CN109869308B - 一种微型泵加速寿命测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微型泵领域，并具体公开了一种微型泵加速寿命测试方法。该方法包括将微型泵进行分组，选取电压和工质温度作为加速应力并进行连续测试获得伪失效寿命，通过计算获得每组微型泵的特征寿命、该型号微型泵的激活能和指数常数，选取求解参照组并根据求解参照组的特征寿命结合激活能和指数常数，获得该型号的微型泵正常使用条件下的特征寿命。本发明根据微型泵电压增高和工质温度升高会加速微型泵失效，并且微型泵失效形式固定、单一等特点，将电压和工质温度作为加速应力，对微型泵进行加速寿命测试，具有操作性强并且易于试验调控的特点，同时还能够缩短试验周期、降低试验成本。
Description
技术领域
本发明属于微型泵领域，更具体地，涉及一种微型泵加速寿命测试方法。
背景技术
泵是输送流体或使流体增压的机械。通常将尺寸达到mm量级及以下的泵称作微型泵。微型泵作为微流控系统的“心脏”，是微流体输送的动力源，可广泛用于药物输送、血液运输、DNA合成、电子冷却系统、微全分析系统、动力电池、卫星推进系统等领域，市场需求量大，前景十分广阔。微型泵作为一种产品，其使用寿命备受消费者关注。在流量和扬程达到消费者要求时，使用寿命越长的微型泵将受到消费者的青睐。而对于一个微型泵，要想知道其准确的使用寿命，最有效和最可靠的方法便是对其进行寿命测试。通过寿命测试，不仅能获得准确的寿命信息，而且还能发现产品设计制造的薄弱点，反过来指导产品优化。因此，对微型泵进行寿命测试十分有必要。
寿命测试主要有常规寿命测试与加速寿命测试两种。常规寿命测试是在额定的工作应力条件和常规环境下进行的长期寿命测试，其测试结果很准确，但是成本极高，周期极长；加速寿命测试则是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的寿命测试。相较于常规寿命测试而言，加速寿命测试能缩短试验周期，提高试验效率，降低试验成本，但是，其数据处理较为复杂，测试结果不如常规寿命测试结果准确。综合来看，针对于微型泵，加速寿命测试是更优方法。
然而，目前对微型泵加速寿命测试方法一直是个空白，已有的针对其他部件的加速寿命测试方法不适用于具有高转速、失效形式固定单一等特点的微型泵，无法直接移用与微型泵中。没有加速寿命测试方法，微型泵的加速寿命试验便无法进行，要得到其寿命信息就只能通过常规寿命测试，这样便会带来巨大的时间与经济成本，不利于微型泵行业的发展。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种微型泵加速寿命测试方法，其中通过选取电压和工质温度作为加速应力，根据伪失效寿命计算正常使用条件下的特征寿命，相应的能够提高测试效率、降低测试成本，因而尤其适用于微型泵寿命测试之类的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1将同种型号的微型泵进行分组，选取电压和工质温度作为加速应力并分别设定运行工况，保证其中至少3组微型泵的电压相同而工质温度不同，同时至少3组微型泵的工质温度相同而电压不同；
S2分别对上述每组微型泵在设定的运行工况下进行连续测试，达到预期设定的失效点后停止运行，将每台微型泵从开始进行测试到停止运行所经历的时间记为伪失效寿命；
S3根据所述伪失效寿命获得所述每组微型泵的特征寿命、该型号微型泵的激活能和指数常数；
S4将上述微型泵中任意一组作为求解参照组，根据所述求解参照组的特征寿命结合步骤S3获得的激活能和指数常数，获得该型号的微型泵正常使用条件下的特征寿命。
作为进一步优选地，所述步骤S1中每组微型泵中至少包括3个微型泵。
作为进一步优选地，所述步骤S1中将微型泵分为5组，其中3组电压相同而工质温度不同，另2组工质温度与前3组中工质温度最高的一组相同，而电压不同。
作为进一步优选地，所述步骤S1中选用的微型泵的初始流量值之间偏差不超过5％。
作为进一步优选地，所述步骤S1中各组微型泵的运行工况中最低电压高于正常工作电压的25％。
作为进一步优选地，所述步骤S1中各组微型泵的运行工况中最高工质温度低于工质的沸点。
