如何設(shè)計(jì)氣體減壓閥
摘要:針對(duì)氣體減壓閥傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在保證可靠性上存在的問(wèn)題,提出了對(duì)減壓閥進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的重要性。通過(guò)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。以其中穩(wěn)態(tài)出口壓力偏差與彈簧兩個(gè)環(huán)節(jié)為例,詳細(xì)介紹了與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的可靠性設(shè)計(jì)方法,從而實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)階段能有效地控制發(fā)生概率高或嚴(yán)酷度大的故障,保證了減壓閥的固有可靠性滿足指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞:氣體減壓閥;可靠性設(shè)計(jì);故障模式后果分析
Abstract:Thispaperhighlightstheimportanceofreliabilitydesignofthegaspressurereliefvalvebyaddressingtheexistingproblemoftraditionaldesignapproachtothegaspressurereliefvalveintermsofreliability,andspecifiesthekeyelementsinreliabilitydesignofthegaspressurereliefvalvebymeansoffailuremodeeffectanalysis.Italsoprovidesdetaileddescriptionofthereliabilitydesignapproachincorporatingtraditionaldesignmethodsbyexemplifyingthesteadystateoutletpressuredeviationandthespring,thusenablingeffectivecontroloverthehighlyfre2quentorseriousfailureduringthewholeprocessofdesignandensuringthespecifedinherentreli2abilityofthegaspressurereliefvalve.
KeyWords:Gaspressurereliefvalve;Reliabilitydesign;FMEA
引 言 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是影響運(yùn)載火箭可靠性的顯著的分系統(tǒng),而氣體減壓閥又是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組件之一,它工作的可靠性直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。氣體減壓閥的構(gòu)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(duì)其進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),預(yù)先防止和及時(shí)糾正設(shè)計(jì)缺陷及薄弱零、部件,力求以少資源消耗和周期,保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著可靠性理論和可靠性工程的發(fā)展以及人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品失效機(jī)理認(rèn)識(shí)的深化,已經(jīng)使可靠性設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)機(jī)械 設(shè)計(jì)相結(jié)合成為可能。對(duì)減壓閥的可靠性設(shè)計(jì)也為其它機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了范例。上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,比例減壓閥)同時(shí)，公司可按照客戶的要求進(jìn)行非標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工。始終以質(zhì)量為本，一切為滿足用戶的經(jīng)營(yíng)理念，不斷引進(jìn)*的新技術(shù)，新工藝、新材料，竭誠(chéng)為用戶提供的閥門產(chǎn)品和更加完善的售后服務(wù)。公司配有車、刨、磨、銑、鉆、焊、自動(dòng)噴涂等機(jī)械設(shè)備二百六十余臺(tái)套，并配有材料分析、理化X線及超聲波探傷儀等專業(yè)檢測(cè)設(shè)備八十余臺(tái)套，同時(shí)設(shè)有閥門研發(fā)中心、控制閥測(cè)控中心、閥門質(zhì)量檢測(cè)中心。上海申弘閥門有限公司是集閥門的研發(fā)生產(chǎn)、銷售及技術(shù)服務(wù)于一體的流體控制企業(yè)，其產(chǎn)品和服務(wù)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(huán)保、給排水等領(lǐng)域市場(chǎng)處于地位。
