崔景芝 修建生 孫法國 丁建春
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所)
閥門是運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)的重要元件,用于實現(xiàn)氣體輸送、截止、調(diào)節(jié)、排放、超壓保護(hù)和推進(jìn)劑加泄、溢出等功能。作為運(yùn)載火箭上天后進(jìn)行動作的精密機(jī)械產(chǎn)品,閥門結(jié)構(gòu)、動作原理比較復(fù)雜,上天后的工作剖面因遙測參數(shù)有限很難準(zhǔn)確量化,這些都給閥門飛行性能可靠性驗證帶來一定的困難。如何提出一套經(jīng)濟(jì)可行的試驗辦法驗證閥門性能可靠性尤為關(guān)鍵,針對當(dāng)前國內(nèi)外閥門產(chǎn)品可靠性評估現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研分析,并根據(jù)載人航天運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)閥門產(chǎn)品的特點,制定了相應(yīng)的可靠性評估方法。
國內(nèi)對機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評估做了大量的研究工作,但是專門針對閥門的可靠性評估的研究很少。當(dāng)前主要工作如下:文獻(xiàn)[1]中,設(shè)計了閥門的可靠性試驗,并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析處理,對產(chǎn)品的平均無故障工作壽命(MTBF)、使用壽命和可靠壽命作了一個統(tǒng)計的、定量的評估。文獻(xiàn)[2]以CANDU重水堆電站應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)電動重水隔離閥為主要研究對象,探索核電站安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備可靠性分析與定期試驗頻率優(yōu)化的方法,建立一套能夠根據(jù)設(shè)備具體狀況評估其可靠性的分析管理體系。
國外對閥門的可靠性評估中,文獻(xiàn)[3]研究了閥門可靠性的評估方法,他認(rèn)為統(tǒng)計學(xué)的方法只是以現(xiàn)有的和試驗失效數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性評估;而參數(shù)法主要在指定工作時期或試驗持續(xù)時間內(nèi)有關(guān)參數(shù)變化的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行評估,參數(shù)法與統(tǒng)計學(xué)的方法相比,參數(shù)法允許減少試驗品的件數(shù)和試驗的持續(xù)時間。文獻(xiàn)[4]利用參數(shù)估計的方法對發(fā)動機(jī)操作閥進(jìn)行概率風(fēng)險評估,估計元件隨時間變化的失效率。文獻(xiàn)[5]利用Atwood文中部件失效數(shù)據(jù)運(yùn)用非參數(shù)最大似然估計的方法進(jìn)行估計,并與Atwood文中的計算結(jié)果進(jìn)行了對比,得到結(jié)論認(rèn)為在參數(shù)和非參數(shù)的計算模型中對數(shù)據(jù)不同的處理方法,會給評估結(jié)果帶來顯著不同。文獻(xiàn)[6]建立了一種新的評估模型并利用其進(jìn)行失效率的評估,并且與標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)模型進(jìn)行評估結(jié)果的比較,得出其優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)模型的結(jié)論;但是其建模過程中存在很多假設(shè),所以文中的方法也有一些缺陷。一些關(guān)鍵的可靠性參數(shù)的評估結(jié)果很大程度上依賴于模型的選取,而不僅僅是觀察到的各種故障數(shù)據(jù)。關(guān)于閥門的工作壽命的分布,文獻(xiàn)[7]對新設(shè)計的泵閥進(jìn)行試驗并和標(biāo)準(zhǔn)的泵閥相比較,結(jié)果顯示壽命有了提高,他提出閥門的工作壽命服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。