързан с тези откази. ↩
Описва метода за изчисляване на приоритетното число на риска (RPN) в FMEA, което представлява количествено класиране на риска, изчислено чрез умножаване на точките за сериозност, възникване и откриване, използвано за определяне на приоритетите на коригиращите действия. ↩

Здравейте, аз съм Чък, старши експерт с 15-годишен опит в областта на пневматиката. В Bepto Pneumatic се фокусирам върху предоставянето на висококачествени пневматични решения, съобразени с нуждите на нашите клиенти. Експертният ми опит обхваща индустриална автоматизация, проектиране и интегриране на пневматични системи, както и прилагане и оптимизиране на ключови компоненти. Ако имате някакви въпроси или искате да обсъдим нуждите на вашия проект, моля, не се колебайте да се свържете с мен на chuck@bepto.com.