侯曉勇

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司,上海 200030）

1 通風(fēng)隔離閥傳動系統(tǒng)運動可靠性分析原理

通風(fēng)隔離閥的傳動系統(tǒng)包括2 部分,即傳動機構(gòu)與閥板開關(guān)機構(gòu)。本研究通過探究閥板在關(guān)閉和自鎖的表現(xiàn),分析并驗證傳動系統(tǒng)的運動可靠性。結(jié)合通風(fēng)隔離閥的動作特點,在閉合時傳動桿件的位置決定了傳動機構(gòu)的閉鎖角度。因此,傳動系統(tǒng)的傳遞動作是否精確,即可代表閥板閉合時密封性能的優(yōu)劣。這樣一來,就可以將運動可靠性的定性分析,轉(zhuǎn)化為閥板關(guān)閉可靠度、自鎖可靠度的定量分析,使得分析結(jié)果更加直觀和精確。

在機械構(gòu)件的可靠度分析中,“應(yīng)力- 強度”干涉模型被廣泛使用[1]。本研究構(gòu)建了基于傳動系統(tǒng)閥板運動可靠度的“實際輸出誤差- 允許極限誤差”干涉模型,見圖1。

結(jié)合圖1 可知,在發(fā)生干涉（圖1 陰影部分）的區(qū)域內(nèi),閥板允許極限誤差在某個時期內(nèi)是小于運動輸出誤差的,說明閥板關(guān)閉和傳動機構(gòu)自鎖有一定幾率失效。在計算閥板關(guān)閉和自鎖可靠度時,可以分別計算閥板關(guān)閉角度、自鎖角度的運動誤差（Δy）,然后與允許極限誤差（δ）進行對比,如果存在“δ-Δy＞0”,則說明閥板關(guān)閉和自鎖可靠。在明確了傳動系統(tǒng)閥板可靠性計算模型后,利用蒙特卡洛原理,使用Adams動態(tài)仿真方法求得閥板關(guān)閉和自鎖角度的輸出誤差分布,其實現(xiàn)方法見圖2。

圖2 通風(fēng)隔離閥閥板關(guān)閉和自鎖可靠性分析技術(shù)路線

在了解閥板關(guān)閉和自鎖角度輸出誤差分布情況時,需要求解傳動系統(tǒng)運動桿件的位移。常用的方法是從運動桿件上選出若干個特征點（如端點、中心點等）,建立相應(yīng)的矢量方程,在滿足協(xié)調(diào)關(guān)系的前提下求解非線性方程組。但是考慮到四級平行傳動機構(gòu)在往復(fù)運動中,其受力形態(tài)也會不斷變化,使得矢量方程的求解難度增加[2]。因此,在實際開展可靠度計算時,引入了Adams 仿真分析工具,不需要求解傳動機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,即可獲取其運動可靠度,從而降低了實驗難度。

2 閥板關(guān)閉可靠度和自鎖可靠度的仿真分析

2.1 創(chuàng)建傳動機構(gòu)仿真模型

本研究使用Adams 軟件建立傳動機構(gòu)的仿真模型。相比于CAD 軟件,基于Adams 軟件建立的傳動機構(gòu)參數(shù)化模型,可支持用戶自定義子程序改變設(shè)計變量的值,通過獲取傳動機構(gòu)在不同運動狀態(tài)下的參數(shù),開展閥板關(guān)閉與自鎖的可靠性計算,使得仿真結(jié)果的精確性進一步提升。另外,Adams 軟件還提供了豐富的建模工具,可以使模型與傳動系統(tǒng)實物在結(jié)構(gòu)上保持高度的一致性,也在一定程度上減小了可靠度的計算誤差。結(jié)合傳動機構(gòu)的運動特點,對閥板轉(zhuǎn)動角度、自鎖角度影響較為明顯的構(gòu)件有驅(qū)動臂（L1/L2）、四級曲柄（C）及其連桿（LC）,以及同步連桿（LE）的尺寸誤差,以及鉸鏈副配合間隙（B1～B2、D1～D2、E3～E4）的間隙誤差。除此之外,還有傳動桿件上銷孔半徑偏差、銷軸尺寸偏差等,但是對傳動機構(gòu)的影響較小,本研究不做考慮。其中,參數(shù)化模型的主要設(shè)計變量見表1。

