呂堂祺，周 果，錢 宇

（中國船舶重工集團公司 第704研究所 質(zhì)量管理處，上海 200031）

射流管式電液伺服閥可靠性數(shù)字仿真

呂堂祺，周 果，錢 宇

（中國船舶重工集團公司 第704研究所 質(zhì)量管理處，上海 200031）

從射流管式電液伺服閥的基本失效分析出發(fā)，運用故障樹分析理論，建立了以其不能正常工作為頂事件的故障樹，并收集了各個底事件的失效分布函數(shù)。運用了蒙特卡羅方法與故障樹分析相結(jié)合進行可靠性數(shù)字仿真，并以MATLAB為平臺，編制了伺服閥的故障樹仿真分析程序，得出了射流管式電液伺服閥平均故障間隔時間和在不同工作時間要求下的可靠度，為射流管式電液伺服閥可靠性定量分析、評估提供了一定依據(jù)。

射流管式電液伺服閥；故障樹；數(shù)字仿真

0 引言

射流管式電液伺服閥是美國五十年代末研制的軍用產(chǎn)品，由于該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)牢固，抗污染能力強，分辨率高，壽命長的獨特優(yōu)點。國外的民航飛機從上世紀六、七十年代起就大量使用射流管式電液伺服閥。從國外的研究資料來看，美國從六十年代起就開始在軍用航空器上使用射流管技術(shù)，歐洲及俄羅斯等世界各國的軍用飛機和民航客機都在大量使用射流管式電液伺服閥。

由于射流管式電液伺服閥設(shè)計制造均有一定難度，國外因涉及軍工國防對中國射流管技術(shù)實行嚴格控制和技術(shù)封鎖，目前國內(nèi)射流管式電液伺服閥技術(shù)發(fā)展比較緩慢。由于條件所限，產(chǎn)品在批產(chǎn)穩(wěn)定性及可靠性研究方面一直存在不足，積累的歷史數(shù)據(jù)較少，無法準確進行定量的可靠性分析計算和評估。

定量分析的目的在于利用故障樹作為計算模型，在已知底事件發(fā)生概率的情況下計算頂上事件的發(fā)生概率，從而對系統(tǒng)的可靠性、安全性及風(fēng)險性做出評估。為了能夠?qū)ι淞鞴苁诫娨核欧y產(chǎn)品進行可靠性定量分析，從射流管式電液伺服閥的基本失效分析出發(fā)，運用故障樹分析理論，建立了以伺服閥不能正常工作為頂事件的故障樹模型，并收集了各個部件的失效分布函數(shù)。針對故障樹分析特點，運用了蒙特卡羅方法與故障樹分析相結(jié)合進行可靠性數(shù)字仿真[1]，并以MATLAB為平臺，編制了伺服閥的故障樹仿真分析程序進行仿真。

1 射流管式電液伺服閥故障樹建立

射流管式電液伺服閥主要由力矩馬達、射流管式放大器、滑閥組件主要部件組成。其中力矩馬達主要由銜鐵組件（含永久磁鐵、上下導(dǎo)磁體、銜鐵）、彈簧管、控制線圈（采用雙冗余備份方式）組成；射流管式放大器主要由射流管件、噴嘴及接受器組成；滑閥組件主要由閥芯、襯套及閥體組成。

以射流管式電液伺服閥失效為頂事件，建立其失效故障樹，如圖1所示。

圖1 射流管式電液伺服閥失效故障樹

依據(jù)GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》得到了線圈的失效率，通過文獻查找和預(yù)估得到其他各個機械組件的失效率。各個底事件的失效分布如表1所示。

表1 各個底事件失效分布及特征參數(shù)

2 建立射流管式電液伺服閥可靠性仿真模型

射流管式電液伺服閥設(shè)備由 12個基本部件組成，用S表示射流管式電液伺服閥設(shè)備，則有：S={Z1,Z2,…,Z12}，Zi表示伺服閥的第i個組件，每個組件的失效分布函數(shù)如表1所示。射流管式電液伺服閥的故障樹是各個基本事件之間的邏輯關(guān)系圖，故障樹的頂事件即為伺服閥S的失效事件，其底事件即伺服閥的各個基本部件Zi的失效事件，伺服閥設(shè)備中共有12個底事件。

式中，xi(t)表示第i個底事件的狀態(tài)變量，i=1,2,…,12。取：

在伺服閥故障樹中，控制線圈為熱備份模式，當且僅當兩個線圈的底事件狀態(tài)變量同時為1時，系統(tǒng)才失效。

由可靠性理論知[2,3]，伺服閥故障樹中與門和或門的結(jié)構(gòu)函數(shù)分別是公式（2）和（3）。

由此可知伺服閥失效的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

3 仿真算法分析

根據(jù)故障樹表示的伺服閥可靠性模型，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)，運用蒙特卡羅方法進行系統(tǒng)仿真[4,5]，并對可靠度和平均無故障時間進行估計。仿真算法如下：

