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高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性改進(jìn)方法-德國(guó)萊克LIK品牌
發(fā)布時(shí)間:2023/4/16
摘要：高壓氣動(dòng)電磁閥是地面供氣系統(tǒng)使用的關(guān)鍵元件，其可靠性直接關(guān)系到運(yùn)載火箭能否正常完成發(fā)射流程。本文對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥的故障模式進(jìn)行分析，并對(duì)其可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)以及可靠性評(píng)估等技術(shù)進(jìn)行了介紹，通過(guò)一系列可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證試驗(yàn)工作，使高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性有所增長(zhǎng)，并在大型飛行試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：高壓氣動(dòng)電磁閥；可靠性改進(jìn)；設(shè)計(jì)
0引言
高壓氣動(dòng)電磁閥作為航天領(lǐng)域使用的流體控制元件，已廣泛應(yīng)用于各型號(hào)運(yùn)載火箭的動(dòng)力系統(tǒng)。針對(duì)運(yùn)載火箭的關(guān)鍵動(dòng)力裝置及結(jié)構(gòu)，地面供氣系統(tǒng)中使用的高壓氣動(dòng)電磁閥需要在火箭發(fā)射前完成燃料貯箱增壓、箭上活門控制以及艙間段吹除等一系列重要供氣工作。高壓氣動(dòng)電磁閥在斷電關(guān)閉狀態(tài)下，需要具備密封功能，能夠避免因電磁閥內(nèi)部氣體泄漏而影響整個(gè)供氣系統(tǒng)的氣密性；當(dāng)電磁閥加電開啟時(shí)，要求具有快速響應(yīng)能力，并且在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)閥門的完全開啟；電磁閥再次斷電時(shí)，特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加電工作后，仍需要其快速切換，實(shí)現(xiàn)閥門完全關(guān)閉。因此，高壓氣動(dòng)電磁閥的可靠性設(shè)計(jì)主要集中于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、活門往復(fù)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)等功能、性能穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)上。
1高壓氣動(dòng)電磁閥基本原理及方案
某型高壓氣動(dòng)電磁閥采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作壓力高且所需電磁吸力小等特點(diǎn)。該電磁閥主要由電磁鐵、閥體、先導(dǎo)活門、先導(dǎo)活門復(fù)位彈簧、先導(dǎo)活門密封元件、主活門、主活門復(fù)位彈簧、主活門密封元件等構(gòu)成。電磁閥主要工作原理為：初始狀態(tài)斷電時(shí)，入口氣體通過(guò)閥體的小通道進(jìn)入電磁閥的先導(dǎo)部分，由于先導(dǎo)部分的氣動(dòng)作用面積大于主活門密封面一側(cè)受氣動(dòng)力的面積，在不平衡面積氣動(dòng)力的作用下，將主活門關(guān)閉，此時(shí)電磁閥處于常閉狀態(tài)。通電時(shí)，電磁鐵吸合，將先導(dǎo)活門推下，先導(dǎo)部分的進(jìn)口被先導(dǎo)活門關(guān)閉，同時(shí)先導(dǎo)部分的氣體通過(guò)先導(dǎo)活門的上部出口排入大氣，先導(dǎo)部分放氣，電磁閥的主活門在進(jìn)口氣動(dòng)力的作用下打開，此時(shí)電磁閥打開供氣。高壓氣動(dòng)電磁閥主要針對(duì)以下功能和性能進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，以滿足高密度發(fā)射的高可靠性要求。
1）高壓氣動(dòng)電磁閥先導(dǎo)活門應(yīng)具有良好的密封性能，在斷電關(guān)閉狀態(tài)下能夠保證供氣系統(tǒng)與外部大氣環(huán)境隔絕。在加電時(shí)，應(yīng)確保先導(dǎo)流道建壓正常，如果先導(dǎo)活門的密封失效或損壞，則最終影響電磁閥的開啟。因此先導(dǎo)活門密封功能是電磁閥的重要性能指標(biāo)。
2）高壓氣動(dòng)電磁閥主活門需具備較高的關(guān)閉可靠性，主活門為典型的O形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，因此需規(guī)范設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)各參數(shù)，特別是考慮電磁閥溫升造成O形圈摩擦力增大的極端使用工況，保證在電磁閥需斷電關(guān)閉時(shí)，主活門上方的彈簧復(fù)位力能夠克服主活門O形圈的摩擦力，從而避免主活門發(fā)生關(guān)閉滯后或無(wú)法關(guān)閉等故障，保證主活門快速可靠關(guān)閉。