文獻(xiàn)[8]以水面控制的水下安全閥為例提出,將閥門壽命看作其符合Weibull分布,代替我們通常采用的指數(shù)分布類型,他主要研究了影響閥門壽命的因素,假設(shè)兩參數(shù)的Weibull分布代替固定的故障率,在研究相關(guān)的失效機(jī)理的基礎(chǔ)上,證明Weibull分布應(yīng)用在閥門上是正確可行的;并在此基礎(chǔ)上,利用隨機(jī)觀察到的數(shù)據(jù)對MTTF(mean time to failure)和MFDT(mean fractional dead-time)進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[8]對閥門的MTTF和MFDT的評估結(jié)果隨著模型和模型參數(shù)選取的變化是不穩(wěn)定的。通常大部分的風(fēng)險和可靠性研究都是建立在失效率是常數(shù)的基礎(chǔ)上,可利用的數(shù)據(jù)不足以確定一個更真實的壽命分布,并估計出這個分布的參數(shù)。因此,經(jīng)常將其壽命分布默認(rèn)為指數(shù)分布。文獻(xiàn)[8]中利用Weibull分布討論建立了新的模型,為閥門的評估提供了一個新的思路。
載人航天閥門的可靠性評估是指根據(jù)閥門樣本數(shù)據(jù)對閥門可靠性進(jìn)行統(tǒng)計推斷,根據(jù)可能收集到的有關(guān)試驗(包括專門的可靠性試驗和其他的工程研制試驗)或計算仿真的數(shù)據(jù)與信息對閥門的可靠性指標(biāo)做出估計,從而得出閥門對于所要求的可靠性指標(biāo)的符合程度,其重要意義在于:
(1)通過評估,檢驗產(chǎn)品是否達(dá)到了可靠性要求,并驗證可靠性設(shè)計的合理性,如可靠性分配的合理性,冗余設(shè)計的合理性,選用元器件、原材料及加工工藝的合理性等等。
(2)評估工作會促進(jìn)可靠性與環(huán)境工作的結(jié)合。在可靠性評估中,要定量地計算不同環(huán)境對可靠性的影響,要驗證產(chǎn)品的抗環(huán)境設(shè)計的合理性,驗證改善產(chǎn)品微環(huán)境的效果。
(3)通過評估,可以指出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié),為改進(jìn)設(shè)計和制造工藝指明方向,從而加速產(chǎn)品研制的可靠性增長過程。
(4)通過評估,了解有關(guān)元器件、原材料、整機(jī)乃至系統(tǒng)的可靠性水平,這為制定新產(chǎn)品的可靠性計劃提供了依據(jù)。
(5)可靠性評估工作需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、分析及反饋,從而加強(qiáng)了數(shù)據(jù)網(wǎng)的建設(shè)。對于我國機(jī)械產(chǎn)品可靠性的研究工作具有重要意義。
針對運(yùn)載火箭閥門可靠性評估試驗周期長、高費用的特點,不可能針對閥門整體做大量的可靠性試驗來獲取可靠性數(shù)據(jù),但是對于各個單元,我們卻能做相對大量的試驗來獲取試驗數(shù)據(jù)。鑒于以上情況為了對閥門的可靠性指標(biāo)做到相對精確的評估,我們選用金字塔模型,即先對下一級各功能單元進(jìn)行評估,然后將試驗信息向上一級折合,再把折合信息與上一級的試驗信息進(jìn)行綜合,進(jìn)行各級系統(tǒng)可靠性綜合評估。
具體的實施方法為:通過建立閥門的功能框圖和可靠性框圖,并對其進(jìn)行分析,我們可以將閥門看作一個串聯(lián)系統(tǒng)。先對組成閥門的各個單元進(jìn)行評估,再將單元的信息折合到系統(tǒng)進(jìn)行評估。對單元的評估方法主要有:經(jīng)典方法、Bayes方法和Fiducial方法,前兩種方法比較普遍。但因為Bayes方法需要利用驗前分布和當(dāng)前試驗信息,由于我們?nèi)狈σ郧胺e累的數(shù)據(jù),驗前信息的獲取和驗前分布的表示都無法實現(xiàn)。所以盡管Bayes方法的理論已經(jīng)相對成熟,我們?nèi)詿o法用其進(jìn)行單元評估。在單元評估時,我們利用經(jīng)典方法進(jìn)行評估。
對系統(tǒng)評估時,我們采用L-M法和MML法進(jìn)行系統(tǒng)評估。
減壓器可靠性框圖如圖1所示:
圖1 減壓器可靠性框圖
根據(jù)減壓器的可靠性框圖,減壓器所包括:過濾裝置、活門和活門座、膜片組件、復(fù)位彈簧、調(diào)壓彈簧、密封墊片、阻尼件和閥芯拉桿、閥體。我們分別對其進(jìn)行評估。
此處需要說明的是:
(1)根據(jù)FMEA及FMECA分析,對于幾乎不發(fā)生故障的零部件,如過濾裝置、復(fù)位彈簧和調(diào)壓彈簧,可視其可靠度為1,不再對其可靠性進(jìn)行評估。
(2)為了評估閥門所有起密封作用的元件的可靠性,例如減壓器各個部位的墊片、活門和活門座等具有密封作用的元件,我們采取對整個閥門作密封試驗的方法。將所有元件看作一個統(tǒng)一單元進(jìn)行評估。
根據(jù)以上分析確定減壓器所需評估的單元為:密封元件、閥芯拉桿組件、膜片組件、閥體。
5.1.1密封元件