表1 參數(shù)化模型的設(shè)計變量

除了對傳動系統(tǒng)中各個構(gòu)件進行建模外,要想使傳動系統(tǒng)能夠執(zhí)行各種動作,還必須在各個構(gòu)件之間建立約束關(guān)系,即運動副。Adams 軟件中提供了4 種常用的運動副,分別是轉(zhuǎn)動副、圓柱副、移動副和齒輪副。使用運動副將構(gòu)件連接起來,即可得到功能完整的傳動機構(gòu)模型[3]。

2.2 Adams 自定義程序的編寫與鏈接

在得到Adams 參數(shù)化模型后,編寫自動仿真程序,并通過改變參數(shù)化模型初始尺寸誤差數(shù)據(jù)的方式,求得閥板關(guān)閉角度、自鎖角度實際輸出誤差。自定義函數(shù)程序見圖3。

圖3 基于C 語言編寫Adams 自定義函數(shù)程序流程

該程序的實現(xiàn)原理為：首先由Adams 系統(tǒng)自動生成一串均勻分布的隨機數(shù)列。同時設(shè)定一個限定條件“Seed＜0”。用“Seed=Seed+M”消除冗余數(shù)據(jù),對保留下來的滿足條件的數(shù)據(jù),使用中心極限定理在[0,1]區(qū)間內(nèi)進行正態(tài)分布處理。從所得數(shù)據(jù)中隨機抽選n 個數(shù)（這里以n=12 為例）,并使用下式計算標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值（x）：

完成仿真程序的編寫后,將程序以.stl 格式保存,但是該文件無法直接導(dǎo)入到Adams 函數(shù)庫中,需要對其進行編譯后重新鏈接,才能在Adams 軟件中運行。在命令行中輸入如下指令：

敲擊回車鍵后,在當(dāng)前頁面會彈出新的對話框,在對話框中輸入“personalfunction.dll”后,點擊確定,此時動態(tài)鏈接庫文件啟動運行。幾秒后,自定義函數(shù)加載完成,即可將該函數(shù)成功鏈接到Adams 函數(shù)庫中。

2.3 傳動系統(tǒng)可靠性動態(tài)仿真程序的設(shè)計

為了準(zhǔn)確計算出傳動機構(gòu)模型在不同尺寸、不同運動副間隙下的輸出誤差,還需要在Adams 軟件中編寫自動仿真程序,見圖4。

圖4 Adams 自動仿真程序流程

根據(jù)傳動系統(tǒng)控制變量的不同和運動可靠性分析的需要,本研究在編寫自動可靠性仿真程序時,使用到的程序有以下幾種：

（1） 控制循環(huán)仿真次數(shù)的程序。這里以仿真次數(shù)為200 次為例,程序為：

（2） 自定義桿長、銷孔半徑程序。通常來說,傳動桿件的尺寸誤差服從正態(tài)分布。因此,基于正態(tài)分布抽樣公式,可以求得構(gòu)件銷孔半徑（r）,其公式為：

式中：μ 表示同一批桿件中銷孔半徑的平均值。這里以驅(qū)動臂為例,自定義臂長的程序為：

除了上述主要語句外,還有仿真執(zhí)行語句、測量結(jié)果存儲語句等。將這些語句以“for 循環(huán)體”的形式加入到主程序中,即可實現(xiàn)對閥板關(guān)閉和自鎖可靠性的仿真驗證。

2.4 閥板關(guān)閉與自鎖角度輸出誤差分布情況的確定方法

基于Adams 系統(tǒng)完成仿真后,對于仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的處理方法主要有2 種,其一是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual 軟件中,并調(diào)用該軟件中的API 函數(shù),讀取指定文件后進行數(shù)據(jù)處理；其二是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件中,調(diào)用該軟件中的dir()函數(shù),該函數(shù)可以自動查找指定文件格式的所有文件,并將符合要求的文件進行匯總,從中提取仿真結(jié)果數(shù)據(jù)并進行處理。在實際應(yīng)用中,兩種方法各有利弊：