2 氣體減壓閥傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法概述
氣體減壓閥在發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)出口壓力偏差離散性小和動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定的要求。其典型結(jié)構(gòu)為反向卸荷減壓閥,
反向卸荷減壓閥
根據(jù)給定的原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求,通過(guò)方案選 擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)特性計(jì)算,完成減壓閥的初步設(shè)計(jì),后通過(guò)試驗(yàn)全面考核設(shè)計(jì)和計(jì)算的正確性以及是否滿足使用要求。通過(guò)試驗(yàn)暴露問(wèn)題,再進(jìn)行設(shè)計(jì)修改,直至滿足使用要求為止。 減壓閥的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作做得較細(xì),因而也較成功。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)力分析和采用安全系數(shù)實(shí)際都是為了保證可靠性,但按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品往往過(guò)于笨重,而且某些敏感部位得不到足夠重視,從而不能穩(wěn)定地得到足夠的可靠性,常出現(xiàn)可靠性方面的某種薄弱環(huán)節(jié),致使某些零件因強(qiáng)度不夠而斷裂或因壽命不足而夭折。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足主要有以下幾點(diǎn):
a)把各種參數(shù)都當(dāng)做定值,沒(méi)有分析參數(shù)的隨機(jī)變化特性,沒(méi)有進(jìn)行概率設(shè)計(jì),從而也不能了解結(jié)構(gòu)、性能可靠工作的概率。
b)由于安全系數(shù)的確定沒(méi)有經(jīng)過(guò)理論分析,而只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定,這就難免有較大的主觀隨意性。并且采用安全系數(shù)來(lái)保證強(qiáng)度不能定量地反映可靠工作的概率。
c)對(duì)減壓閥故障、缺陷、薄弱環(huán)節(jié)缺乏規(guī)范的、系統(tǒng)的、事先識(shí)別的防范方法和措施,依賴大量的試驗(yàn)來(lái)暴露缺陷。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以避免的缺陷,如果都通過(guò)試驗(yàn)來(lái)暴露,既浪費(fèi)資金又增加了分析問(wèn)題的困難。所以從開(kāi)始設(shè)計(jì)起就做可靠性分析,是保障設(shè)計(jì)可靠的、的方法。 以上問(wèn)題的存在足以說(shuō)明,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)對(duì)產(chǎn)品可靠性要求愈來(lái)愈高而研制經(jīng)費(fèi)和周期愈來(lái)愈苛刻的形勢(shì)。因此,開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)已迫在眉睫。
3 氣體減壓閥可靠性設(shè)計(jì)
3.1 可靠性設(shè)計(jì)概述 可靠性作為機(jī)械產(chǎn)品的性能特征,它表示產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下及規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持規(guī)定質(zhì)量指標(biāo)的能力。產(chǎn)品的可靠性與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造以及使用等各個(gè)階段緊密相關(guān),但設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的固有可靠性。設(shè)計(jì)一旦確定,其可靠性基本就確定了,生產(chǎn)部門、使用部門在工藝和維修上做努力,也只能盡量實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所賦產(chǎn)品的固有可靠性。產(chǎn)品可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的主要內(nèi)容。所以,要獲得產(chǎn)品較高的使用可靠性必須提高設(shè)計(jì)可靠性。
3.2 減壓閥可靠性設(shè)計(jì)流程
