液压元件之压力容腔的疲劳寿命

诚然70%-80%的液压失效是由于油液污染引起的，如果说此类失效还可以通过维护技巧避免的话，那么液压元件之抗压力容腔疲劳失效却是该元件实打实的硬核实力展现。硬气功!

在正式开始前，我们先介绍几个名词，

定义额定疲劳压力为元件压力容腔体能承受 10⁷次而不发生失效的循环压力。

为何各厂家都宣称型式试验经过了一千万次的疲劳试验验证。是1千万次而不是其他次数？

对于绝大数应用工况其压力循环远没有疲劳测试循环恶劣，一千万次也是一个很大的数值。因而对于绝大多数应用都可以认为其为无限寿命。

额定静态压力：元件压力容腔体能承受而不发生失效的压力。由材料强度，容腔受力及薄弱截面受共同力决定。

循环试验压力：在验证额定疲劳压力的循环试验中所施加的压力范围。

图1.NFPA规定的可接受循环试验压力波形

图2所示为某阀体金属材料的S-N 曲线。其纵坐标为该材料所承受的应力S,对于由该材料制成的形状和尺寸都确定的压力容腔比如阀体，可将应力S换算成压力。其横坐标是该材料所能承受的循环应力次数N,按对数值排列，亦即压力腔体 阀体或泵壳的寿命 原点表示寿命为一次，即相当于静压力。

如图所示，红色曲线为实际的S-N曲线，是由试验获得。有可能可以从材料商或技术手册获取。

单个元件可以正常承受的压力与其额定疲劳压力和额定静态压力有一定的关系。这种关系可以进行估计，并且可作为元件在单独使用场合下寿命期望值的评估基础。图2 中蓝色曲线即为某阀体的估计S-N 曲线，只需确认额定静态压力和额定疲劳压力就可画出估计的S-N曲线，

额定静态压力可以通过有限元仿真的方式获得暂不考虑铸造及材料缺陷等个体因素，如图2是通过对某阀体的有限元分析获得了额定静态压力。

当然也可以通过静压破坏试验获得，然而这里就存在一个偶然性的问题需要一定样本数。

图2.阀体静态受力的有限元分析

额定疲劳压力则需要通过对试件进行试验获得，

额定疲劳压力测试是十分劳民伤财的，即使是以每秒3次3Hz的频率试验，假定中间不出现状况而宕机，24小时不停歇也需要以月为计的时间。

而3Hz/秒根据压力循环的要求，就算仅几只6通阀体换算成泵流量/分也需要大几十至上百L/m的流量。

实际操作的时候，根据相关标准经常在保证必要置信度的情况下采用所谓的加速试验，提高循环压力值

由于无法排除的各种因素并不是每次试验都能获得预想的寿命值，然而此点依然可以绘制在预估曲线上作为参考，扩大验证安全区范围，并对后续设计提供依据。

例如对前述阀体在42MPa压力循环下试验对两件阀体进行试验，结果在256.7 万次时 出现其中一件失效（图3所示），另一件则完好。

图3. 256万次后的阀体失效

如此我们可以将42MPa和250万先作为预估  曲线的一个点作为参考：可以为后续试验结果提供预测 这样的点多了预估曲线的置信度也就大大提高。而如果我们把额定压力或者设计压力以及试验实测点分别作为额定疲劳压力点绘制预估S-N曲线。设此例阀体额定使用压力为21MPa ，设计压力为28MPa ，

因（42MPa ，250万）点位置远高于（28MPa， 1000万），

其与额定静态压力形成的曲线在（28MPa，10⁷）与额定静态压力连线的上方。也就是说如果把（28MPa，10⁷）作为额定疲劳压力是会比实际情况具有更高的安全系数和置信度。

或说实际额定疲劳压力很大概率会比28MPa要高。

有了预估寿命后就可以改进设计（若需要）并合理设定试验压力值以完成1千万次的疲劳寿命的型式试验。避免失败反复 浪费。

图4.  S-N曲线

如此有了预估S-N曲线就可以对正常受压和期望寿命进行预估。在作出结论时还应考虑冲击、热效应和使用不当等影响因素。另出于安全因素考虑在实际操作时还常将额定疲劳压力点向左平移一个坐标单位 以增加置信度。

原文始发于微信公众号（阀控系统）：液压元件之压力容腔的疲劳寿命