周 黎，霍衛(wèi)星，李 敏，謝文建

?

基于FTA和AMESim的四通均流閥可靠性提升研究

周 黎，霍衛(wèi)星，李 敏，謝文建

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

四通均流閥能夠?qū)⑷肟诹髁烤确殖伤穆?，?qū)動(dòng)四路不同的負(fù)載保證同步動(dòng)作。采用故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA），對(duì)該閥件的失效模式進(jìn)行研究；通過(guò)AMESim仿真，進(jìn)一步對(duì)故障模式進(jìn)行驗(yàn)證，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，并試制樣機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，提高了閥件的性能，對(duì)其他閥件的可靠性設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

四通均流閥；故障樹(shù)分析法；故障模式；AMESim；改進(jìn)措施；可靠性

0 引 言

四通均流閥能夠?qū)⑷肟诹髁烤确殖伤穆窂某隹诹鞒?，?qū)動(dòng)四路不同的負(fù)載進(jìn)行同步動(dòng)作，應(yīng)用于機(jī)械平臺(tái)或車(chē)體的調(diào)平場(chǎng)合。分流精度是四通均流閥最重要的參數(shù)之一，內(nèi)部閥芯的動(dòng)態(tài)特性會(huì)直接影響到閥件的分流精度，本文利用故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA），結(jié)合AMESim仿真，對(duì)該閥件的元件性能、失效模式進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施，提高了閥件的可靠性[1]。

1 控制原理及FTA分析

1.1 控制原理

四通均流閥在火箭的4個(gè)支腿受力不均時(shí)，仍能為每個(gè)支路分配近似相等的流量，保證每個(gè)千斤頂動(dòng)作速度相等，保證火箭在調(diào)平過(guò)程中安全可靠。四通均流閥由壓差可變式節(jié)流閥、減壓閥和負(fù)載選擇器三部分組成，工作原理如圖1所示。

壓力油從四通均流閥的進(jìn)口流入，分成兩路，常泄油路經(jīng)節(jié)流口1進(jìn)入負(fù)載選擇器的泄油調(diào)壓閥[2]，到達(dá)泄油口回油箱。主油路的壓差可變式節(jié)流閥在常態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，利用節(jié)流口1的壓力差將4個(gè)可變節(jié)流口打開(kāi)，保證四通均流閥工作時(shí)，壓差可變式節(jié)流閥在設(shè)定的壓差下工作。主油路的壓力油經(jīng)壓差可變式節(jié)流閥的4個(gè)可變節(jié)流口，進(jìn)入4個(gè)平衡活塞中，分別到達(dá)4個(gè)出油口驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。

出口4個(gè)減壓閥的特點(diǎn)是減壓閥的入口壓力與控制端壓力基本相同，從負(fù)載選擇器入口引的壓力（e），到達(dá)4個(gè)減壓閥的控制端，4個(gè)減壓閥的控制端壓力一致，從而使得4個(gè)減壓閥的入口壓力a，b，c，d保持一致，即壓差可變式節(jié)流閥的出口壓力相同，入口壓力均為s，故4個(gè)可變節(jié)流口的壓差一致。同時(shí)4個(gè)節(jié)流孔的過(guò)流面積均相等，最終達(dá)到四路出口流量均流的功能。

圖1 控制原理

1.2 FTA分析

為提高產(chǎn)品的可靠性和安全性，保證平臺(tái)水平度調(diào)整的可靠性，適應(yīng)平臺(tái)任務(wù)高可靠性的需求。為此采用FTA分析閥件的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，針對(duì)故障模式采取相應(yīng)措施提高閥件的可靠性，其分析流程如圖2所示。

圖2 四通均流閥FTA分析

由圖2可知，以閥分流精度超差為頂事件，分析出該閥存在兩種故障模式：a）減壓閥芯動(dòng)作不靈敏[3]；b）負(fù)載選擇器動(dòng)作不靈敏。導(dǎo)致第1種故障模式出現(xiàn)，活門(mén)和活門(mén)套間隙超差、活門(mén)套孔邊毛刺、內(nèi)部多余物等是其主要原因；導(dǎo)致第2種故障模式出現(xiàn)，活塞桿摩擦力過(guò)大、內(nèi)部多余物、閥套孔邊毛刺是其主要原因。

