史秋明，謝榮華

（上海空間推進研究所，上海201112）

0 引言

空間推進系統(tǒng)一般采用電磁閥控制液體火箭發(fā)動機的推進劑供給，螺管式電磁閥以螺管式電磁鐵為執(zhí)行機構(gòu)，具有體積小、功耗低的特點，適用于空間推進系統(tǒng)。為了滿足空間推進系統(tǒng)長期可靠工作的要求，應(yīng)著重研究影響閥門可靠性的要素，閥芯-殼體滑動副就是其中之一。

從20世紀60年代開始，設(shè)計參數(shù)靈敏度分析方法就受到美國航空航天界關(guān)注。該方法需先列出系統(tǒng)動力學(xué)方程組，求出設(shè)計目標 (如動、靜特性、特征值和特征向量以及系統(tǒng)優(yōu)化)相對于設(shè)計參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，據(jù)此評價各參數(shù)對設(shè)計目標的影響程度，評估設(shè)計趨勢和引導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化[1-2]。可求解系統(tǒng)動力學(xué)方程，再求設(shè)計目標對設(shè)計參數(shù)的導(dǎo)數(shù)[3-5]。亦有用數(shù)值方法，如求解流場參數(shù)靈敏度方程和某翼型的升力系數(shù)等相對于攻角等參數(shù)的變化率找出影響大的因素[6]。用吸力相對于時間和電流的導(dǎo)數(shù)也能分析電磁鐵的優(yōu)化趨勢[7]。

質(zhì)量功能配置（QFD）方法的瀑布式分解模型采用關(guān)系矩陣逐級細化產(chǎn)品要求，最終將技術(shù)分析的觸角伸到產(chǎn)品的各個細節(jié)[8]。雖然QFD方法能從細微處提高產(chǎn)品整體可靠性，但實施者對產(chǎn)品的認識水平依然影響著分析效果。用設(shè)計參數(shù)靈敏度分析找出影響可靠性的因素，對完善QFD方法的分析過程有指導(dǎo)作用。

本文將靈敏度分析與QFD方法結(jié)合起來，從電磁閥任務(wù)分析入手，用靈敏度分析方法研究影響螺管式電磁閥滑動副可靠性的因素，用QFD方法將研究成果貫徹到產(chǎn)品研發(fā)的各個環(huán)節(jié)，提出技術(shù)控制措施，提高滑動副的工作可靠性。

1 電磁閥的典型任務(wù)剖面

螺管式電磁閥的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，組成-功能表見表1，其中閥芯外圓柱面和殼體內(nèi)孔壁面組成了滑動副。

電磁閥有兩類輸出，其一是介質(zhì)控制，其二是啟閉件的運動狀態(tài)（含電流信號）。因此，認為電磁閥共有吸合動作、通流、釋放動作和密封4個任務(wù)剖面。

表1 螺管式電磁閥的組成-功能表Tab.1 Composition and functions of solenoid valve

參照表1，將彈簧壓縮量及其變化作為彈簧的固有特性，可建立4個任務(wù)剖面的功能框圖（圖2），其中，虛線代表了系統(tǒng)和外界的接口。

圖2是分析功能失效的基礎(chǔ)。從中可知，閥芯-殼體滑動副的卡死會導(dǎo)致吸合和釋放動作任務(wù)的失敗并間接導(dǎo)致通流或密封任務(wù)的失敗。

2 滑動副的設(shè)計參數(shù)靈敏度分析

電磁閥閥芯-殼體滑動副的受力示意圖見圖3。圖中，F(xiàn)為軸向驅(qū)動力，可以是推力或拉力，作用于閥芯端面；相對殼體內(nèi)孔軸線的偏心量為e；N1和N2為側(cè)壁彈力；Fx為側(cè)壁對閥芯的等效吸力；l為Fx作用點到力矩中心的距離；h為N1和N2的間距；d為滑動副直徑。圖3省略了N1和N2處的摩擦力。

根據(jù)圖3，在閥芯即將被卡死的臨界狀態(tài)，有式 （1）

式中：f為總摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；“±”號中，“+”為圖示受力狀態(tài)，“-”代表F反向，但其力矩方向不變的狀態(tài)；其余參數(shù)同圖3。類似公式的推導(dǎo)見文獻 [9]和 [10]。從式（1）可知，力F的偏心和側(cè)向吸力Fx是產(chǎn)生摩擦的原因。由式 （1）可得

由式 （2）～（6）可得三個結(jié)論：第一，隨著h的減小，h的變化對摩擦力變化的影響迅速增加；第二，側(cè)向吸力FX使μ的靈敏度增加；第三，參數(shù)e，l和d的靈敏度為常數(shù)，參數(shù)變化對摩擦力的影響有限。其中，參數(shù)e的增長還受到滑動副間隙和彈簧偏心量的限制，進一步限制了摩擦力的增幅，而由于μ2因子的存在，摩擦力對d的靈敏度比l更小。

