如何設計氣體減壓閥
摘要:針對氣體減壓閥傳統設計方法在保證可靠性上存在的問題,提出了對減壓閥進行可靠性設計的重要性。通過氣體減壓閥的故障模式后果分析(FMEA),確定了減壓閥可靠性設計的重點環節。以其中穩態出口壓力偏差與彈簧兩個環節為例,詳細介紹了與傳統設計相結合的可靠性設計方法,從而實現了在設計階段能有效地控制發生概率高或嚴酷度大的故障,保證了減壓閥的固有可靠性滿足指標要求。
關鍵詞:氣體減壓閥;可靠性設計;故障模式后果分析
Abstract:Thispaperhighlightstheimportanceofreliabilitydesignofthegaspressurereliefvalvebyaddressingtheexistingproblemoftraditionaldesignapproachtothegaspressurereliefvalveintermsofreliability,andspecifiesthekeyelementsinreliabilitydesignofthegaspressurereliefvalvebymeansoffailuremodeeffectanalysis.Italsoprovidesdetaileddescriptionofthereliabilitydesignapproachincorporatingtraditionaldesignmethodsbyexemplifyingthesteadystateoutletpressuredeviationandthespring,thusenablingeffectivecontroloverthehighlyfre2quentorseriousfailureduringthewholeprocessofdesignandensuringthespecifedinherentreli2abilityofthegaspressurereliefvalve.
KeyWords:Gaspressurereliefvalve;Reliabilitydesign;FMEA
引 言 火箭發動機是影響運載火箭可靠性的顯著的分系統,而氣體減壓閥又是發動機的重要組件之一,它工作的可靠性直接影響到發動機的可靠性。氣體減壓閥的構成零件較多,裝配的成活率很低,為了提高成活率,降低成本,有必要對其進行可靠性設計,預先防止和及時糾正設計缺陷及薄弱零、部件,力求以少資源消耗和周期,保證產品質量。隨著可靠性理論和可靠性工程的發展以及人們對機械產品失效機理認識的深化,已經使可靠性設計與傳統機械 設計相結合成為可能。對減壓閥的可靠性設計也為其它機械產品的設計提供了范例。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,比例減壓閥)同時，公司可按照客戶的要求進行非標產品的設計、制造、加工。始終以質量為本，一切為滿足用戶的經營理念，不斷引進*的新技術，新工藝、新材料，竭誠為用戶提供的閥門產品和更加完善的售后服務。公司配有車、刨、磨、銑、鉆、焊、自動噴涂等機械設備二百六十余臺套，并配有材料分析、理化X線及超聲波探傷儀等專業檢測設備八十余臺套，同時設有閥門研發中心、控制閥測控中心、閥門質量檢測中心。上海申弘閥門有限公司是集閥門的研發生產、銷售及技術服務于一體的流體控制企業，其產品和服務在化工、石化、石油、液化氣、造紙、采礦、電力、食品、制藥、冶金、輕工、樓宇、市政工程、污水處理、環保、給排水等領域市場處于地位。
2 氣體減壓閥傳統設計方法概述
氣體減壓閥在發動機中的作用是將控制氣、吹除氣、貯箱擠壓氣等高壓氣體減壓到所需的壓力,必須滿足額定點穩定、穩態出口壓力偏差離散性小和動態特性穩定的要求。其典型結構為反向卸荷減壓閥,
反向卸荷減壓閥
根據給定的原始數據和設計要求,通過方案選 擇、結構設計、穩態特性計算,完成減壓閥的初步設計,后通過試驗全面考核設計和計算的正確性以及是否滿足使用要求。通過試驗暴露問題,再進行設計修改,直至滿足使用要求為止。 減壓閥的傳統設計工作做得較細,因而也較成功。在結構設計中進行應力分析和采用安全系數實際都是為了保證可靠性,但按傳統設計的產品往往過于笨重,而且某些敏感部位得不到足夠重視,從而不能穩定地得到足夠的可靠性,常出現可靠性方面的某種薄弱環節,致使某些零件因強度不夠而斷裂或因壽命不足而夭折。