2 AMESim建模仿真

根據(jù)故障樹(shù)分析，為進(jìn)一步驗(yàn)證各種故障模式對(duì)四通均流閥的影響，采用AMESim建模[4]，通過(guò)調(diào)整閥的相關(guān)參數(shù)從而仿真對(duì)閥造成的性能影響。仿真模型如圖3所示。圖3中各閥芯、閥套的直徑和節(jié)流孔尺寸均按照實(shí)物設(shè)置。表1為仿真主要參數(shù)設(shè)置。

圖3 四通均流閥的AMESim模型

表1 仿真主要參數(shù)設(shè)置

2.1 減壓閥芯的摩擦力對(duì)閥性能的影響

將前3路負(fù)載壓力設(shè)定以間隔5 s遞增，即各梯度壓力為0 MPa，2 MPa，4 MPa，6 MPa，8 MPa，10 MPa。考慮各路負(fù)載在實(shí)際中為不均勻狀態(tài)，將第4路負(fù)載設(shè)定在30 s內(nèi)，線性從0 MPa增至10 MPa，如圖4所示。在模型中，設(shè)置第1路減壓閥芯為兩種靜、動(dòng)摩擦力參數(shù)：5 N、0 N；100 N、50 N。仿真得出兩種參數(shù)下對(duì)該路出油流量的影響，如圖5所示。

圖4 各路負(fù)載壓力的模擬曲線

圖5 減壓閥芯的靜-動(dòng)摩擦力對(duì)出油流量的影響曲線

從圖5可看出，減壓閥芯摩擦力小時(shí)，在全負(fù)載工況下出口流量均比較穩(wěn)定。當(dāng)增大減壓閥芯的摩擦力，在負(fù)載小的工況下該路油口流量會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，四路之間的流量差會(huì)變大，從而導(dǎo)致分流精度超差；當(dāng)靜摩擦力為100 N、動(dòng)摩擦力為50 N時(shí)，出油流量震動(dòng)幅值達(dá)到0.2 L/min；隨著負(fù)載壓力增大，油口流量穩(wěn)定性增強(qiáng)。

故減壓閥芯的摩擦力大小，即減壓閥芯的靈敏程度是影響分流精度和閥動(dòng)態(tài)性能[5]的重要因素。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制減壓閥芯和閥套之間的摩擦力。

2.2 負(fù)載選擇器的摩擦力對(duì)閥性能的影響

在模型中，設(shè)置負(fù)載選擇器為兩種靜、動(dòng)摩擦力參數(shù)：5 N，0 N；112.5 N，62.8 N，其他參數(shù)如表1所示。仿真得出兩種參數(shù)下對(duì)控制端壓力e的影響如圖6所示，出油流量曲線如圖7所示。

圖6 負(fù)載選擇器的靜-動(dòng)摩擦力對(duì)控制端壓力Pe的影響

圖7 負(fù)載選擇器的靜-動(dòng)摩擦力對(duì)出口流量的影響

從圖6可以看出，當(dāng)負(fù)載選擇器的摩擦力過(guò)大，會(huì)造成控制端壓力e的壓力出現(xiàn)震蕩。而控制端壓力e會(huì)被減壓閥的反饋端等環(huán)節(jié)放大，進(jìn)而造成出油流量的震蕩。圖7中當(dāng)負(fù)載壓力為10 MPa時(shí)，出油流量振動(dòng)幅度已經(jīng)達(dá)到3.5 L/min，嚴(yán)重影響閥的正常工作。

3 改進(jìn)措施及可靠性驗(yàn)證

3.1 減壓閥的改進(jìn)

減壓閥中活門(mén)起到動(dòng)態(tài)平衡活塞的作用，其摩擦力過(guò)大會(huì)造成力平衡失穩(wěn)，引起閥出油流量的震蕩，在FTA和AMESim仿真分析中均得到驗(yàn)證。為降低此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)格配合活門(mén)和活門(mén)套的運(yùn)動(dòng)間隙，控制在0.01~0.015 mm。將活門(mén)材料由40Cr13變?yōu)?5Cr18后，其外圓與活門(mén)套配磨的精度更容易得到保證。同時(shí)通過(guò)區(qū)別閥芯與閥套的硬度，減少滑閥運(yùn)動(dòng)的磨損，提高閥件工作的壽命。

表2 減壓閥材料和硬度優(yōu)化

3.2 負(fù)載選擇器的改進(jìn)

負(fù)載選擇器作為四通均流閥實(shí)現(xiàn)機(jī)械反饋的關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)卡滯會(huì)導(dǎo)致傳力出現(xiàn)問(wèn)題，直接影響均流閥正常工作。經(jīng)過(guò)上述分析，活塞桿上原有O形密封圈壓縮量如果過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致活塞桿在閥套中運(yùn)行阻力過(guò)大，進(jìn)而引起負(fù)載選擇器卡滯，嚴(yán)重影響閥的動(dòng)態(tài)性能。

