劉玉石，朱宜生，王一飛，彭德強

（中國船舶集團有限公司第七二三研究所，揚州 225001）

引言

空氣電磁閥是燃氣輪機電氣附件的重要組成部分，用于控制燃氣輪機空氣介質(zhì)流動[1]，空氣電磁閥正常工作狀態(tài)下的可靠性對保障燃機穩(wěn)定運行具有重要意義?？諝怆姶砰y可靠性指標(biāo)高，可靠性試驗時間長，試驗條件嚴酷，對試驗設(shè)備及測試系統(tǒng)均提出較高要求。目前國內(nèi)燃氣輪機附件類可靠性試驗案例較少，電氣附件一般隨整機開展試驗，不單獨進行可靠性試驗考核，導(dǎo)致其試驗驗證不充分，實際裝機故障率較高，亟需對其故障機理進行分析，對可靠性驗證方法進行改進，通過開展空氣電磁閥可靠性試驗，驗證可靠性指標(biāo)，提升可靠性水平。

1 研究背景

電氣附件的發(fā)展歷程與燃氣輪機密切相關(guān)，我國從國外引進艦用燃氣輪機技術(shù)后，歷經(jīng)引進機組裝艦使用、國產(chǎn)化研制和裝備供貨的發(fā)展歷程[2]。目前國內(nèi)已經(jīng)具備電氣附件產(chǎn)品自主研發(fā)、生產(chǎn)、試驗的能力。燃氣輪機可靠性關(guān)系到航行任務(wù)的執(zhí)行效果，發(fā)生故障將直接導(dǎo)致機組狀態(tài)失控、功能喪失、工況改變和停機，危害燃氣輪機機組的穩(wěn)定運行。根據(jù)在燃氣輪機試驗中和實船上應(yīng)用的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電氣附件的主要故障包括失效、數(shù)值輸出不穩(wěn)定、絕緣失效、誤動作、精度不足、本體及電纜斷裂、拆裝卡澀等。針對上述各個環(huán)節(jié)以故障整改為驅(qū)動，電氣附件多次改進，改進后產(chǎn)品的可靠性水平尚未經(jīng)驗證。因此對電氣附件開展可靠性試驗研究，進一步提高國內(nèi)電氣附件的產(chǎn)品質(zhì)量。

空氣電磁閥是燃氣輪機電氣附件的重要組成部分，本文主要針對空氣電磁閥可靠性試驗方法、試驗條件、功能測試及數(shù)據(jù)統(tǒng)計開展研究工作。

2 可靠性試驗方案

空氣電磁閥可靠性試驗依據(jù)GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》[3]，選用合適的試驗方案進行，由于空氣電磁閥的MTBF 指標(biāo)高達5 000 h，綜合考慮試驗進度，經(jīng)費及費效比，選取標(biāo)準中試驗時間最短的定時截尾試驗方案21，參數(shù)見表1，生產(chǎn)方風(fēng)險α=30 %，使用方風(fēng)險β=30 %，試驗時間為1.1 倍MTBF 值，即T=5 000 h×1.1=5 500 h，試驗中出現(xiàn)1 次及1 次以上的責(zé)任故障即判定可靠性試驗不通過。

表1 可靠性試驗方案參數(shù)

3 可靠性試驗條件

根據(jù)GJB 899A 中的規(guī)定，試驗條件優(yōu)先選擇裝備在實際使用中執(zhí)行典型任務(wù)剖面時在受試產(chǎn)品安裝位置測得的實際應(yīng)力[4]，本次可靠性試驗采用空氣電磁閥在燃機實際安裝部位的的溫度、濕度以及振動應(yīng)力。

3.1 電應(yīng)力選取

根據(jù)空氣電磁閥技術(shù)規(guī)格書的要求，電壓變化范圍為額定值的（+10 ～-10）%，因此本次可靠性試驗的電壓變動范圍選?。?10 ～-10）%，與GJB 899A 要求的“（+6 ～-10）%”相比更嚴酷，符合可靠性試驗要求。

3.2 溫濕度應(yīng)力選取

實際采集的空氣電磁閥在裝機部位的溫度值最高為100 ℃，燃氣輪機不同運行工況下的空氣電磁閥最高工作溫度不同，選取燃機在0.2 工況、0.35 工況、0.6 工況、0.8 工況及1.0 工況等5 組不同工況下的實際采集溫度值，實際采集的溫度如表2 所示。

表2 不同工況下空氣電磁閥工作溫度

因此在試驗剖面設(shè)計上，每循環(huán)48 h 共設(shè)計5 種溫度梯度，分別為20 ℃/9 h、35 ℃/14 h、60 ℃/14 h、80 ℃/6.5 h、100 ℃/2.5 h。在超過100 ℃時濕度不進行控制，其他時間相對濕度保持在（40 ～50）%。