2高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式分析
2.1故障分類及判定準(zhǔn)則
根據(jù)GJB899A-2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》的規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的故障可分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障，關(guān)聯(lián)故障又可分為非責(zé)任故障和責(zé)任故障。非關(guān)聯(lián)故障是指已經(jīng)證實(shí)是未按規(guī)定的條件使用而引起的故障，或已經(jīng)證實(shí)屬于某項(xiàng)將不采用的設(shè)計(jì)所引起的故障。責(zé)任故障是指承制方提供的設(shè)備、在試驗(yàn)中出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)的、獨(dú)立故障，以及由此引起的任何從屬故障只算作一次責(zé)任故障。它是判決受試設(shè)備合格與否的依據(jù)。而非責(zé)任故障是由非承制方提供的設(shè)備所引起的承制方受試設(shè)備故障稱為非責(zé)任故障。非責(zé)任故障不應(yīng)作為判決受試設(shè)備合格與否的依據(jù)。高壓氣動(dòng)電磁閥故障判定的準(zhǔn)則為：在試驗(yàn)剖面出現(xiàn)不能完成規(guī)定任務(wù)的責(zé)任故障。
2.2故障模式分析
根據(jù)以上故障判定準(zhǔn)則，對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式進(jìn)行分析。首先，通過(guò)將高壓氣動(dòng)電磁閥劃分到零、部組件級(jí)別，對(duì)其建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分為頂節(jié)點(diǎn)和分支節(jié)點(diǎn)2層，頂節(jié)點(diǎn)為零件和部組件，分支節(jié)點(diǎn)為部組件的零件。其次，確定故障數(shù)據(jù)源。通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷次發(fā)射任務(wù)、大型試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、其他使用或試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)歷史故障模式主要關(guān)閉延遲、無(wú)法關(guān)閉、內(nèi)部泄漏、外部泄漏；通過(guò)對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥的功能性能要求進(jìn)行分析，考慮功能喪失、性能下降、間歇性故障、非預(yù)期功能等潛在故障數(shù)據(jù)，總結(jié)高壓氣動(dòng)電磁閥潛在故障模式。再次，對(duì)上述故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸類，剔除非關(guān)聯(lián)故障，并將故障現(xiàn)象相同但是描述不同的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，形成唯一的故障模式。在篩選故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定故障模式的關(guān)鍵字為：內(nèi)部泄漏、外部泄漏、無(wú)法打開、無(wú)法關(guān)閉、打開延遲、關(guān)閉延遲。最后，將故障模式與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹連接，將每個(gè)故障模式與其相關(guān)的所有頂節(jié)點(diǎn)相連，形成高壓氣動(dòng)電磁閥頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹，依次類推，對(duì)一級(jí)分支節(jié)點(diǎn)按上述步驟進(jìn)行迭代和遞歸分析，形成一級(jí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹。
2.3故障模式樹建立
高壓氣動(dòng)電磁閥各級(jí)硬件按照上述步驟進(jìn)行迭代分析后，形成高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式庫(kù)，包括全部的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹。高壓氣動(dòng)電磁閥的頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹，根據(jù)此方法可得電磁閥中包括殼體組合件、主活門、先導(dǎo)活門在內(nèi)的一級(jí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹。分析結(jié)果表明，對(duì)于高壓氣動(dòng)電磁閥內(nèi)部、外部泄漏故障，受到先導(dǎo)活門結(jié)構(gòu)的顯著影響；對(duì)于電磁閥的啟閉可靠性則與主活門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。