傳統設計存在的不足主要有以下幾點:
a)把各種參數都當做定值,沒有分析參數的隨機變化特性,沒有進行概率設計,從而也不能了解結構、性能可靠工作的概率。
b)由于安全系數的確定沒有經過理論分析,而只是根據經驗確定,這就難免有較大的主觀隨意性。并且采用安全系數來保證強度不能定量地反映可靠工作的概率。
c)對減壓閥故障、缺陷、薄弱環節缺乏規范的、系統的、事先識別的防范方法和措施,依賴大量的試驗來暴露缺陷。設計過程中可以避免的缺陷,如果都通過試驗來暴露,既浪費資金又增加了分析問題的困難。所以從開始設計起就做可靠性分析,是保障設計可靠的、的方法。 以上問題的存在足以說明,傳統設計方法已經不能適應對產品可靠性要求愈來愈高而研制經費和周期愈來愈苛刻的形勢。因此,開展可靠性設計已迫在眉睫。
3 氣體減壓閥可靠性設計
3.1 可靠性設計概述 可靠性作為機械產品的性能特征,它表示產品在規定的工作條件下及規定的時間內保持規定質量指標的能力。產品的可靠性與產品的設計、制造以及使用等各個階段緊密相關,但設計決定了產品的固有可靠性。設計一旦確定,其可靠性基本就確定了,生產部門、使用部門在工藝和維修上做努力,也只能盡量實現設計所賦產品的固有可靠性。產品可靠性是產品質量的主要內容。所以,要獲得產品較高的使用可靠性必須提高設計可靠性。
3.2 減壓閥可靠性設計流程
開展可靠性設計必須提出合理的流程。根據減壓閥傳統設計的經驗和可靠性的技術水平,采取在原有減壓閥設計的工作程序上,增加可靠性工作項目,并力求使兩者結合與協調。可靠性設計與傳統設計相結合的工作流程見圖2。圖2 減壓閥可靠性設計流程圖 3.3 可靠性建模與分配 把減壓閥看成一個系統,該系統由彈簧、膜片等若干部分組成。按減壓閥工作原理,對結構組成詳 細分析,繪出可靠性框圖(見圖3),再用一個數學模型加以描述,則建立了可靠性模型。 由火箭系統的可靠度向火箭發動機分配,再向氣體減壓閥分配,再向減壓閥的各零部件分配,從而得到各組成部分的可靠性指標。設計時,應盡可能多地采用成熟的經過考驗的可靠性組成部分,它們的可靠性已確切掌握。只有可靠性不能達到新產品要求的少量組成部分,才需
要改進設計或重新設計。由于分配給新設計的組成部分的可靠性不一定能夠實現,并且還可能有些未想到的不可靠因素,因此不能把可靠度全分配下去,需留有余地。
3.4 故障模式與后果分析(FMEA)
FMEA是可靠性分析的一種方法,用來鑒別對
產品性能有重大影響的故障模式,是設計中一項必
不可少的工作。根據FMEA工作的步驟對氣體減壓閥進行故障模式分析,具體如下:
a)活門。失效模式:1)卡住、不靈活,
2)泄漏;失效原因:
1)多余物、導向面光度差,
2)多余物、密封面質量差;終故障影響:1)影響發射進度,
2)影響發動機性能參數;嚴酷度類別:1)II,2)IV;發生概率等級:1)E,2)D。
b)膜片。失效模式:1)膜片破裂,2)外泄漏;失效原因:1)材料有缺陷,2)擰緊力矩不夠、膜片有徑向劃傷;終故障影響:影響發射進度;嚴酷度類別:1)IV,2)III;發生概率等級:1)E,2)E。
c)彈簧。失效模式:1)斷裂,2)調試困難,偏差大;失效原因:1)材料強度低、應力過大,2)設計裕度小,力與行程非線性;終故障影響:發動機失效或性能差;嚴酷度類別:1)II,2)IV;發生概率等級:1)E,2)D。
d)O形圈。失效模式:1)泄漏,2)摩擦力過大,造成超調;失效原因:1)密封件老化,2)壓力、緊度、尺寸等不合適;終故障影響:發動機性能差;嚴酷度類別:
1)III,2)IV;發生概率等級:1)E,2)D。
e)過濾器。失效模式:濾網破,濾芯壓碎,導致活門卡澀;失效原因:強度不夠,或形式不宜;終故障影響:影響性能參數;嚴酷度類別:IV;發生概率等級:E。
f)螺紋聯接。失效模式:破壞、松動,造成泄漏;失效原因:強度低、應力集中;終故障影響:影響發動機正常工作;嚴酷度類別:III;發生概率等級:E。 g)保險活門。失效模式:1)不復位、卡澀導致泄漏,