開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)必須提出合理的流程。根據(jù)減壓閥傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和可靠性的技術(shù)水平,采取在原有減壓閥設(shè)計(jì)的工作程序上,增加可靠性工作項(xiàng)目,并力求使兩者結(jié)合與協(xié)調(diào)?？煽啃栽O(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的工作流程見(jiàn)圖2。圖2 減壓閥可靠性設(shè)計(jì)流程圖 3.3 可靠性建模與分配 把減壓閥看成一個(gè)系統(tǒng),該系統(tǒng)由彈簧、膜片等若干部分組成。按減壓閥工作原理,對(duì)結(jié)構(gòu)組成詳 細(xì)分析,繪出可靠性框圖(見(jiàn)圖3),再用一個(gè)數(shù)學(xué)模型加以描述,則建立了可靠性模型。 由火箭系統(tǒng)的可靠度向火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能多地采用成熟的經(jīng)過(guò)考驗(yàn)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(dá)到新產(chǎn)品要求的少量組成部分,才需
要改進(jìn)設(shè)計(jì)或重新設(shè)計(jì)。由于分配給新設(shè)計(jì)的組成部分的可靠性不一定能夠?qū)崿F(xiàn),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(lái)鑒別對(duì)
產(chǎn)品性能有重大影響的故障模式,是設(shè)計(jì)中一項(xiàng)必
不可少的工作。根據(jù)FMEA工作的步驟對(duì)氣體減壓閥進(jìn)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(dǎo)向面光度差,
2)多余物、密封面質(zhì)量差;終故障影響:1)影響發(fā)射進(jìn)度,
2)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù);嚴(yán)酷度類別:1)II,2)IV;發(fā)生概率等級(jí):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(fā)射進(jìn)度;嚴(yán)酷度類別:1)IV,2)III;發(fā)生概率等級(jí):1)E,2)E。
c)彈簧。失效模式:1)斷裂,2)調(diào)試?yán)щy,偏差大;失效原因:1)材料強(qiáng)度低、應(yīng)力過(guò)大,2)設(shè)計(jì)裕度小,力與行程非線性;終故障影響:發(fā)動(dòng)機(jī)失效或性能差;嚴(yán)酷度類別:1)II,2)IV;發(fā)生概率等級(jí):1)E,2)D。
d)O形圈。失效模式:1)泄漏,2)摩擦力過(guò)大,造成超調(diào);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(fā)動(dòng)機(jī)性能差;嚴(yán)酷度類別:
1)III,2)IV;發(fā)生概率等級(jí):1)E,2)D。
e)過(guò)濾器。失效模式:濾網(wǎng)破,濾芯壓碎,導(dǎo)致活門卡澀;失效原因:強(qiáng)度不夠,或形式不宜;終故障影響:影響性能參數(shù);嚴(yán)酷度類別:IV;發(fā)生概率等級(jí):E。
f)螺紋聯(lián)接。失效模式:破壞、松動(dòng),造成泄漏;失效原因:強(qiáng)度低、應(yīng)力集中;終故障影響:影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作;嚴(yán)酷度類別:III;發(fā)生概率等級(jí):E。 g)保險(xiǎn)活門。失效模式:1)不復(fù)位、卡澀導(dǎo)致泄漏,
2)泄壓遲滯,導(dǎo)致減壓閥出口壓力高于要求值;失效原因:1)保險(xiǎn)活門與殼體配合導(dǎo)向差、活門與活 門座加工質(zhì)量差,2)泄出口小,排泄不暢;終故障影響:影響發(fā)射進(jìn)度;嚴(yán)酷度類別:III;發(fā)生概率等級(jí):E。 上述分析中嚴(yán)酷度類別為:I類(災(zāi)難的)、II類 (致命的)、III類(輕度的)、IV類(輕微的);發(fā)生概率等級(jí)為:*(頻繁發(fā)生)、B級(jí)(很可能發(fā)生)、C級(jí)(有時(shí)發(fā)生)、D級(jí)(極少發(fā)生)、E級(jí)(不可能發(fā)生)。 FMEA分析表明,活門密封泄漏的嚴(yán)酷度低但 發(fā)生概率高;動(dòng)密封件泄漏、保險(xiǎn)活門不復(fù)位和泄壓遲滯、彈簧斷裂、聯(lián)接件破壞的嚴(yán)酷度大但發(fā)生的概率較低;動(dòng)密封件摩擦力大造成超調(diào)的嚴(yán)酷度低但發(fā)生的概率較高,所以有必要對(duì)嚴(yán)酷度大或發(fā)生概率高的分系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。屬于先導(dǎo)活塞式減壓閥。先導(dǎo)活塞式減壓閥本產(chǎn)品主要用于氣體管路，如空氣、氮?dú)?、氧氣、氫氣、液化氣、天然氣等氣體。【氣體減壓閥】由主閥和導(dǎo)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(dǎo)閥主要由閥座/閥瓣/膜片/彈簧/調(diào)節(jié)彈簧等零件組成?！