3高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性設(shè)計(jì)
通過(guò)梳理高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式清單，分析各類典型故障的機(jī)理，以系統(tǒng)影響最小，以確保對(duì)外機(jī)械、電控接口不變，安裝固定方式不變、操作方式不變、提升產(chǎn)品可靠性為更改原則，對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥進(jìn)行可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)。
3.1先導(dǎo)活門及相關(guān)部位零件結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)
高壓氣動(dòng)電磁閥先導(dǎo)部分的原有設(shè)計(jì)的密封性能不穩(wěn)定，對(duì)先導(dǎo)活門、活門座、柱銷三種零件的配合尺寸要求甚嚴(yán)，導(dǎo)向設(shè)計(jì)不合理，易發(fā)生密封失效問(wèn)題；二是原設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜、加工難度大，且需要特殊表面處理，成本較高，加工周期長(zhǎng)；三是原設(shè)計(jì)產(chǎn)品化程度低，各產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在較大差異，未進(jìn)行統(tǒng)一化設(shè)計(jì)。先導(dǎo)部位改進(jìn)前后主要進(jìn)行以下改進(jìn)設(shè)計(jì)：1）將活門座內(nèi)孔孔徑增大，倒角尺寸減小，將推桿導(dǎo)向（活門座處）延長(zhǎng)，提高推桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。2）去掉先導(dǎo)活門柱銷，以及推桿下部增加頂桿設(shè)計(jì)等，可以消除先導(dǎo)活門密封不良的可能性，提高先導(dǎo)活門零部件的工藝性，提高先導(dǎo)部位處的密封可靠性。3）在不影響其工作性能的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品的工藝可行性有了一定改善。例如，改進(jìn)前先導(dǎo)活門毛坯件為組件，由活門殼體和柱銷組成，需要裝配工序，改進(jìn)后將其簡(jiǎn)化為零件，可機(jī)加一體成形；改進(jìn)前，先導(dǎo)活門的橡膠密封面硫化后，需再對(duì)柱銷進(jìn)行加工，由于尺寸精度要求高，難度較大，改進(jìn)后取消了此項(xiàng)復(fù)雜的加工工序，并采用不銹鋼材料替代原有材料。以上可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠消除先導(dǎo)活門密封不良的可能性，提高先導(dǎo)活門零部件的工藝性，提高先導(dǎo)部位處的密封可靠性。
3.2主活門O形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)
高壓氣動(dòng)電磁閥的主活門采用活塞式往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要由閥體、主活門、擋圈、O形圈、主彈簧等相關(guān)零部件組成。當(dāng)電磁閥通電切換至斷電，該動(dòng)密封結(jié)構(gòu)主要工作原理為：入口氣體經(jīng)過(guò)殼體先導(dǎo)通道進(jìn)入先導(dǎo)腔，向下的氣動(dòng)力和主彈簧復(fù)位力逐漸克服向上的氣動(dòng)力和主活門O形圈動(dòng)摩擦力，推動(dòng)主活門向下運(yùn)動(dòng)，逐漸關(guān)閉密封。在主活門開始關(guān)閉階段，主活門上下氣動(dòng)力平衡，此時(shí)，如果主活門彈簧復(fù)位力小于O形圈摩擦力，則存在主活門關(guān)閉滯后或無(wú)法關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。為了減少O形圈摩擦力，需要調(diào)整O形圈及溝槽尺寸，從而確定適宜的O形圈壓縮率、拉伸率、容積比等設(shè)計(jì)參數(shù)，避免出現(xiàn)因O形圈設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，影響O形圈的裝配狀態(tài)，由此可能產(chǎn)生彎曲及扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致增大主活門運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。同時(shí)，電磁閥長(zhǎng)期加電造成電磁鐵以及整體的溫升，而O形圈本身采用密封橡膠材料，其體積隨著溫度的升高而逐漸增大[5]，因此長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下，O形圈發(fā)生的非常規(guī)變形對(duì)活門不關(guān)閉影響也很大。以往試驗(yàn)結(jié)果表明，某高壓23MPa電磁閥連續(xù)通電8~60h，電磁鐵外殼溫度平衡至70℃，考慮電磁閥內(nèi)外溫差，則可以得到：當(dāng)O形圈材料溫度升至80℃時(shí)，O形圈的體積變化率為2.6%，此時(shí)摩擦力增大約20N。根據(jù)QJA77-2011《航天型號(hào)用閥門動(dòng)靜密封設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)的主活門動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，對(duì)O形圈的摩擦力有很大程度減小，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)規(guī)范，提高了主活門快速關(guān)閉復(fù)位的可靠性。