作为进一步优选地，所述步骤S2中的失效点为微型泵的当前流量值与初始流量值的比值低于0.7的时刻。
作为进一步优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：
S31根据每组微型泵的伪失效寿命，结合公式(1)进行拟合得到每组微型泵的特征寿命η；
式中，F(t)为失效微型泵的分布函数，t为伪失效寿命，η为特征寿命，m为失效形式，e为自然常数；
S32根据不同工质温度下各组微型泵的特征寿命η，结合公式(2)进行拟合得到该型号微型泵的激活能Ea；
式中，A为经验常数，Ea为激活能，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，其值为8.62×10-5eV/K；
S33根据不同电压下各组微型泵的特征寿命η，结合公式(3)进行拟合得到该型号微型泵的指数常数β；
η＝αU-β (3)
式中，α为经验常数，U为电压值，β为指数常数。
作为进一步优选地，所述步骤S4包括如下子步骤：
S41选取各组微型泵中任意一组作为求解参照组；
S42根据激活能Ea通过公式(4)获得工质温度加速因子AFT；
式中，T0为微型泵正常使用条件下工质温度值，Ti为所述求解参照组的工质温度值；
S43根据指数常数β通过公式(5)获得电压加速因子AFU；
式中，U0为微型泵正常使用条件下的电压值，Ui为所述求解参照组的电压值；
S44根据求解参照组的特征寿命η(Ti,Ui)、所述工质温度加速因子AFT和所述电压加速因子AFU，通过公式(6)获得微型泵正常使用条件下的特征寿命η(T0,U0)
η(T0,U0)＝η(Ti,Ui)×AFT×AFU (6)。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.微型泵具有转速极高的特点，而运行工况中的电压增高会直接导致叶轮转速升高，加大了叶轮与固壁碰撞断裂的概率，从而加速微型泵的失效，同时工质温度的升高会提高微型泵内部粘胶的老化速度，同样能够加速微型泵的失效，因此本发明根据微型泵的特点将电压和工质温度作为加速应力，对微型泵进行加速寿命测试，保证各组微型泵的运行工况中最低电压高于正常工作电压的25％，最高工质温度低于工质的沸点，具有操作性强并且易于试验调控的特点，同时还能够缩短试验周期、降低试验成本；
2.同时，本发明根据微型泵失效形式相对固定、单一的特点，假设各组微型泵的失效形式一致，通过威布尔分布获得不同运行工况下微型泵的特征寿命，利用不同工质温度下加速模型符合阿伦尼斯模型和不同电压下加速模型符合逆幂律模型的假设获得微型泵的激活能和指数常数，并通过选取求解参照组结合上述参数获得正常使用条件下的特征寿命，从而能够准确获得微型泵的寿命；
3.尤其是，本发明提出了一套完整、可靠并且具有很强指导意义的微型泵加速寿命测试方法，弥补了目前学术界与产业界在这块研究上的空白，对微型泵的寿命测试研究具有一定的推进作用，能大大缩短获得微型泵寿命信息的周期。
附图说明
图1是本发明提供的微型泵加速寿命测试方法的流程图；
图2是本发明优选实施例提供的微型泵加速寿命测试方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出了一种微型泵加速寿命测试方法，该方法包括如下步骤：
S1将同种型号的微型泵进行分组，选取电压和工质温度作为加速应力并分别设定运行工况，保证其中至少3组微型泵的电压相同而工质温度不同，同时至少3组微型泵的工质温度相同而电压不同；
更具体地，每组微型泵中至少包括3个微型泵，并且每个微型泵的初始流量值之间偏差不超过5％；
因选取电压和工质温度作为加速应力，故每组微型泵的电压和工质温度均比微型泵正常使用条件下的电压和工质温度高，其中各组微型泵的运行工况中的最低电压高于正常工作电压的25％，最高工质温度低于工质的沸点，各组之间的电压或工质温度差距明显；
为减少测试成本，优选将微型泵均分为5组，其中3组电压相同而工质温度不同，另2组工质温度与前3组中工质温度最高的一组相同，而电压不同；
S2分别对上述每组微型泵在设定的运行工况下进行连续测试，达到预期设定的失效点后停止运行，将每台微型泵从开始进行测试到停止运行所经历的时间记为伪失效寿命；
