| 第一作者简介：李永奇（1984-），男，江苏徐州人，高级工程师，硕士，研究方向：流体传动与控制，就职于徐州徐工液压件有限公司。基金项目：2018年国家重点研发计划（2018YFB2000904）摘 要：液压缸可靠性验证试验参数通常由实际工程经验确定，该文针对液压缸可靠性试验加速因子及加载次数的选取进行理论分析。由液压缸制造材料，确定其对应通用材料在可靠度90%下加载次数为106对应的加速强度比，作为试验的极限加速强度比；再根据液压缸不同的的材料特性及加工工艺，引入离散系数，得到加速因子的取值范围。在明确试验台加载应力后，根据累积疲劳损伤准则及工程需求，确定其对应加载应力下等效加载次数。关键词：液压缸；可靠性验证试验；加速应力；累积损伤准则液压技术具有结构轻便，输出压力高等优点，广泛应用于工程机械中的各个领域[1]。目前，国内液压领域的研究已取得巨大进步，但是与国外知名企业相比，我国高端液压产品仍存在寿命短、故障率较高等问题。可靠性问题是困扰我国液压行业发展的主要问题之一，我国可靠性研究起源于20世纪80年代[2]，起步时间较晚，理论基础及实践经验略有欠缺，而在近些年国内许多企业积极响应国家号召，致力于可靠性研究，已取得一定的成果。液压缸作为液压系统的执行元件，其性能的优劣决定了整机产品的质量与安全性，在工程机械领域具有重要地位[3]。液压缸一旦发生意外故障，将会带来巨大的人力及财力损失。近年来，国内外许多学者都对液压缸的可靠性进行研究。张根保等人针对液压缸漏油试验加速应力选择不足的问题，通过研究油膜厚度，分析其可选择的加速应力范围[4]；靳洪斌对某厂液压缸的故障展开研究，通过收集其失效数据分析其寿命分布，预测其平均寿命，并针对具体案例分析引发故障的原因[5]；Han等人对某具体型号液压缸，以温度与转速作为加速应力，并对采集数据进行评估、统计，验证试验的可行性[6]；Roquet等人提出一种新的方法，将现场拟实载荷谱转化为试验室台架加载谱[7]；Bae等人研究了密封圈的磨损特性，制定了一种新的磨损加速试验方法[8]。然而，液压缸可靠性验证试验中，许多参数都是由工作人员的经验确定，缺少足够的理论支撑。本文针对液压缸可靠性验证实验中加速应力与试验次数的选取展开研究，对其参数的确定进行理论推导。 1.1 液压缸的可靠性特征 液压缸的可靠性，即液压缸在规定条件下和指定时间内完成要求功能的能力[9]。通常需要标定液压缸在特定条件下的失效时间，描述其可靠性。在工程应用中，常用作描述可靠性的指标有平均失效前时间、可靠度、置信度、失效阈值水平等性能参数。 (1) 安全故障。由于液压缸失效造成机器损坏或者人员伤亡的情况。(2) 严重故障。故障位置处油液呈线状喷出；沉降量过大，连续下降，锁不住。(3) 中度故障。故障位置处油液滴出；沉降量超过主机要求，但不会连续下降。(4) 轻度故障。故障位置处渗油；有沉降量，但在主机要求的范围内。液压缸的平均失效前时间是指液压缸失效前工作时间的期望，即液压缸投入生产后，未经过任何维修直至发生失效后所统计的平均工作时间。根据试验结果计算被试产品平均失效前时间 (MTTF)，具体计算采用 Kaplan-Meier 法计算 。 
式中 MTTF —— 平均首次失效前时间，单位，h；n —— 规定的统计时间内，故障间隔时间总数，包含中止时间；i —— 规定的统计时间内，故障间隔时间从小到大排列的顺序号，包含中止时间；ti —— 规定的统计时间内，第i个故障间隔时间。当i=0时，ti=0；R(ti）—— 规定的统计时间内，第ti时刻对应的可靠度。 液压缸在指定时间内发生失效的概率称为液压缸的可靠度，即描述液压缸的寿命分布模型。在工程应用中，通常取90%的可靠度作为保证，以B10表示。工程应用中，大多数零件的可靠性符合图1所示的浴盆曲线。
置信度决定了置信区间，置信区间表示一个随机变量落在一定区间内的概率，置信度是描述可靠度准确性的参数。90%的置信区间是在5%~95%置信极限之内的区域。液压缸失效阈值水平（见表1），用于与液压缸性能参数进行对比的值，当液压缸的某一参数超过对应的失效阈值水平，则认定为液压缸发生了失效。表中d为液压缸活塞杆直径。
通常标定上述可靠性参数，需通过液压缸寿命试验，得到液压缸寿命分布函数，验证产品的可靠度是否满足工程需求。然而，常规的寿命试验，试验成本较高，因此，需采用加速寿命试验，提高加载应力，加速零件失效。液压缸的可靠性验证试验属于一种特征统计试验。为缩短试验时间，需要对加载应力进行合理加速，同时使其失效模式保持不变。根据液压缸物理性质与材料特征将高应力水平下的寿命函数转化为正常应力水平下的寿命函数[10]。 液压缸可靠性试验根据加载应力形式的不同，可以分为脉冲加载试验与超载试验两种。脉冲试验主要是研究交变应力对液压缸缸体及液压杆的影响；超载试验主要针对液压缸加工工艺对零件可靠性的影响，如焊缝的可靠性。不同液压缸对应不同的额定工作应力，其本质原因是材料与加工工艺的影响，且每种材料的极限应力有所差异，因此需根据材料本身的特性与试验需求，选择合适的加速因子，确定加载应力。由上述可知，加速因子与材料的自身特性和试验台架需求有关。为验证液压缸疲劳寿命是否满足90%可靠度，不同的材料与试验样品数量对应的加速因子也不同。S-N曲线描述的是材料的通用疲劳特性，根据材料疲劳强度曲线，可以确定在不同加载次数下的疲劳强度比Kn。然而在研究过程中，零件的材料与工艺也不尽相同，因而造就了其疲劳特性也有所差异。因此，在确定通用材料加速强度比Kn的同时，需根据研究零件的材料，引入一个材料疲劳特征离散修正系数Kv，弥补各材料之间的差异。加速因子K即为加速强度比Kn与离散修正系数Kv的乘积。材料的S-N曲线体现了不同材料的疲劳特性，根据材料的通用种类，通常将材料大致分为有色金属与黑色金属两大类。根据不同材料的特性，选择合适的加速比，即疲劳强度比Kn。图2为有色金属与黑色金属的S-N曲线。一般认为当加载循环超过107次且不发生失效时，零件寿命是无限的。![]()
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