4高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性試驗(yàn)及評(píng)估
4.1可靠性試驗(yàn)
對(duì)于高壓氣動(dòng)電磁閥來(lái)講，前文已分析其主要的失效模式可歸納為閥門無(wú)法正常啟閉（或泄漏），因此根據(jù)電磁閥特點(diǎn)，將可靠性特征量選取為滿足工作條件下正常啟閉次數(shù)。高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性的試驗(yàn)剖面是將試驗(yàn)件進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力下（環(huán)境溫度、工作壓力、工作電壓、工作時(shí)間等綜合影響）的啟閉試驗(yàn)，達(dá)到規(guī)定動(dòng)作次數(shù)后，復(fù)測(cè)試驗(yàn)件的性能。高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)：按100次一個(gè)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，每100次變換綜合環(huán)境應(yīng)力配置方式，對(duì)每套投試產(chǎn)品進(jìn)行4800次綜合環(huán)境應(yīng)力剖面下的啟閉試驗(yàn)。其中，結(jié)合產(chǎn)品對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力，同時(shí)為了實(shí)施方便（產(chǎn)品冷、熱浸的穩(wěn)定時(shí)間約4h，如果頻繁變溫會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)周期長(zhǎng)），高、低溫應(yīng)力分別實(shí)施，高溫、低溫情況下產(chǎn)品各啟閉1000次；工作壓力按額定工作壓力；工作電壓按上拉偏值、額定值、下拉偏值每100次、200次、100次往復(fù)循環(huán)。
4.2可靠性評(píng)估
高壓氣動(dòng)電磁閥是多個(gè)零部件組成的整體，各個(gè)零部件的失效有獨(dú)立性也有相關(guān)性，且每一零部件失效導(dǎo)致整個(gè)供氣閥件的失效；同時(shí)，高壓氣動(dòng)電磁閥無(wú)恒定失效率的零部件，無(wú)定期維修的零部件。鑒于以上特點(diǎn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選擇高壓氣動(dòng)電磁閥的可靠性分布類型為威布爾分布。
關(guān)鍵詞：高壓氣動(dòng)電磁閥；可靠性改進(jìn)；設(shè)計(jì)
0引言
高壓氣動(dòng)電磁閥作為航天領(lǐng)域使用的流體控制元件，已廣泛應(yīng)用于各型號(hào)運(yùn)載火箭的動(dòng)力系統(tǒng)。針對(duì)運(yùn)載火箭的關(guān)鍵動(dòng)力裝置及結(jié)構(gòu)，地面供氣系統(tǒng)中使用的高壓氣動(dòng)電磁閥需要在火箭發(fā)射前完成燃料貯箱增壓、箭上活門控制以及艙間段吹除等一系列重要供氣工作。高壓氣動(dòng)電磁閥在斷電關(guān)閉狀態(tài)下，需要具備密封功能，能夠避免因電磁閥內(nèi)部氣體泄漏而影響整個(gè)供氣系統(tǒng)的氣密性；當(dāng)電磁閥加電開啟時(shí)，要求具有快速響應(yīng)能力，并且在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)閥門的完全開啟；電磁閥再次斷電時(shí)，特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加電工作后，仍需要其快速切換，實(shí)現(xiàn)閥門完全關(guān)閉。因此，高壓氣動(dòng)電磁閥的可靠性設(shè)計(jì)主要集中于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、活門往復(fù)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)等功能、性能穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)上。
1高壓氣動(dòng)電磁閥基本原理及方案