第1 種方法需要處理的文件數(shù)量較少,能夠更加快速地確定仿真數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)處理效率。但是當(dāng)仿真結(jié)果文件的數(shù)量較多并且超出了矩陣存儲上限后,即便是讀取到新的數(shù)據(jù),也不會在矩陣中顯示。這就導(dǎo)致一部分仿真數(shù)據(jù)無法查找,使得Adams 系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果存在較大誤差[4]。第2 種方法的優(yōu)點在于提供了仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)等信息,這就為數(shù)據(jù)的查找和提取帶來了方便。但是使用Adams 系統(tǒng)仿真求解復(fù)雜模型時,也容易出現(xiàn)仿真步長超出參數(shù)調(diào)整步長,導(dǎo)致仿真積分求解器不能正常完成積分求解的情況。

本研究在綜合對比2 種方法的基礎(chǔ)上,選擇了Matlab 軟件處理仿真文件結(jié)果數(shù)據(jù),并針對其不足采取了以下改進措施：首先定義目標(biāo)文件,并將符合該定義的所有文件進行標(biāo)記。定義一個專門用于存儲仿真結(jié)果的矩陣,執(zhí)行一個while～feof()語句,跳轉(zhuǎn)至矩陣的最后一行。當(dāng)?shù)? 個矩陣中存儲的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)達(dá)到容量上限后,執(zhí)行程序“n=n+1”建立一個新的存儲矩陣,并自動跳轉(zhuǎn)至新矩陣?yán)^續(xù)存儲數(shù)據(jù)。理論上來說,在Matlab 軟件中可以新建無數(shù)個矩陣[5]。這樣就避免了仿真步長超出參數(shù)調(diào)整步長的情況。最后在Matlab 中檢驗閥板關(guān)閉和自鎖角度實際輸出誤差分布情況,并計算其可靠度。

3 閥板關(guān)閉可靠度和自鎖可靠度的仿真結(jié)果

基于Adams 系統(tǒng)自動仿真并對傳動系統(tǒng)實際輸出誤差分布情況進行可靠度計算后,可以分別求出傳動系統(tǒng)不同組成結(jié)構(gòu)的最低精度標(biāo)準(zhǔn)。這里挑選通風(fēng)隔離閥傳動系統(tǒng)上的4 塊閥板,進行了閥板關(guān)閉角度和自鎖角度下不同桿長尺寸誤差范圍,仿真結(jié)果見圖5。

圖5 不同桿件尺寸閥板關(guān)閉角度和自鎖角度數(shù)值對比折線圖

結(jié)合上圖可知,鉸鏈副軸孔間隙配合類型H11/h11時,其關(guān)閉角度和自鎖角度已經(jīng)接近允許的上限。其中,3#閥板軸孔配合為H11/h11 時,關(guān)閉角度達(dá)到了93.6°,接近允許上限94°；同樣的,4#閥板軸孔配合為H11/h11 時,自鎖角度達(dá)到了180.4°,也十分接近允許上限181°。因此,為保證傳動系統(tǒng)閥板的運動可靠性,要求鉸鏈副軸孔間隙最高為11 級,此級別對應(yīng)的軸孔半徑為4.935 mm 和5.045 mm,即傳動桿件的軸孔半徑應(yīng)控制4.935～5.045 mm 之間,桿長誤差變化范圍不得超過±0.05 mm。將該參數(shù)輸入到模型中求解傳動系統(tǒng)的可靠度,這里以1#閥板為例,所得結(jié)果見表2。

表2 不同閥板的可靠度計算結(jié)果

由表2 可知,在只考慮桿長變化的前提下,該傳動系統(tǒng)運動可靠度＞0.99,說明通風(fēng)隔離閥運動性能良好。

4 結(jié)論

傳動系統(tǒng)作為通風(fēng)隔離閥的重要組成,其運行可靠性將直接決定通風(fēng)隔離閥的密封功能、降溫功能是否正常發(fā)揮,進而對核電站的安全運行也產(chǎn)生了一定影響。本研究提出的一種基于Adams 系統(tǒng)的傳動模型構(gòu)建與運動可靠性仿真系統(tǒng),能夠?qū)鲃幽Ｐ烷y板關(guān)閉和自鎖狀態(tài)下的運動可靠性展開精確計算。仿真實驗表明,閥板可靠度均在0.99 以上,較好地滿足了傳動系統(tǒng)的運行需要。