張素萍

(鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司 懸掛發(fā)射系統(tǒng)控制技術(shù)研究室，鄭州 450005)

以高壓冷氣為彈射能源的氮?dú)庾鲃?dòng)系統(tǒng)具有清潔、使用維護(hù)方便、成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，歐美等軍事發(fā)達(dá)國(guó)家及國(guó)內(nèi)不斷致力于高壓冷氣作動(dòng)技術(shù)的研究，并已在部分先進(jìn)飛機(jī)懸掛發(fā)射裝置中推廣應(yīng)用［1］。而燃?xì)庾鲃?dòng)系統(tǒng)中的拋放彈因其在使用過程中存在燒蝕、積炭、殘?jiān)F(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)品使用性能下降、綜合保障水平較低，正逐步被取代。

近年來，隨著對(duì)彈射裝置要求越來越高，小型化超高壓彈射作動(dòng)系統(tǒng)扮演了越來越重要的位置，而對(duì)其核心部件-小型化超高壓氣體電磁閥的性能要求也就越來越高。通過對(duì)小型化超高壓氣體電磁閥的結(jié)構(gòu)原理及性能研究，目前已解決超高壓氣體電磁閥在氮?dú)馔斗偶夹g(shù)中的應(yīng)用問題［2］。超高壓氣體電磁閥已在國(guó)產(chǎn)某型飛機(jī)上配套的懸掛裝置上得以應(yīng)用。隨著氮?dú)馔斗偶夹g(shù)的推廣，以超高壓電磁閥為核心的氮?dú)馔斗叛b置將代替使用燃?xì)庾魍斗拍茉吹膽覓煅b置。超高壓電磁閥是氮?dú)庾鲃?dòng)系統(tǒng)的核心部件，其可靠性關(guān)系到機(jī)載懸掛裝置的可靠性［3］。本文通過對(duì)超高壓電磁閥的可靠性分析，找出電磁閥的薄弱環(huán)節(jié)，采取改進(jìn)措施，提高電磁閥的可靠性，對(duì)氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用具有重要意義。

1 超高壓電磁閥的故障模式分析FMEA(CA)

電磁閥的FMEA(CA)故障模式及危害性分析是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)、分析工作的一部分［3-4］。旨在通過對(duì)電磁閥的故障模式及危害性分析，找出各部件、組件和零件的所有潛在故障模式對(duì)產(chǎn)品可能產(chǎn)生的影響;找出設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是影響安全的單點(diǎn)故障和影響任務(wù)完成的故障，從而為產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)或采取補(bǔ)救措施提供資料，以便把失效降低到最低限度，提高產(chǎn)品的可靠性［5］。

1)分析級(jí)別、范圍FMEA(CA)分析級(jí)別為組件級(jí)，即電磁閥組件。該電磁閥的分析范圍包括電磁閥產(chǎn)品圖樣中所有影響功能的零組件。

2)分析方法

采用硬件法對(duì)電磁閥進(jìn)行FMEA(CA)分析。

3)產(chǎn)品故障嚴(yán)酷度分類

按照產(chǎn)品故障對(duì)系統(tǒng)性能影響的程度，嚴(yán)酷度分類見表1。

表1 產(chǎn)品故障對(duì)系統(tǒng)性能影響的嚴(yán)酷度分類

4)產(chǎn)品定義

a)功能定義

超高壓電磁閥，即工作壓力大于21MPa 的電磁閥，本研究中的超高壓電磁閥為瓶閥一體的常閉型開關(guān)電磁閥，額定工作壓力為35MPa，在環(huán)境溫度為+70℃時(shí)，電磁閥的工作壓力達(dá)到43MPa。超高壓電磁閥在氮?dú)庾鲃?dòng)系統(tǒng)中的功能為將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，控制氣路的開與關(guān)，從而為掛彈鉤的彈射投放提供動(dòng)力。

b)任務(wù)剖面

該電磁閥主要任務(wù)是當(dāng)電磁閥通電時(shí)打開氣路，斷電時(shí)關(guān)閉氣路。

c)環(huán)境剖面

環(huán)境溫度(-55 ～+70)℃。

d)失效判據(jù)