首先對整個閥門作密封試驗,設(shè)試驗時閥門的漏氣量為n泡/秒。規(guī)定每秒鐘閥門的漏氣量n≤k時,則閥門正常,否則算作失效。則k為其性能指標(biāo)的置信上限。
對閥門進(jìn)行密封試驗,設(shè)得到的漏氣量數(shù)據(jù)為:x1,x2,…xn,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合檢驗,對于單元的性能指標(biāo)而言,一般服從正態(tài)分布。假設(shè)得到的分布數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合優(yōu)度檢驗后服從正態(tài)分布,我們就可以利用數(shù)據(jù)對分布函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計,得到。又知其性能指標(biāo)的上限值 k,然后利用正態(tài)性能型單元的可靠性評估方法進(jìn)行評估。最后得到所有密封元件的可靠度,及可靠性置信下限。
5.1.2閥芯拉桿組件
根據(jù)對減壓器的FMEA及FMECA分析,閥芯拉桿組件的主要問題表現(xiàn)為動作不靈敏,甚至?xí)霈F(xiàn)抱死的情況,究其原因是由于活門與襯套之間摩擦力過大。但是當(dāng)二者摩擦力太小時,又不能滿足減壓器的性能指標(biāo)要求。
對閥芯拉桿的評估思路為:將活門與襯套之間的摩擦力作為特征量給定一個上限值U及下限值L,然后進(jìn)行試驗測定出一組摩擦力的值x1,x2,…xn,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合檢驗,對于單元的性能指標(biāo)而言,一般服從正態(tài)分布。假設(shè)得到的分布數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合優(yōu)度檢驗后服從正態(tài)分布,然后再利用數(shù)據(jù)對分布函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計,得到。然后利用正態(tài)性能型單元的可靠性評估方法進(jìn)行評估。得到閥芯拉桿組件的可靠度及可靠度置信下限。
5.1.3膜片組件
根據(jù)對減壓器的FMEA及FMECA分析,膜片的重要度最大,且膜片極易出現(xiàn)故障,其故障率的排序處于第三位,在此將閥芯的可靠度定為1,只需要對膜片進(jìn)行評估。
(1)首先選取大量樣本進(jìn)行完全樣本的疲勞試驗(如果試驗進(jìn)行到所有參加試驗的樣本全部故障為止,則稱為完全樣本試驗),可以得到大量的膜片的疲勞壽命數(shù)據(jù)。
(2)根據(jù)所得到得疲勞壽命失效數(shù)據(jù) ,采用異常值檢驗方法和擬合優(yōu)度檢驗方法,剔除異常值并且確定單元得壽命分布類型(例如正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布、Weibull分布等)
(3)最后根據(jù)其壽命分布類型,選擇與膜片壽命分布類型對應(yīng)的可靠性評估方法,進(jìn)行膜片的可靠性評估。假設(shè)我們采用異常值檢驗方法和擬合優(yōu)度檢驗方法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗,確定出其壽命符合Weibull分布,利用Weibull壽命型單元的可靠性評估方法進(jìn)行評估,得到膜片的可靠度和可靠度置信下限。
5.1.4閥體
對閥體進(jìn)行評估時,根據(jù)對減壓器的FMEA及FMECA分析,將螺蓋、襯套、限制盤和彈簧殼的可靠度定為1,選取殼體和密封墊片進(jìn)行試驗和評估,前面已經(jīng)提到,對密封墊片的試驗在對密封元件的試驗中整體進(jìn)行,故在此只對殼體進(jìn)行應(yīng)力—強(qiáng)度試驗。
進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度試驗時,做出假設(shè),應(yīng)力與強(qiáng)度均符合正態(tài)分布。
(1)當(dāng)強(qiáng)度分布參數(shù)均值與方差未知,應(yīng)力取極限值時,利用點估計方法得到可靠性的點估計,及可靠性置信下限。
(2)當(dāng)強(qiáng)度與應(yīng)力分布參數(shù)均值與方差都未知時,分別作強(qiáng)度試驗及應(yīng)力試驗,設(shè)強(qiáng)度試驗結(jié)果取得 nx個強(qiáng)度試驗值:x1,x2,…xnx;應(yīng)力試驗結(jié)果取得ny個應(yīng)力試驗值:y1,y2,…yny。利用可靠性的點估計得到,及可靠性置信下限。
5.1.5減壓器最終評估單元
根據(jù)以上分析,減壓器最終所評估的單元如下圖所示:
圖2 減壓器最終評估單元
(1)減壓器失效判別標(biāo)準(zhǔn)
減壓器失效模式為導(dǎo)向不靈或零件損壞造成控制壓力帶超標(biāo)。
(2)可靠性特征量