為克服這種情況的出現(xiàn)，將O形密封圈改為摩擦力非常小的格來(lái)圈Turcon M12，其材質(zhì)為聚四氟乙烯。這種格來(lái)圈具有優(yōu)異的耐磨損和耐摩擦特性，能將硬件磨損降至最低，預(yù)防活塞桿與閥套之間的損毀，延長(zhǎng)了密封使用的壽命。為適應(yīng)密封圈的更改，將活塞桿、滑閥的溝槽設(shè)計(jì)改為格來(lái)圈形式，如圖8所示。

圖8 負(fù)載選擇器的改進(jìn)

原活塞桿、滑閥與閥套的材料均為40Cr13，且調(diào)質(zhì)硬度區(qū)分較小，如果密封圈失效，容易導(dǎo)致兩者運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)金屬粘合而卡滯，為最大程度降低卡滯風(fēng)險(xiǎn)，將相互運(yùn)動(dòng)的零件材料區(qū)分，并在熱處理強(qiáng)度上進(jìn)一步異化處理。

3.3 可靠性驗(yàn)證

改進(jìn)完成后，對(duì)四通均流閥進(jìn)行2 000次滿流量、交叉變負(fù)載的可靠性試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試分流精度對(duì)閥件的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)搭建見(jiàn)圖9。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，5種加載工況（見(jiàn)表3）下各試驗(yàn)400次，分流精度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分布如圖10所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)

表3 試驗(yàn)工況

圖10 可靠性試驗(yàn)分流精度分布

由圖10可以看出，同一工況下四通均流閥的工作性能比較穩(wěn)定。前4種工況，分流精度較高，平均值都小于2.5%，性能良好。第5種工況相對(duì)于其他工況比較惡劣，分流精度比其他稍大，但數(shù)據(jù)沒(méi)有突變現(xiàn)象，最大值為3.339%，均小于要求值3.5%。按照成敗型計(jì)算，取置信度為0.7，可以得出可靠度置信下限：

可靠性試驗(yàn)后，對(duì)該閥進(jìn)行拆解檢查：閥件內(nèi)部無(wú)多余物；閥芯閥套無(wú)異常磨損和劃傷現(xiàn)象、相互運(yùn)動(dòng)靈活。由此可見(jiàn)，四通均流閥經(jīng)歷2 000次試驗(yàn)考核，閥芯閥套結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，運(yùn)動(dòng)間隙及密封性能良好；在頻繁變負(fù)載工況下分流精度穩(wěn)定，性能優(yōu)異。整個(gè)閥件經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，閥件的可靠性高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)FTA分析閥件的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，對(duì)比原結(jié)構(gòu)找出了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)AMESim仿真，進(jìn)一步對(duì)故障模式進(jìn)行驗(yàn)證，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并試制樣機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，多重保證可靠性提升的正確性，提高了閥件的可靠性和整體性能。同時(shí)，對(duì)其他閥件的可靠性設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

[1] 王少萍. 工程可靠性[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2000.

[2] 楊源泉. 閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992.

[3] 吳敏. 減壓閥流量壓力特性的分析與探討[J]. 閥門(mén), 2002(2):17-18.

[4] 梁全, 蘇齊瑩. 液壓系統(tǒng)AMESim計(jì)算機(jī)仿真指南[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[5] 陳龍安, 劉釗, 朱武強(qiáng). 液壓分流閥動(dòng)態(tài)性能仿真與研究[J]. 工程機(jī)械, 2004(9): 42-44.

Research on Reliability Enhancement of Four Way Flow Divider Based on FTA And AMESim

Zhou Li, Huo Wei-xing, Li Min, Xie Wen-jian

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The valve can equally divided the inlet flow into four channels, to drive four different loads and ensrue them synchronization. This paper analyzes fault mode of this valve using FTA. Through the AMESim simulation, the fault mode is further proved and the improving measures are proposed. Not only that，the reliability test is conducted on the prototype, to improve performance of this valve. Also it can be used as reference for the reliability design of other valves.

Four way flow divider; Fault Tree Analysis; Fault mode; AMESim; Improving measures; Reliability

1004-7182(2017)06-0077-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170617

V55

A

2017-04-06；

2017-10-30

周 黎（1984-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐簤合到y(tǒng)及元件