比較以上5個靈敏度可知，當h趨于0時，h是對摩擦力影響最大的因素。進入滑動副間隙的多余物可能造成h趨于0，使摩擦力迅速增加，閥芯卡死。過濾器可防止外來多余物，因此滑動副磨損產(chǎn)生的多余物是影響參數(shù)h的直接原因。

側(cè)向吸力FX既增加了摩擦力，又使滑動副接觸面處于循環(huán)接觸應(yīng)力之下，容易產(chǎn)生疲勞磨損。若FX過大，還會造成接觸面的粘著磨損。疲勞磨損表現(xiàn)為材料表面鱗狀剝落，粘著磨損則體現(xiàn)在接觸面的材料交換與分離[9]。疲勞磨損和粘著磨損產(chǎn)生的多余物能卡死閥芯，是影響滑動副工作壽命的重要原因。

減小偏心e能減小f以及f對h和μ的靈敏度。降低滑動副間隙能降低e值，但也會使滑動副更容易被微型多余物卡死。如果e值減小到與滑動副形狀誤差相同的級別，則形狀誤差也會在滑動副上產(chǎn)生不垂直于其軸線的作用力，阻礙閥芯運動。提高彈簧的對中精度能降低e值，但幅度受制于彈簧的尺寸精度。

減小l和d能減小f以及f對h和μ的靈敏度，但也影響有限，不值得作為改進重點。相比于對摩擦力的影響，減小l的優(yōu)點更體現(xiàn)在能減小側(cè)向吸力FX方面。

根據(jù)以上研究，在進行閥芯-殼體滑動副的結(jié)構(gòu)研究和工藝規(guī)劃時，應(yīng)將研究重點放在控制接觸應(yīng)力、預(yù)防疲勞磨損和粘著磨損方面。

3 技術(shù)要素的分析和控制

從電磁閥的4個任務(wù)剖面出發(fā)，用質(zhì)量功能配置（QFD）方法，依次得到四級關(guān)系矩陣，即產(chǎn)品規(guī)劃矩陣、零部件規(guī)劃矩陣、工藝規(guī)劃矩陣和工序質(zhì)量控制矩陣。矩陣的縱坐標決定橫坐標，其決定程度就是表格元素值，如可用 {0 1 3 9}遞進表示由0到最大的決定程度。獲得決定關(guān)系后，橫坐標就成為已知條件，將在下一級關(guān)系矩陣中作為縱坐標，對其它橫坐標有決定作用[8]。

螺管式電磁閥的產(chǎn)品規(guī)劃矩陣見表2，縱坐標來自于任務(wù)分析，橫坐標從表1獲得。

表2 螺管式電磁閥的產(chǎn)品規(guī)劃矩陣（局部）Tab.2 A segment of planning matrix of solenoid valve

根據(jù)滑動副設(shè)計參數(shù)靈敏度的分析結(jié)果，要避免疲勞磨損和粘著磨損產(chǎn)生的多余物卡死閥芯，需研究與滑動副相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素及其工藝規(guī)劃。有三個基本思路。然后可得零部件規(guī)劃矩陣見表3，橫坐標為零件的功能-結(jié)構(gòu)要素。表2和3均只選取了與閥芯-殼體滑動副有關(guān)的部分。

表3 閥芯-殼體滑動副的零部件規(guī)劃矩陣（局部）Tab.3 A segment of part planning matrix of valve core-shell sliding pairs

思路一 采用閥芯（或銜鐵）外圓和殼體孔壁不接觸的原則，設(shè)計閥芯的專用支承，徹底杜絕閥芯外圓和殼體孔壁間的接觸應(yīng)力。如文獻[11]引述了文獻AIAA-1980-1296中的內(nèi)容，介紹了一種采用軸向彈性、徑向剛性支承的自鎖電磁閥。根據(jù)文獻 [11]的圖2，可繪出該閥的運動結(jié)構(gòu)簡圖，見圖4（a）。

圖4（a）中，彈性支承將銜鐵懸掛起來，使其外圓與殼體孔壁不接觸。在受到外界載荷沖擊時，即便銜鐵外圓和孔壁偶然接觸，支承產(chǎn)生的彈力也足以使閥芯恢復(fù)對中。為減小磁場損失，外圓和孔壁的間隙應(yīng)與閥芯-殼體滑動副的間隙接近。該技術(shù)對閥芯的對中工藝有很高要求。

取消圖4（a）中的彈性支承，改用滑動副支承銜鐵可得一種常規(guī)結(jié)構(gòu)，見圖4（b）。需要根據(jù)接觸應(yīng)力及其循環(huán)方式設(shè)計其中的滑動副，如選擇滑動副的材料、硬度、尺寸、幾何精度和表面粗糙度等，以避免疲勞磨損和粘著磨損。該結(jié)構(gòu)將滑動副的可靠性與閥門電磁特性分開考慮，避免了直接使用軟磁材料作為滑動副。