練怏w減壓閥】通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)彈簧壓力設(shè)定出口壓力,利用膜片傳感出口壓力變化,通過(guò)導(dǎo)閥啟閉驅(qū)動(dòng)活塞調(diào)節(jié)主閥節(jié)流部位過(guò)流面積的大小，實(shí)現(xiàn)減壓穩(wěn)壓功能?！練怏w減壓閥】主要用于氣體管路，如空氣/氮?dú)?氧氣/氫氣/液化氣/天然氣等氣體。本系列減壓閥屬于先導(dǎo)活塞式減壓閥。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)彈簧壓力設(shè)定出口壓力，利用膜片傳感出口壓力變化，通過(guò)導(dǎo)閥啟閉驅(qū)動(dòng)活塞調(diào)節(jié)主閥節(jié)流部位過(guò)流面積的大小，實(shí)現(xiàn)減壓穩(wěn)壓功能。
3.5 各分系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
3.5.1 穩(wěn)態(tài)出口壓力偏差的可靠性設(shè)計(jì) 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(guī)定的溫度下和規(guī)定的流量范圍內(nèi),出口壓力偏差超過(guò)許用的偏差范圍。此處針對(duì)該失效模式對(duì)有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使穩(wěn)態(tài)出口壓力偏差滿足可靠度要求,因此可靠性特征量為穩(wěn)態(tài)出口壓力偏差。由于減壓閥存在難以估計(jì)的阻尼、振動(dòng)等干擾因素,因此在可靠性指標(biāo)分配時(shí)需留有余量。 現(xiàn)以常用的卸荷反向減壓閥為例進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),其它類型的減壓閥可仿照此方法進(jìn)行分析。
3.5.1.1 穩(wěn)態(tài)出口壓力偏差的可靠性
穩(wěn)態(tài)特征出口壓力的偏差方程為
3.5.1.2 可靠性試驗(yàn)
對(duì)已調(diào)定的減壓閥投入試驗(yàn),測(cè)定各減壓閥出口壓力Pev的數(shù)據(jù)算出Pev的均值及方差的點(diǎn)估計(jì)值??uPev、sPev。按性能可靠性估計(jì)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(jì)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(guān)的各參數(shù),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(shè)計(jì) 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(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力,針對(duì)此失效模式調(diào)整有關(guān)參數(shù),使彈簧強(qiáng)度大于彈簧應(yīng)力的可靠度滿足要求,因此可靠性特征量為彈簧強(qiáng)度。3.5.2.1 彈簧可靠性 設(shè)材料的扭轉(zhuǎn)屈服極限(強(qiáng)度)為τs、 彈簧所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為τ,則彈簧的結(jié)構(gòu)可靠度為y>0的概 率(令y=τs-τ)。一般τs,τ均服從正態(tài)分布,則y也服從正態(tài)分布,其均值和標(biāo)準(zhǔn)差為y-= 于是彈簧滿足要求的可靠性函數(shù)為式中 Rt為彈簧滿足要求的可靠度。 計(jì)算步驟如下: a)計(jì)算扭轉(zhuǎn)屈服極限τs。根據(jù)絲徑d、材料強(qiáng)度極限σB的大值σmax和
小值σmin,計(jì)算其均值σ- B、 標(biāo)準(zhǔn)差SσB、變異系數(shù)CσB [5] 。
3.5.2.2 可靠性試驗(yàn)
將已設(shè)計(jì)好的彈簧投入試驗(yàn),測(cè)定各彈簧的扭
轉(zhuǎn)應(yīng)力,統(tǒng)計(jì)計(jì)算出扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的
點(diǎn)估計(jì)值τ-,Sτ,按結(jié)構(gòu)可靠性估計(jì)的方法計(jì)算出結(jié)構(gòu)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(shù),直到滿足可靠度要求為止。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出的可靠性設(shè)計(jì)方法還用于減壓閥其它環(huán)節(jié),如閥門密封、保險(xiǎn)活門的開(kāi)啟與關(guān)閉、螺紋聯(lián)接等,從而實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)階段能有效地控制發(fā)生概率高或嚴(yán)酷度大的故障,保證了減壓閥的固有可靠性滿足指標(biāo)要求。
致謝 在可靠性設(shè)計(jì)的開(kāi)展過(guò)程中得到了可靠性專家周正伐、周熾九等的指導(dǎo),在此表示感謝。
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