①電磁閥通電時(shí)氣路打不開;②電磁閥斷電時(shí)氣路關(guān)不上;③電磁閥漏氣。

5)電磁閥的故障模式及危害性分析

電磁閥的典型功能模式對(duì)應(yīng)的功能框圖及可靠性框圖見圖1、圖2。表2 為電磁閥的故障模式及危害性分析表。

圖1 電磁閥功能方框圖

圖2 電磁閥可靠性框圖

將表2 內(nèi)容填入危害性矩陣見圖3。

圖3 危害性矩陣

說明:點(diǎn)1 包括10 -01;點(diǎn)2 包括10 -03、12 -03;點(diǎn)3包括11 -04、11 -05、11 -06、11 -08、01 -07、02 -06、03 -06、04 -08、06 -09、05 -08;點(diǎn)6 包括10 -02、07 -09

從圖3 可以看出，對(duì)產(chǎn)品危害性最大的失效模式為10 -01 即電磁閥打不開。其次是10 -03 電磁閥漏氣、12 -03 閥芯漏氣。

2 電磁閥可靠性影響因素分析

產(chǎn)品在方案階段主要從設(shè)計(jì)上采取了優(yōu)化結(jié)構(gòu)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等措施來保證可靠性。進(jìn)入研制階段以后，還要從工藝、零件加工、產(chǎn)品裝配以及產(chǎn)品制造過程的質(zhì)量控制等方面采取措施［7］。

2.1 工作氣隙的影響

工作氣隙是電磁閥的重要參數(shù)之一。工作氣隙的大小影響著電磁吸力的大小，從而影響電磁閥的動(dòng)作可靠性。其次，工作氣隙的大小決定著電磁閥的流量，從而決定掛彈鉤的彈射分離速度。在裝配過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制電磁閥的工作氣隙。

2.2 磁性零件磁性能的影響

磁性零件的磁性能包括磁感應(yīng)強(qiáng)度B、最大磁導(dǎo)率μm及矯頑力Hc，其中，磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁導(dǎo)率決定著電磁鐵的吸力特性，從而決定著電磁閥能否可靠作動(dòng)。矯頑力與磁性零件的剩磁有關(guān)，矯頑力越大，剩磁也越大，若剩磁大于一定量值，電磁閥斷電時(shí)銜鐵有可能不復(fù)位［7-8］。

2.3 裝配環(huán)境的影響

由故障模式影響及危害性分析可知，對(duì)產(chǎn)品危害性最大的故障模式為電磁閥打不開，電磁閥打不開的故障原因是閥芯卡滯，若裝配環(huán)境不潔，多余物會(huì)造成閥芯卡滯或進(jìn)氣孔堵塞。且固體顆粒會(huì)附在閥體及閥芯表面，使密封圈等磨損，產(chǎn)生新的固體顆粒。降低了產(chǎn)品的性能及壽命。這就對(duì)電磁閥的裝配提出了嚴(yán)格的清潔要求。當(dāng)產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)，更是如此。沒有潔凈的裝配環(huán)境，超高壓電磁閥不可能批量生產(chǎn)。目前，專業(yè)的高壓電磁閥生產(chǎn)廠家均使用了潔凈室。

2.4 氣源的影響

氣源對(duì)產(chǎn)品的危害主要是固體微粒和水分的污染，固體顆粒的危害在上面已介紹過，為有效地消除固體顆粒，氮?dú)庾鲃?dòng)系統(tǒng)內(nèi)，電磁閥前端必須安裝過濾器。過濾器的精度一般應(yīng)不大于14 μm。

水分進(jìn)入系統(tǒng)主要有2 方面的危害:①水分滯留在產(chǎn)品中會(huì)使產(chǎn)品生銹;②水分結(jié)冰造成閥芯卡滯。因此，氣源的露點(diǎn)也是影響超高壓電磁閥可靠性的因素之一。35 MPa 高壓氮?dú)獾膲毫β饵c(diǎn)應(yīng)不高于-35℃。

氣源質(zhì)量不良是氣動(dòng)系統(tǒng)故障的重要影響因素，它使氣動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命大大降低。

2.5 彈簧力的影響

由故障模式影響分析可知，彈簧的作用是使閥芯復(fù)位，當(dāng)彈簧力偏小時(shí)，彈簧力可能克服不了閥芯與內(nèi)閥體的摩擦，而使閥芯不能復(fù)位，導(dǎo)致電磁閥充不上氣或漏氣。在保證電磁吸力足夠的情況下，應(yīng)適當(dāng)增大彈簧力。

表2 電磁閥FMEA 故障模式及影響分析

其中，故障發(fā)生概率等級(jí)劃分如下:A.經(jīng)常發(fā)生;B.很可能發(fā)生;C.偶然發(fā)生;D.很少發(fā)生;E.極少發(fā)生。