1）設(shè)定伺服閥規(guī)定的工作壽命Tmax。

2）規(guī)定仿真運行總次數(shù)NS，仿真運行的序號為N，其中N=1,2,…,NS。

3）根據(jù)12個組件的失效分布函數(shù)，采用蒙特卡洛抽樣方法，得出每個組件的失效時間Ti，其中i=1,2,…,12。若Ti大于Tmax，則第i個組件在伺服閥壽命內(nèi)未失效，即xi(t)=0；若Ti小于Tmax，則第i個組件在伺服閥壽命內(nèi)失效，即xi(t)=1。根據(jù)伺服閥失效的結(jié)構(gòu)函數(shù)，計算其結(jié)構(gòu)函數(shù)值，并由此判斷伺服閥是否失效。

4）統(tǒng)計正常伺服閥工作次數(shù)N成功，由此可得伺服閥的可靠度為：

5）由于伺服閥組件中任意組件發(fā)生故障，則伺服閥發(fā)生故障，即需要對其進行維修，因此記錄第i仿真過程中12個組件的最小失效時間Ti，則仿

min

真得到的平均故障間隔時間為：

具體的仿真流程如圖2所示。

圖2 伺服閥可靠性仿真流程圖

4 仿真結(jié)果分析

采用MATLAB編制仿真程序，進行兩大組仿真試驗。第一組仿真試驗中仿真次為十萬次，第二組仿真試驗中仿真次為五百萬次，分別設(shè)定伺服閥的壽命工作時間為1000h、5000h、10000h、50000h和 100000h，其中每小組的仿真結(jié)果均為十次仿真取平均值，可靠度仿真結(jié)果如表2所示，平均無故障間隔的仿真結(jié)果如表3所示。

表2 可靠度仿真結(jié)果

表3 平均無故障間隔時間仿真結(jié)果

由上可知，兩次仿真的結(jié)果非常接近。伺服閥的可靠度隨工作時間的增長明顯下降，這與可靠度的定義是相符的，即隨著工作的增長，可靠度下降。平均故障間隔時間不受伺服閥產(chǎn)品的工作時間、仿真次數(shù)影響，基本收斂在45600h左右，這是由于平均故障間隔時間是產(chǎn)品的固有屬性，符合實際情況。

從上述分析可知，此次的仿真符合事實情況，具有一定的可信性，其仿真結(jié)果的值可以為電液伺服閥產(chǎn)品的可靠性定量分析提供參考。

5 結(jié)束語

本文從射流管式電液伺服閥的基本失效分析出發(fā)，運用了故障樹分析理論，建立了以伺服閥不能正常工作為頂事件的故障樹模型，并收集了各個部件的失效分布函數(shù)，采用了蒙特卡羅方法與故障樹分析相結(jié)合進行可靠性數(shù)字仿真，并以 MATLAB為平臺，編制了伺服閥的故障樹仿真分析程序，得出了射流管式電液伺服閥不同工作時間要求下的可靠度值和平均故障間隔時間，為射流管式電液伺服閥可靠性定量分析、評估提供了一定依據(jù)。本方法適用范圍可以推廣到大型復(fù)雜可修系統(tǒng)，且對不同系統(tǒng)能建立統(tǒng)一的仿真模型，消除需要重復(fù)建模和編程的弊端。由于本方法在仿真原理上融入了基于故障樹仿真方法，體現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)特點，因此在理論模型上更貼近工程實際，更能夠反映出復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能特性。

[1] 楊為民, 盛一興. 系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1990.

[2] 曾聲奎, 趙廷弟, 張建國, 等. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教程[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.

[3] 褚衛(wèi)明, 易宏, 張裕芳. 基于故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的可靠性仿真[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2004, 26(10): 80-83.

[4] 魏選平, 卞樹檀. 故障樹分析法及其應(yīng)用[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2004(3): 43-45.

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Reliability Digital Simulation of Jet-tube Hydraulic Servo Valve Based on Fault Tree Method

Lyu Tang-qi, Zhou Guo, Qian Yu

(Quality Control Department of Shanghai Marine Equipment Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Inthis paper, the top event of the fault tree using fault tree analysis theory based on the jet-tube hydraulic servo valve’s not working properly is established and the distribution function for each bottom event is collected. Combining Monte Carlo method with the fault tree analysis, the reliability of digital simulation is set up and the fault tree analysis simulation program of servo valve based on MATLAB is prepared, obtaining the MTBF and reliability of the jet-tube hydraulic servo valve under different working time and requirements. The basis for reliable quantitative analysis of the jet-tube hydraulic servo valve is provided at last.

Jet-tube hydraulic servo valve; fault tree; digital simulation

TH137

A

1005-7560 (2014) 04-0052-04

呂堂祺（1987-），男，碩士研究生，研究方向：船舶設(shè)備可靠性、質(zhì)量管理。