思路二 重新設(shè)計磁路，不產(chǎn)生側(cè)向吸力。如文獻 [12]給出了一種只有端面吸力的電磁換向閥，結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

從圖5可知，該閥只在各端面產(chǎn)生吸力，不會在滑動副上產(chǎn)生大的接觸應(yīng)力，故能避免疲勞磨損和粘著磨損。但也可知，其磁路的復(fù)雜性會引起閥門體積和重量的上升。

思路三 采用降低滑動面接觸應(yīng)力的設(shè)計原則，降低發(fā)生疲勞磨損和粘著磨損的可能性?？赏ㄟ^增加閥芯外圓和殼體孔壁的接觸面積或增加產(chǎn)生側(cè)向吸力的殼體面積來降低滑動表面的平均接觸應(yīng)力。由于側(cè)向吸力使得閥芯對孔壁施加壓力，而閥芯在軸線方向與孔壁的接觸長度為有限值，接觸面在軸線方向的變形特性為均勻法向位移，因此接觸面的邊緣存在應(yīng)力峰值[13]。對于某些平均側(cè)向吸力不大的滑動副而言，應(yīng)力峰值也能使接觸面邊緣產(chǎn)生疲勞磨損，導(dǎo)致滑動副卡死。通過對接觸面的邊緣修形，能降低或消除該峰值，提高可靠性。若吸力可靠性足夠，適當降低通流任務(wù)下的線圈電流，也能降低側(cè)向吸力，提高可靠性。限制了接觸應(yīng)力，就能直接采用軟磁材料構(gòu)建滑動副，簡化閥門結(jié)構(gòu)。

比較可知，思路一和二適用于大載荷和大規(guī)格的電磁閥，其中思路一對閥芯支承的設(shè)計以及閥芯的對中工藝有很高的要求，并使結(jié)構(gòu)重量有所增加，用于小型電磁閥會付出少許尺寸和重量的代價；思路二脫離了傳統(tǒng)的螺管式電磁閥，對小型閥就需要付出額外的尺寸和重量代價以便建立復(fù)雜的磁路結(jié)構(gòu)；思路三為傳統(tǒng)思路，尤其適用于小型電磁閥，但對于大規(guī)格閥門，控制接觸應(yīng)力的難度較大。

另外，根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，在保證滑動副間隙大于多余物尺寸的前提下，盡可能減小間隙值是降低摩擦力的設(shè)計原則。

在空間推進系統(tǒng)中，小型電磁閥需求很大，而思路三適用于小型閥，因此若能有效控制磨損產(chǎn)生的多余物，就不應(yīng)排斥思路三。從機械加工的角度看，由于存在邊緣修形要求，思路三中結(jié)構(gòu)要素的機械加工難度比思路一和二略大。綜合以上兩點，只對思路三的工藝質(zhì)量控制進行分析，完成QFD方法剩余的兩個矩陣。

根據(jù)思路三，結(jié)合表3，可得滑動副的工藝規(guī)劃矩陣見表4，矩陣的橫坐標為滑動副相關(guān)結(jié)構(gòu)要素及其加工方法。

對表4的結(jié)構(gòu)要素提出質(zhì)量控制要求，可得工序質(zhì)量控制矩陣見表5。表5給出了部分結(jié)構(gòu)要素的工序質(zhì)量控制內(nèi)容，其控制點體現(xiàn)了滑動副結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計思路和原則。

表4 閥芯-殼體滑動副的工藝規(guī)劃矩陣Tab.4 Process planning matrix of valve core-shell sliding pairs

表5 閥芯的工序質(zhì)量控制矩陣（局部）Tab.5 A part of quality control matrix of valve core

4 結(jié)論

建立了電磁閥的4個任務(wù)剖面，依次為吸合動作、通流、釋放動作和密封任務(wù)。通過任務(wù)分析發(fā)現(xiàn)閥芯-殼體滑動副是決定電磁閥可靠性的重要因素。給出了電磁閥滑動副摩擦力的計算公式，用設(shè)計參數(shù)靈敏度分析法研究了導(dǎo)致閥芯卡死的原因，認為多余物造成側(cè)向力間距下降能使閥芯受到的摩擦力大幅度增加，接觸應(yīng)力造成的疲勞磨損和粘著磨損是產(chǎn)生多余物的重要原因。

在用QFD方法分析時，著重研究了如何避免滑動副的疲勞磨損和粘著磨損。將技術(shù)解決方案概括為三種思路，研究了其技術(shù)特點和適用范圍。根據(jù)思路三，即采用降低滑動面接觸應(yīng)力的設(shè)計原則，進一步研究了滑動副要素的機械加工工藝規(guī)劃和工序質(zhì)量控制要點。

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