程 帆，張 波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)

程 帆，張 波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

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。

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]。

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，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

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]。

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)GJB 899A-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[3]。

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，其流程見圖2。

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。圖3所示為高壓氣動(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[4]；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23 MPa電磁閥連續(xù)通電8～60 h，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20 N。

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[6]。

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[7]。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4 800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4 h，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1 000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)。

高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目及要求見表1。試驗(yàn)設(shè)備見圖4。試驗(yàn)項(xiàng)目主要目的在于考核電磁閥密封性和關(guān)閉可靠性。對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行常溫、低溫、高溫試驗(yàn)條件下的氣密性檢查、響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)、工作性能檢查、長(zhǎng)時(shí)間通電通氣試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證，電動(dòng)截止閥共計(jì)進(jìn)行4個(gè)循環(huán)，共工作4 800次。

表1 高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.1 Items of reliability experiment for high-pressure pneumatic solenoid valve

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[8]。

對(duì)于可靠性特征量服從威布爾分布的產(chǎn)品，高壓氣動(dòng)電磁閥的發(fā)射任務(wù)可靠度下限RL(t0)由下式計(jì)算[9]：

式中：RL(t0)為產(chǎn)品可靠性下限；為自由度為 （2r+2）的 χ2分布 γ分位數(shù)，由 GB/T 4086.2-1983中χ2分布分位數(shù)表查得；ti為第i個(gè)受試產(chǎn)品的試驗(yàn)截尾次數(shù) (1≤i≤n，ti〉t0，ti可以互不相同)；r為受試產(chǎn)品失效數(shù)。

通過(guò)試驗(yàn)可得，在單發(fā)發(fā)射任務(wù)產(chǎn)品動(dòng)作次數(shù)t0=100，置信度γ=0.7，威布爾分布形狀參數(shù)m=2的情況下，可靠性評(píng)估結(jié)果為：在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，六件電磁閥產(chǎn)品的發(fā)射任務(wù)可靠度的置信下限值RL(100)=0.999 913，滿足某型號(hào)發(fā)射任務(wù)可靠度0.999 9的要求[10]。

5 結(jié)論

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)，大大降低了影響發(fā)射任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)，可避免由于單點(diǎn)失效導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)推遲或失敗而帶來(lái)的巨大損失。高壓氣動(dòng)電磁閥可靠性的提高成為確保地面發(fā)射任務(wù)高可靠的關(guān)鍵因素，為日益嚴(yán)格的發(fā)射需求提供了根本保證和基本需求。

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（編輯：王建喜）

Design for reliability improvement of high-pressure pneumatic solenoid valve

CHENG Fan,ZHANG Bo
（Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing 100076,China）

The high-pressure pneumatic solenoid valve is the key element applied to the ground gas supply system in aerospace field,whose reliability is closely related with the successful launch procedure of the launch vehicle.In this paper,the failure modes of high-pressure pneumatic solenoid valve are analyzed,and the reliability improvement,reliability test and reliability assessment techniques are also introduced.The reliabilityof high-pressure pneumatic solenoid valve was increased to a certain extent bya series of reliabilityimprovement designs and validation experiments,which was also proved in large-scale flight tests.

high-pressure pneumatic solenoid valve;reliability improvement;design

V434-34

A

1672-9374(2017)01-0050-05

2016-06-17；

2016-10-20

程帆（1986—），女，工程師，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)榈孛婀庀到y(tǒng)及元件設(shè)計(jì)