根據(jù)減壓器的動作特性可定義其可靠性特征量為滿足壓力上、下限要求的調(diào)節(jié)次數(shù)。
(3)任務(wù)剖面確定
根據(jù)火箭飛行貯箱遙測參數(shù),減壓器在一次飛行過程中大約開啟3~5次,考慮一定的余量,飛行任務(wù)剖面定為開啟、關(guān)閉10次。
(4)分布類型選取
從以上分析可知減壓器性能分布選擇Weibull分布是可行的。采取Weibull壽命型方法對箭體閥門進(jìn)行可靠性評估時,規(guī)定任務(wù)時間一般選定閥門使用時的工作次數(shù)或火箭飛行總時間。然后選定合理的試驗件數(shù)量,根據(jù)可靠性指標(biāo)要求進(jìn)行定時結(jié)尾壽命試驗。
(5)試驗件、試驗時間的確定
設(shè)Weibull壽命型(雙參數(shù))單機(jī)產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)為(n,r,t1≤…tn),即共投入 n 個樣本進(jìn)行試驗,試驗中共有r個產(chǎn)品失效,則單機(jī)產(chǎn)品可靠性置信下限RL的計算公式為:
式中m為形狀參數(shù),是衡量壽命分散性的尺度,一般m取2~3,具體值應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)估計而得或根據(jù)工程經(jīng)驗判定。
然而,由于受到試驗件數(shù)量的限制(試驗件一般為6件),在用公式(1)進(jìn)行評估時,只要一件失效,其可靠性就難以達(dá)到總體要求的可靠性水平。所以在試驗過程中,不允許出現(xiàn)1件失效,否則終止試驗。試驗無失效產(chǎn)品時且所有試驗件的試驗次數(shù)相同時,公式(1)可轉(zhuǎn)化為下式評估產(chǎn)品的可靠性:
式中 γ——置信度,按某型號的可靠性大綱要求取0.7;n——投試樣件數(shù);m——形狀參數(shù),Weibull分布形狀參數(shù)m取3;t0——規(guī)定任務(wù)時間(次數(shù));tR——試驗截止時間(次數(shù)),即可靠壽命。
根據(jù)公式,可以推算出特定可靠性要求下的試驗次數(shù)。為表達(dá)方便和統(tǒng)一化,這里的試驗次數(shù)tR均相同,且取相對t0的相對次數(shù),即在公式(2)中t0取為1,t為相對值。根據(jù)公式(2)可知,至少需要20倍的任務(wù)次數(shù),才能評估出0.9995以上的可靠性,所以試驗次數(shù)取20倍。
(6)可靠性試驗方案及結(jié)果分析
按照地面試驗?zāi)M箭上工況的原則,設(shè)計了試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)如圖3。
試驗按照下列程序進(jìn)行:
圖3 試驗系統(tǒng)示意圖
①保持入口壓力為22.6MPa,調(diào)整出口壓力為1.5±0.3MPa。
②啟動電磁閥,當(dāng)減壓閥入口壓力從22.6MPa降至3.5MPa時,減壓閥出口壓力均應(yīng)滿足1.5±0.3MPa,不許有振動鳴叫現(xiàn)象。
③每完成10次試驗后,從入口分別通入22.6MPa的氣體,檢查活門座和活門與其配合處的漏氣量,其值不超過3L/min。
④每完成10次試驗后,從入口分別通入1.28MPa氣體,檢查墊片和膜片密封處的漏氣量,不許漏氣。
(7)試驗結(jié)果
2008年10月-12月,在北京宇航系統(tǒng)工程研究所增壓輸送系統(tǒng)試驗室進(jìn)行了減壓器的可靠性試驗。試驗中,6件產(chǎn)品分別進(jìn)行了80次試驗,試驗過程中和試驗完成后的動作靈活性、密封性能均合格。因此可以認(rèn)為所有試驗件都沒有損壞。試驗結(jié)果見表1。
表1 試驗數(shù)據(jù)表
根據(jù)公式(2),得到改進(jìn)后減壓器的可靠性評估結(jié)果為:
這一結(jié)果滿足分系統(tǒng)分配的0.9995的可靠性指標(biāo)要求。
科學(xué)而先進(jìn)的可靠性評估方法,為充分利用各種試驗信息奠定了理論基礎(chǔ)。這對減少試驗經(jīng)費,縮短研制周期,對合理安排試驗項目,協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各單元的試驗量等有重要的作用。本文針對當(dāng)前國內(nèi)外閥門產(chǎn)品可靠性評估現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研分析,并根據(jù)載人航天運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)閥門產(chǎn)品的特點,制定了相應(yīng)的可靠性評估方法,并以減壓器為例,進(jìn)行了可靠性評估方法的計算應(yīng)用。
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