某型高壓氣動(dòng)電磁閥采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作壓力高且所需電磁吸力小等特點(diǎn)。該電磁閥主要由電磁鐵、閥體、先導(dǎo)活門、先導(dǎo)活門復(fù)位彈簧、先導(dǎo)活門密封元件、主活門、主活門復(fù)位彈簧、主活門密封元件等構(gòu)成。電磁閥主要工作原理為：初始狀態(tài)斷電時(shí)，入口氣體通過(guò)閥體的小通道進(jìn)入電磁閥的先導(dǎo)部分，由于先導(dǎo)部分的氣動(dòng)作用面積大于主活門密封面一側(cè)受氣動(dòng)力的面積，在不平衡面積氣動(dòng)力的作用下，將主活門關(guān)閉，此時(shí)電磁閥處于常閉狀態(tài)。通電時(shí)，電磁鐵吸合，將先導(dǎo)活門推下，先導(dǎo)部分的進(jìn)口被先導(dǎo)活門關(guān)閉，同時(shí)先導(dǎo)部分的氣體通過(guò)先導(dǎo)活門的上部出口排入大氣，先導(dǎo)部分放氣，電磁閥的主活門在進(jìn)口氣動(dòng)力的作用下打開，此時(shí)電磁閥打開供氣。高壓氣動(dòng)電磁閥主要針對(duì)以下功能和性能進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，以滿足高密度發(fā)射的高可靠性要求。
1）高壓氣動(dòng)電磁閥先導(dǎo)活門應(yīng)具有良好的密封性能，在斷電關(guān)閉狀態(tài)下能夠保證供氣系統(tǒng)與外部大氣環(huán)境隔絕。在加電時(shí)，應(yīng)確保先導(dǎo)流道建壓正常，如果先導(dǎo)活門的密封失效或損壞，則最終影響電磁閥的開啟。因此先導(dǎo)活門密封功能是電磁閥的重要性能指標(biāo)。
2）高壓氣動(dòng)電磁閥主活門需具備較高的關(guān)閉可靠性，主活門為典型的O形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，因此需規(guī)范設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)各參數(shù)，特別是考慮電磁閥溫升造成O形圈摩擦力增大的極端使用工況，保證在電磁閥需斷電關(guān)閉時(shí)，主活門上方的彈簧復(fù)位力能夠克服主活門O形圈的摩擦力，從而避免主活門發(fā)生關(guān)閉滯后或無(wú)法關(guān)閉等故障，保證主活門快速可靠關(guān)閉。
2高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式分析
2.1故障分類及判定準(zhǔn)則
根據(jù)GJB899A-2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》的規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的故障可分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障，關(guān)聯(lián)故障又可分為非責(zé)任故障和責(zé)任故障。非關(guān)聯(lián)故障是指已經(jīng)證實(shí)是未按規(guī)定的條件使用而引起的故障，或已經(jīng)證實(shí)屬于某項(xiàng)將不采用的設(shè)計(jì)所引起的故障。責(zé)任故障是指承制方提供的設(shè)備、在試驗(yàn)中出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)的、獨(dú)立故障，以及由此引起的任何從屬故障只算作一次責(zé)任故障。它是判決受試設(shè)備合格與否的依據(jù)。而非責(zé)任故障是由非承制方提供的設(shè)備所引起的承制方受試設(shè)備故障稱為非責(zé)任故障。非責(zé)任故障不應(yīng)作為判決受試設(shè)備合格與否的依據(jù)。高壓氣動(dòng)電磁閥故障判定的準(zhǔn)則為：在試驗(yàn)剖面出現(xiàn)不能完成規(guī)定任務(wù)的責(zé)任故障。
2.2故障模式分析
根據(jù)以上故障判定準(zhǔn)則，對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式進(jìn)行分析。首先，通過(guò)將高壓氣動(dòng)電磁閥劃分到零、部組件級(jí)別，對(duì)其建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分為頂節(jié)點(diǎn)和分支節(jié)點(diǎn)2層，頂節(jié)點(diǎn)為零件和部組件，分支節(jié)點(diǎn)為部組件的零件。其次，確定故障數(shù)據(jù)源。通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷次發(fā)射任務(wù)、大型試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、其他使用或試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)歷史故障模式主要關(guān)閉延遲、無(wú)法關(guān)閉、內(nèi)部泄漏、外部泄漏；通過(guò)對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥的功能性能要求進(jìn)行分析，考慮功能喪失、性能下降、間歇性故障、非預(yù)期功能等潛在故障數(shù)據(jù)，總結(jié)高壓氣動(dòng)電磁閥潛在故障模式。再次，對(duì)上述故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸類，剔除非關(guān)聯(lián)故障，并將故障現(xiàn)象相同但是描述不同的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，形成唯一的故障模式。