2.6 潤(rùn)滑脂的影響

閥芯與內(nèi)閥體間的密封結(jié)構(gòu)為內(nèi)部滑動(dòng)密封，摩擦力的大小直接影響閥芯運(yùn)動(dòng)的靈活性，因而是否采用潤(rùn)滑以及潤(rùn)滑效果的好壞是影響電磁閥可靠性的重要因素。電磁閥使用的潤(rùn)滑脂不僅要耐高溫、而且要耐低溫，還不能腐蝕密封件。另外，因本文所研究的超高壓電磁閥結(jié)構(gòu)的特殊性，電磁閥是免維護(hù)、不可維修產(chǎn)品，潤(rùn)滑脂不能定期補(bǔ)充，還要與產(chǎn)品同壽命。選用性能優(yōu)良的潤(rùn)滑脂不僅可以減小摩擦，使閥芯運(yùn)動(dòng)靈活，而且可以減少密封件的磨損，以防泄露。良好的潤(rùn)滑對(duì)延長(zhǎng)電磁閥的使用壽命、提高可靠性是非常有好處的。目前，超高壓電磁閥使用的7805 抗化學(xué)密封脂是經(jīng)多方面調(diào)研找到的，能夠滿足以上要求的潤(rùn)滑脂。

3 超高壓電磁閥外部電路對(duì)氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)的影響

以上論述了超高壓電磁閥本身的可靠性影響因素，超高壓電磁閥在氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，其外部供電線路的可靠性，直接影響著氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)的可靠性［9-10］。由于受掛彈鉤體積、空間的限制，氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)只使用了一個(gè)電磁閥，且電磁閥只有一組線圈，也就是說，從可靠性角度分析，無論是電磁閥本身還是氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)，都沒有并聯(lián)系統(tǒng)，無余度設(shè)計(jì)，這就要求氮?dú)馔斗啪€路中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性必須提高，如接插件的對(duì)接質(zhì)量、投放線路中焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量，特別是與電磁閥引出線對(duì)接的掛彈鉤擊針處的接觸電阻的大小等，這些環(huán)節(jié)對(duì)氮?dú)庾鲃?dòng)系統(tǒng)的可靠性功能來說，都與電磁閥串聯(lián)，即使電磁閥的可靠性很高，如果這些小的環(huán)節(jié)出了故障，整個(gè)氮?dú)馔斗畔到y(tǒng)就會(huì)出故障，從而導(dǎo)致任務(wù)延誤或失敗，切不可因小失大。

4 電磁閥外部氣路系統(tǒng)的影響

前面2.3 條及2.4 條介紹了裝配環(huán)境不潔凈及氣源質(zhì)量不好對(duì)電磁閥的影響，其機(jī)理主要是固體顆粒使電磁閥產(chǎn)生了故障。同理，如果電磁閥進(jìn)氣部分的管路及氣瓶?jī)?nèi)部不潔凈或銹蝕，同樣會(huì)產(chǎn)生多余物，所以，電磁閥外部的進(jìn)氣管路及氣瓶要有較好的抗腐蝕性，且在裝配前要進(jìn)行清潔處理，避免產(chǎn)生多余物。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究以瓶閥一體化超高壓電磁閥為例，對(duì)超高壓電磁閥的故障模式進(jìn)行了分析。確定了影響超高壓電磁閥可靠性的主要因素，提出了改進(jìn)方法，并采取了改進(jìn)措施。超高壓電磁閥是精密的壓力元件，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、零件加工到產(chǎn)品裝配以及使用，每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)細(xì)節(jié)做不到位，都會(huì)使電磁閥的可靠性降低或造成產(chǎn)品故障。相反，如果這些細(xì)節(jié)做好了，產(chǎn)品的可靠性就會(huì)大大提高。我單位以前的產(chǎn)品中，高壓電磁閥用得不多，人們習(xí)慣于加工結(jié)構(gòu)尺寸較大的掛彈鉤、掛架。隨著氮?dú)馔斗偶夹g(shù)的發(fā)展，超高壓電磁閥的應(yīng)用會(huì)越來越多，本文通過分析電磁閥的可靠性影響因素，呼吁大家在超高壓電磁閥的設(shè)計(jì)、制造及使用中增強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，注重細(xì)節(jié)，提高產(chǎn)品的可靠性。

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