如何提高电磁阀的可靠性和安全性

在化工厂、炼油厂或深海石油钻井平台等工业环境中，存在安全仪表系统，旨在在检测到某些危险情况时立即安全关闭流程。




由于电磁阀作为 ESD 的一部分，在工厂正常运行期间通常“静止”，即静止，因此无法观察到它“卡住”在一个位置的事实。换言之，危险故障在正常操作中是检测不到的。

什么是静摩擦力？

许多研究和组织以不同的方式定义了静摩擦，即静摩擦。然而，所有人都同意静摩擦是被静摩擦“卡住”的行为，这会阻止一个表面相对于另一个表面移动。此外，如果外力大于静摩擦力，则两个表面之间的静摩擦力将被克服，物体将再次开始运动。

电磁阀中的静摩擦

在正常操作中，即使柱塞或阀芯在运动时，电磁阀中的 O 形圈也能保持密封。由于 O 形圈与阀腔壁直接接触，因此柱塞/阀芯要开始移动，必须首先克服 O 形圈和腔壁之间的静摩擦力。

一旦运动，柱塞/阀芯必须克服 O 形圈和壁之间的滑动或动态摩擦，但是，由于动态摩擦通常显着小于标称静摩擦水平，因此通常不必担心。根据设计，电磁阀中的磁力和弹簧力足以克服标称静摩擦力，并且根据电磁阀的设计细节，通常具有足以克服大约 2 到 2.5 倍标称静摩擦力的多余力。一旦克服了静摩擦，柱塞/阀芯将继续移动。

然而，当阀门处于静止状态一段时间时，可能会出现一个常见且麻烦的问题，因为 O 形环和阀室壁之间的静摩擦会随着时间的推移从其标称水平增加，直到达到某个最大值。有可能静摩擦的增加可能达到由螺线管线圈和/或弹簧产生的力不再足以克服增加的静摩擦的水平。因此，当要求阀门关闭时，它不能这样做。但是，如果克服了过度的静摩擦，静摩擦会恢复到其原始标称水平，尽管一旦阀门停止移动，它就会再次开始增加。

粘滞证据

专家知识：经常使用电磁阀的机械工程师和技术人员都熟悉尝试“行程”的经验，即在其运动范围内移动，这是一个长时间静止的阀门。他们报告说，在阀门静止一个月或更长时间后，需要额外的力来移动阀门的情况并不少见。

在一家制造商的 O 形环手册中，注意到“起始摩擦系数”（静摩擦），当 O 形环静止 1 周到 1 个月时会增加，此后静摩擦稳定。“爆发摩擦”（静摩擦）与“循环之间的延迟”的特定图表显示静摩擦力在大约 300 小时时趋于稳定。该手册的作者指出：“该理论已被提出并被普遍接受，即站立时摩擦力的增加是由橡胶 O 型圈流入配合零件的微细凹槽或表面不规则引起的。”

ISO 13849：在与安全标准 EN ISO 13849-1 相关的关于使用特定电磁驱动气动阀的可靠性指标和信息的声明中，文本内容为“阀门必须至少每周操作一次或每转移以确保预期的功能。” 支持此声明的数据是通过循环测试获得的，在此期间，电磁阀在任何重要时间内都不会处于静止状态。该声明承认循环测试的结果只有在保持周期性阀门运动的情况下才有效。在没有这种周期性运动的情况下，从循环测试结果得出的故障率在应用于这些组件花费大量时间静止的应用中时不能被认为是有效的。

电磁阀行程测试

在行程测试中，螺线管线圈断电一小段时间，以查看弹簧是否可以完全减压，从而在整个运动范围内沿一个方向移动阀芯。然后重新通电，阀芯必须再次移动。在阀门行程测试完成时，要么已验证电磁阀可操作，要么已检测到由于静摩擦引起的危险故障。

虽然阀门行程测试对按需平均故障概率 (PFDavg) 会产生有益的结果，即使不经常执行，理想情况下，我们不仅希望检测由于静摩擦引起的故障，而且还希望防止它们发生. 那么，每周一次的行程测试是否足够频繁，以确保静摩擦积聚在超过阀门可用的多余力之前被破坏？与真正由恒定故障率表示的随机故障不同，由于静摩擦引起的故障不太可能在测试之间的时间间隔很早发生，此时静摩擦水平没有增加太多，一旦静摩擦水平增加到超过测试水平，则更有可能发生可以克服阀门的过大作用力。因此，虽然我们知道，根据经验，最大静摩擦水平会在大约 275-300 小时达到，但我们还需要考虑静摩擦达到最大值的速度，以确定最合适的时间间隔。阀门行程测试。

阀门行程测试的替代方案？

在一些最终用户圈子中，仍然坚信阀门行程测试会因误跳闸而导致工厂停工，更好的安全解决方案是提供更高的安全裕度（更大的多余力）来克服静摩擦的增加。然而，那些精通螺线管设计的人意识到，克服静摩擦的更高安全裕度实际上会导致更大的误跳闸率。这是因为克服静摩擦增加的更高安全裕度需要更大的弹簧，而弹簧又需要更多的能量来为线圈供电。增加的能量需求导致线圈烧坏的可能性更高，从而导致更高的误跳闸率。因此，如果我们寻求在提高安全性的同时优化误跳闸率，那么阀门行程测试提供了一个很好的解决方案。

中风测试的建议

根据目前多个来源一致的可用信息，我们建议：

• 每周开始电磁阀行程测试，记录阀门是否卡住。

• 经过几个月的测试，如果发现阀门卡住的次数似乎过多，则将测试间隔减半。

• 重复该过程，直到确定最佳测试间隔，以便行程测试通常验证阀门运动。

即使不频繁的电磁阀行程测试也可以对可靠性和安全性能的改进产生显着的有益影响。然而，如果每周一次的电磁阀行程测试在给定的应用中是可行的，那么实施它可以帮助避免在 ESD 中发生危险的故障。