2)泄壓遲滯,導致減壓閥出口壓力高于要求值;失效原因:1)保險活門與殼體配合導向差、活門與活 門座加工質量差,2)泄出口小,排泄不暢;終故障影響:影響發射進度;嚴酷度類別:III;發生概率等級:E。 上述分析中嚴酷度類別為:I類(災難的)、II類 (致命的)、III類(輕度的)、IV類(輕微的);發生概率等級為:*(頻繁發生)、B級(很可能發生)、C級(有時發生)、D級(極少發生)、E級(不可能發生)。 FMEA分析表明,活門密封泄漏的嚴酷度低但 發生概率高;動密封件泄漏、保險活門不復位和泄壓遲滯、彈簧斷裂、聯接件破壞的嚴酷度大但發生的概率較低;動密封件摩擦力大造成超調的嚴酷度低但發生的概率較高,所以有必要對嚴酷度大或發生概率高的分系統進行可靠性設計。屬于先導活塞式減壓閥。先導活塞式減壓閥本產品主要用于氣體管路，如空氣、氮氣、氧氣、氫氣、液化氣、天然氣等氣體。【氣體減壓閥】由主閥和導閥兩部分組成.主閥主要由閥座/主閥盤/活塞/彈簧等零件組成。導閥主要由閥座/閥瓣/膜片/彈簧/調節彈簧等零件組成。【氣體減壓閥】通過調節調節彈簧壓力設定出口壓力,利用膜片傳感出口壓力變化,通過導閥啟閉驅動活塞調節主閥節流部位過流面積的大小，實現減壓穩壓功能。【氣體減壓閥】主要用于氣體管路，如空氣/氮氣/氧氣/氫氣/液化氣/天然氣等氣體。本系列減壓閥屬于先導活塞式減壓閥。通過調節調節彈簧壓力設定出口壓力，利用膜片傳感出口壓力變化，通過導閥啟閉驅動活塞調節主閥節流部位過流面積的大小，實現減壓穩壓功能。
3.5 各分系統的可靠性設計
3.5.1 穩態出口壓力偏差的可靠性設計 活門、活門座、膜片、彈簧、O形圈的失效直接引起減壓閥出口壓力的失效。減壓閥出口壓力失效主要是在規定的溫度下和規定的流量范圍內,出口壓力偏差超過許用的偏差范圍。此處針對該失效模式對有關的結構參數進行調整,使穩態出口壓力偏差滿足可靠度要求,因此可靠性特征量為穩態出口壓力偏差。由于減壓閥存在難以估計的阻尼、振動等干擾因素,因此在可靠性指標分配時需留有余量。 現以常用的卸荷反向減壓閥為例進行可靠性設計,其它類型的減壓閥可仿照此方法進行分析。
3.5.1.1 穩態出口壓力偏差的可靠性
穩態特征出口壓力的偏差方程為
3.5.1.2 可靠性試驗
對已調定的減壓閥投入試驗,測定各減壓閥出口壓力Pev的數據算出Pev的均值及方差的點估計值??uPev、sPev。按性能可靠性估計的方法算出出口壓力的可靠度式中 Ps為出口壓力允許的上限;Px為出口壓力 允許的下限。 將計算出的可靠度Rp與R′p比較,如果Rp≥R′p且滿足要求則可,否則修改與ΔPev有關的各參數,使終的可靠度滿足給定的要求為止。3.5.2 彈簧的可靠性設計 彈簧是組成減壓閥的重要零件之一,造成彈簧失效的主要因素是彈簧的工作應力超過許用應力,針對此失效模式調整有關參數,使彈簧強度大于彈簧應力的可靠度滿足要求,因此可靠性特征量為彈簧強度。3.5.2.1 彈簧可靠性 設材料的扭轉屈服極限(強度)為τs、 彈簧所受的扭轉應力為τ,則彈簧的結構可靠度為y>0的概 率(令y=τs-τ)。一般τs,τ均服從正態分布,則y也服從正態分布,其均值和標準差為y-= 于是彈簧滿足要求的可靠性函數為式中 Rt為彈簧滿足要求的可靠度。 計算步驟如下: a)計算扭轉屈服極限τs。根據絲徑d、材料強度極限σB的大值σmax和
小值σmin,計算其均值σ- B、 標準差SσB、變異系數CσB [5] 。
3.5.2.2 可靠性試驗
將已設計好的彈簧投入試驗,測定各彈簧的扭
轉應力,統計計算出扭轉應力的均值和標準偏差的
點估計值τ-,Sτ,按結構可靠性估計的方法計算出結構可靠度Rt。將Rt與R′t比較,如果Rt≥R′t且滿足要求則可,否則修改彈簧參數,直到滿足可靠度要求為止。
4 結束語
本文提出的可靠性設計方法還用于減壓閥其它環節,如閥門密封、保險活門的開啟與關閉、螺紋聯接等,從而實現了在設計階段能有效地控制發生概率高或嚴酷度大的故障,保證了減壓閥的固有可靠性滿足指標要求。
致謝 在可靠性設計的開展過程中得到了可靠性專家周正伐、周熾九等的指導,在此表示感謝。
參 考 文 獻
1 胡昌壽.可靠性工程———設計、試驗、分析、管理[M].北
京:宇航出版社,1988.
2 何國偉.機電產品的可靠性[M].上海:上海科學技術出
版社,1989208.
3 何國偉.可靠性設計[M].北京:機械工業出版社,1993208.
4 劉國球.液體火箭發動機原理[M].北京:宇航出版社,1993206.
5 盧玉明.機械零件的可靠性設計[M].北京:高等教育出
版社,1989210.
6 液體火箭發動機閥門通用設計規范[M].Q/Da217-95,1995209