更具体地，失效点为微型泵的当前流量值与初始流量值的比值低于0.7的时刻；
S3假设微型泵的寿命服从威布尔分布，并且在各加速应力下微型泵的失效机理保持不变，分别获得上述每组微型泵的特征寿命，然后根据不同工质温度下加速模型符合阿伦尼斯模型和不同电压下加速模型符合逆幂律模型的假设，获得该型号微型泵的激活能和指数常数；
更具体地，步骤S3包括如下子步骤：
S31假设微型泵的寿命服从威布尔分布，如公式(1)所示，根据每组微型泵的伪失效寿命结合公式(1)进行拟合得到每组微型泵的拟合曲线；
式中，F(t)为失效微型泵的分布函数，t为伪失效寿命，η为尺度参数，代表特征寿命，m为形状参数，代表失效形式，e为自然常数；
假设在各应力水平下，微型泵的失效机理保持不变，因此各组微型泵的失效形式一致，即每组微型泵的m均相等，分别根据所述每组微型泵的拟合曲线获得每组微型泵的特征寿命η；
S32假设不同工质温度下，加速模型符合阿伦尼斯模型，如公式(2)所示，将不同工质温度下各组微型泵的特征寿命η进行拟合得到该型号微型泵的激活能Ea；
式中，A为经验常数，Ea为激活能，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，其值为8.62×10-5eV/K；
S33假设不同电压下，加速模型符合逆幂律模型，如公式(3)所示，将不同电压下各组微型泵的特征寿命η进行拟合得到该型号微型泵的指数常数β；
η＝αU-β (3)
式中，α为经验常数，U为电压值，β为指数常数；
S4将所述5组微型泵中任意一组作为求解参照组，根据所述求解参照组的特征寿命结合步骤S3获得的激活能和指数常数，获得该型号微型泵正常使用条件下的特征寿命；
更具体地，步骤S4包括如下子步骤：
S41选取上述微型泵中任意一组作为求解参照组；
S42根据步骤S32获得的激活能Ea通过公式(4)获得工质温度加速因子AFT；
式中，T0为微型泵正常使用条件下工质温度值，Ti为所述求解参照组的工质温度值；
S43根据步骤S33获得的指数常数β通过公式(5)获得电压加速因子AFU；
式中，U0为微型泵正常使用条件下的电压值，Ui为所述求解参照组的电压值；
S44根据求解参照组的特征寿命η(Ti,Ui)、步骤S42获得的工质温度加速因子AFT和步骤S43获得的电压加速因子AFU，通过公式(6)获得微型泵正常使用条件下的特征寿命η(T0,U0)
η(T0,U0)＝η(Ti,Ui)×AFT×AFU (6)。
如图2所示，根据一个优选实施例对本发明提供的微型泵加速寿命测试方法作进一步说明。
S1选取20个同种型号的微型泵，将其均分成5组，每组包括4个微型泵，该微型泵正常使用条件下的电压为18V，工质温度为25℃，设定5组微型泵的运行工况为：(26V,60℃)，(26V,70℃)，(26V,80℃)，(22V,80℃)，(24V,80℃)；
S2在进行加速寿命测试前，记录每个微型泵的初始流量值，然后分别对上述每组微型泵在设定的运行工况下进行连续测试，每组微型泵严格按照设定的运行工况进行，每隔5天测试一次所有20个微型泵的流量值，将测得的流量值与每个微型泵初始流量值作比值，若该比值大于0.7，则说明对应的微型泵还未达到失效点，继续进行加速寿命测试，直到达到失效点为止，当20个微型泵全部达到失效点后记录20个伪失效寿命；
S31对于20个伪失效寿命按照分组进行整理，每组微型泵有4个伪失效寿命数据，假设微型泵的寿命服从威布尔分布，如公式(1)所示，根据每组微型泵的伪失效寿命结合公式(1)进行拟合得到5条微型泵的拟合曲线，其中每条曲线的m均相等，得到5个特征寿命η1、η2、η3、η4、η5；
S32根据求得的(26V,60℃)，(26V,70℃)，(26V,80℃)三组对应的特征寿命η1、η2、η3根据公式(2)进行拟合得到激活能Ea；
S33根据求得的(22V,80℃)，(24V,80℃)，(26V,80℃)三组对应的特征寿命η4、η5、η3根据公式(3)进行拟合得到指数常数β；
η＝αU-β (3)
S41选取工况为(26V,70℃)的一组微型泵作为求解参照组，该求解参照组的特征寿命η2；
S42根据步骤S32获得的激活能Ea通过公式(4)获得工质温度加速因子AFT；