在篩選故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定故障模式的關(guān)鍵字為：內(nèi)部泄漏、外部泄漏、無(wú)法打開、無(wú)法關(guān)閉、打開延遲、關(guān)閉延遲。最后，將故障模式與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹連接，將每個(gè)故障模式與其相關(guān)的所有頂節(jié)點(diǎn)相連，形成高壓氣動(dòng)電磁閥頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹，依次類推，對(duì)一級(jí)分支節(jié)點(diǎn)按上述步驟進(jìn)行迭代和遞歸分析，形成一級(jí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹。
2.3故障模式樹建立
高壓氣動(dòng)電磁閥各級(jí)硬件按照上述步驟進(jìn)行迭代分析后，形成高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式庫(kù)，包括全部的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹。高壓氣動(dòng)電磁閥的頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹，根據(jù)此方法可得電磁閥中包括殼體組合件、主活門、先導(dǎo)活門在內(nèi)的一級(jí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與故障模式樹。分析結(jié)果表明，對(duì)于高壓氣動(dòng)電磁閥內(nèi)部、外部泄漏故障，受到先導(dǎo)活門結(jié)構(gòu)的顯著影響；對(duì)于電磁閥的啟閉可靠性則與主活門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。
3高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性設(shè)計(jì)
通過(guò)梳理高壓氣動(dòng)電磁閥故障模式清單，分析各類典型故障的機(jī)理，以系統(tǒng)影響最小，以確保對(duì)外機(jī)械、電控接口不變，安裝固定方式不變、操作方式不變、提升產(chǎn)品可靠性為更改原則，對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥進(jìn)行可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)。
3.1先導(dǎo)活門及相關(guān)部位零件結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)
高壓氣動(dòng)電磁閥先導(dǎo)部分的原有設(shè)計(jì)的密封性能不穩(wěn)定，對(duì)先導(dǎo)活門、活門座、柱銷三種零件的配合尺寸要求甚嚴(yán)，導(dǎo)向設(shè)計(jì)不合理，易發(fā)生密封失效問(wèn)題；二是原設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜、加工難度大，且需要特殊表面處理，成本較高，加工周期長(zhǎng)；三是原設(shè)計(jì)產(chǎn)品化程度低，各產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在較大差異，未進(jìn)行統(tǒng)一化設(shè)計(jì)。先導(dǎo)部位改進(jìn)前后主要進(jìn)行以下改進(jìn)設(shè)計(jì)：1）將活門座內(nèi)孔孔徑增大，倒角尺寸減小，將推桿導(dǎo)向（活門座處）延長(zhǎng)，提高推桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。2）去掉先導(dǎo)活門柱銷，以及推桿下部增加頂桿設(shè)計(jì)等，可以消除先導(dǎo)活門密封不良的可能性，提高先導(dǎo)活門零部件的工藝性，提高先導(dǎo)部位處的密封可靠性。3）在不影響其工作性能的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品的工藝可行性有了一定改善。例如，改進(jìn)前先導(dǎo)活門毛坯件為組件，由活門殼體和柱銷組成，需要裝配工序，改進(jìn)后將其簡(jiǎn)化為零件，可機(jī)加一體成形；改進(jìn)前，先導(dǎo)活門的橡膠密封面硫化后，需再對(duì)柱銷進(jìn)行加工，由于尺寸精度要求高，難度較大，改進(jìn)后取消了此項(xiàng)復(fù)雜的加工工序，并采用不銹鋼材料替代原有材料。以上可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠消除先導(dǎo)活門密封不良的可能性，提高先導(dǎo)活門零部件的工藝性，提高先導(dǎo)部位處的密封可靠性。
3.2主活門O形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)