式中，T0为298.15K，Ti为343.15K；
S43根据步骤S33获得的指数常数β通过公式(5)获得电压加速因子AFU；
式中，U0为18V，Ui为26V；
S44根据求解参照组的特征寿命η2、步骤S42获得的工质温度加速因子AFT和步骤S43获得的电压加速因子AFU，通过公式(9)获得微型泵正常使用条件(18V,25℃)下的特征寿命η(T0,U0)；
η(T0,U0)＝η(Ti,Ui)×AFT×AFU (6)
式中，η(Ti,Ui)为η2。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1将同种型号的微型泵进行分组，选取电压和工质温度作为加速应力并分别设定运行工况，保证其中至少3组微型泵的电压相同而工质温度不同，同时至少3组微型泵的工质温度相同而电压不同；
S2分别对上述每组微型泵在设定的运行工况下进行连续测试，达到预期设定的失效点后停止运行，将每台微型泵从开始进行测试到停止运行所经历的时间记为伪失效寿命；
S3根据所述伪失效寿命获得所述每组微型泵的特征寿命、该型号微型泵的激活能和指数常数；
S4将上述各组微型泵中任意一组作为求解参照组，根据所述求解参照组的特征寿命结合步骤S3获得的激活能和指数常数，获得该型号微型泵正常使用条件下的特征寿命。
2.如权利要求1所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S1中每组微型泵中至少包括3个微型泵。
3.如权利要求1或2所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S1中将微型泵分为5组，其中3组电压相同而工质温度不同，另2组工质温度与前3组中工质温度最高的一组相同，而电压不同。
4.如权利要求3所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S1中选用的微型泵的初始流量值之间偏差不超过5％。
5.如权利要求4所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S1中各组微型泵的运行工况中最低电压高于正常工作电压的25％。
6.如权利要求4所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S1中各组微型泵的运行工况中最高工质温度低于工质的沸点。
7.如权利要求4所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S2中的失效点为微型泵的当前流量值与初始流量值的比值低于0.7的时刻。
8.如权利要求5～7任一项所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下子步骤：
S31根据每组微型泵的伪失效寿命，结合公式(1)进行拟合得到每组微型泵的特征寿命η；
式中，F(t)为失效微型泵的分布函数，t为伪失效寿命，η为特征寿命，m为失效形式，e为自然常数；
S32根据不同工质温度下各组微型泵的特征寿命η，结合公式(2)进行拟合得到该型号微型泵的激活能Ea；
式中，A为经验常数，Ea为激活能，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，其值为8.62×10- 5eV/K；
S33根据不同电压下各组微型泵的特征寿命η，结合公式(3)进行拟合得到该型号微型泵的指数常数β；
η＝αU-β (3)
式中，α为经验常数，U为电压值，β为指数常数。
9.如权利要求5～7任一项所述的微型泵加速寿命测试方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下子步骤：
S41选取各组微型泵中任意一组作为求解参照组；
S42根据激活能Ea通过公式(4)获得工质温度加速因子AFT；
式中，T0为微型泵正常使用条件下工质温度值，Ti为所述求解参照组的工质温度值；
S43根据指数常数β通过公式(5)获得电压加速因子AFU；
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