高壓氣動(dòng)電磁閥的主活門采用活塞式往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要由閥體、主活門、擋圈、O形圈、主彈簧等相關(guān)零部件組成。當(dāng)電磁閥通電切換至斷電，該動(dòng)密封結(jié)構(gòu)主要工作原理為：入口氣體經(jīng)過(guò)殼體先導(dǎo)通道進(jìn)入先導(dǎo)腔，向下的氣動(dòng)力和主彈簧復(fù)位力逐漸克服向上的氣動(dòng)力和主活門O形圈動(dòng)摩擦力，推動(dòng)主活門向下運(yùn)動(dòng)，逐漸關(guān)閉密封。在主活門開始關(guān)閉階段，主活門上下氣動(dòng)力平衡，此時(shí)，如果主活門彈簧復(fù)位力小于O形圈摩擦力，則存在主活門關(guān)閉滯后或無(wú)法關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。為了減少O形圈摩擦力，需要調(diào)整O形圈及溝槽尺寸，從而確定適宜的O形圈壓縮率、拉伸率、容積比等設(shè)計(jì)參數(shù)，避免出現(xiàn)因O形圈設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，影響O形圈的裝配狀態(tài)，由此可能產(chǎn)生彎曲及扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致增大主活門運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。同時(shí)，電磁閥長(zhǎng)期加電造成電磁鐵以及整體的溫升，而O形圈本身采用密封橡膠材料，其體積隨著溫度的升高而逐漸增大[5]，因此長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下，O形圈發(fā)生的非常規(guī)變形對(duì)活門不關(guān)閉影響也很大。以往試驗(yàn)結(jié)果表明，某高壓23MPa電磁閥連續(xù)通電8~60h，電磁鐵外殼溫度平衡至70℃，考慮電磁閥內(nèi)外溫差，則可以得到：當(dāng)O形圈材料溫度升至80℃時(shí)，O形圈的體積變化率為2.6%，此時(shí)摩擦力增大約20N。根據(jù)QJA77-2011《航天型號(hào)用閥門動(dòng)靜密封設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)的主活門動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，對(duì)O形圈的摩擦力有很大程度減小，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)規(guī)范，提高了主活門快速關(guān)閉復(fù)位的可靠性。
4高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性試驗(yàn)及評(píng)估
4.1可靠性試驗(yàn)
對(duì)于高壓氣動(dòng)電磁閥來(lái)講，前文已分析其主要的失效模式可歸納為閥門無(wú)法正常啟閉（或泄漏），因此根據(jù)電磁閥特點(diǎn)，將可靠性特征量選取為滿足工作條件下正常啟閉次數(shù)。高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性的試驗(yàn)剖面是將試驗(yàn)件進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力下（環(huán)境溫度、工作壓力、工作電壓、工作時(shí)間等綜合影響）的啟閉試驗(yàn)，達(dá)到規(guī)定動(dòng)作次數(shù)后，復(fù)測(cè)試驗(yàn)件的性能。高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)：按100次一個(gè)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，每100次變換綜合環(huán)境應(yīng)力配置方式，對(duì)每套投試產(chǎn)品進(jìn)行4800次綜合環(huán)境應(yīng)力剖面下的啟閉試驗(yàn)。其中，結(jié)合產(chǎn)品對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力，同時(shí)為了實(shí)施方便（產(chǎn)品冷、熱浸的穩(wěn)定時(shí)間約4h，如果頻繁變溫會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)周期長(zhǎng)），高、低溫應(yīng)力分別實(shí)施，高溫、低溫情況下產(chǎn)品各啟閉1000次；工作壓力按額定工作壓力；工作電壓按上拉偏值、額定值、下拉偏值每100次、200次、100次往復(fù)循環(huán)。
4.2可靠性評(píng)估
高壓氣動(dòng)電磁閥是多個(gè)零部件組成的整體，各個(gè)零部件的失效有獨(dú)立性也有相關(guān)性，且每一零部件失效導(dǎo)致整個(gè)供氣閥件的失效；同時(shí)，高壓氣動(dòng)電磁閥無(wú)恒定失效率的零部件，無(wú)定期維修的零部件。鑒于以上特點(diǎn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選擇高壓氣動(dòng)電磁閥的可靠性分布類型為威布爾分布。
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