3.3 振動應(yīng)力選取

振動應(yīng)力測量了實船上空氣電磁閥工作位置的軸向、垂直、水平三個方向振動加速度，記錄了燃氣輪機的0.2、0.35、0.6、0.8、1.0 工況穩(wěn)定段的實船應(yīng)力值。對時域波形選取平穩(wěn)段振動做功率譜密度分析，分析頻率為2 000 Hz，初步形成的振動包絡(luò)間隔為5 Hz，由于包絡(luò)形狀凸凹不平，與GJB 150A-2009[5]中規(guī)定的典型包絡(luò)形狀不同，為規(guī)范振動包絡(luò)形狀并提高振動包絡(luò)的可實施性，對振動包絡(luò)進行了分析處理：一是對包絡(luò)進行光滑處理，對功率譜密度值較為接近的頻段采用矩形譜、梯形譜取代原有不規(guī)則譜線。二是對振動中的隨機振動部分采用全頻段寬帶包絡(luò)，形成寬帶振動包絡(luò)數(shù)據(jù)。三是對振動中定頻振動部分，依據(jù)實際帶寬采用窄帶包絡(luò)，形成窄帶振動包絡(luò)數(shù)據(jù)。

各工況振動功率譜密度曲線如圖1～5 所示，在運行過程中各測點振動量隨工況增大呈上升趨勢。

圖1 0.2 工況振動功率譜密度曲線

圖2 0.35 工況振動功率譜密度曲線

圖3 0.6 工況振動功率譜密度曲線

圖4 0.8 工況振動功率譜密度曲線

圖5 1.0 工況振動功率譜密度曲線

試驗剖面中各工況的時序分布如表3 所示，每循環(huán)試驗剖面中除前2 h 不施加振動應(yīng)力外，其余時間全程施加振動。

表3 不同工況振動應(yīng)力時序分布

4 功能性能測試方案

4.1 測試要求

空氣電磁閥可靠性試驗規(guī)定每48 h 為一個試驗循環(huán)，根據(jù)可靠性試驗的要求，試驗中需對參試樣件的功能性能進行檢測以判斷其是否發(fā)生故障，選取試驗剖面中典型環(huán)境條件作為檢測點，每循環(huán)共選取5 個測點，試驗全程共計114.6 個循環(huán)，至少進行572 次試驗中測試，測試次數(shù)頻繁，因此對空氣電磁閥測試系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性提出較高要求。

試驗中空氣電磁閥功能測試內(nèi)容為在通電狀態(tài)下，工作介質(zhì)正常接通，受試空氣電磁閥共5 件，測試系統(tǒng)需同時連接5 件參試樣件，每件受試樣品需提供（3.5～6）MPa 的動作壓力，空氣電磁閥可靠性試驗中測試連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 空氣電磁閥測試連接關(guān)系圖

4.2 測試系統(tǒng)設(shè)計

空氣電磁閥測試系統(tǒng)主要由高壓空氣儲氣瓶組、精密過濾器、球閥、安全閥、減壓閥、壓力表、試驗件接口、閥塊和不銹鋼管道組成，具備輸出5 個通道不同壓力氣源的能力，可滿足同時連接5 個空氣電磁閥，各輸出壓力可根據(jù)測試要求進行調(diào)節(jié)，通過高壓空氣儲氣瓶組提供高壓氣源，通過接口管道連接被測器件，對空氣電磁閥施加壓力，測試系統(tǒng)外形如圖7所示，技術(shù)參數(shù)如表4 所示。

圖7 測試系統(tǒng)外形三維圖

表4 測試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

4.3 測試系統(tǒng)原理

如圖8 所示，壓縮空氣鋼瓶1 提供高壓空氣，氣路與精密過濾器2 相連接，通過精密過濾器2 濾除壓縮空氣中細小顆粒，獲得潔凈的壓縮空氣氣源。供氣球閥4.2、4.3 分別控制氣體減壓閥的進、出氣路。氣體減壓閥9 用于調(diào)節(jié)氣體壓力，壓力表8.1、8.2 分別顯示高壓進氣壓力和減壓輸出壓力，壓力傳感器11.1 精確顯示減壓輸出的空氣壓力。減壓輸出的高壓空氣，通過電磁閥10.1 ～10.5，由P1 ～P5 口經(jīng)連接軟管，向與被測空氣電磁閥供氣。

圖8 空氣電磁閥測試系統(tǒng)原理圖

單個被測空氣電磁閥10 得電接通后，高壓氣體由被測空氣電磁閥輸出，經(jīng)T1 口經(jīng)連接軟管進入容積為0.23 L 的蓄能器6 內(nèi)，此時壓力傳感器11.2 測得壓力，表明電磁閥正常打開。斷開被測空氣電磁閥電源，在兩秒內(nèi)，壓力傳感器11.2 不能測得壓力，表明電磁閥正常關(guān)閉。

蓄能器6 設(shè)計配置安全閥7，當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力大于6 MPa 時，安全閥自動打開，經(jīng)消音器5 泄放壓力。測試完成，打開排氣球閥4.1，高壓空氣經(jīng)消音器5 排放至大氣。當(dāng)壓力表8.1 所顯示氣瓶中氣源壓力低于10 MPa，則需更換氣源氣瓶。更換氣源高壓氣瓶時，首先關(guān)閉氣瓶本體截止閥，打開截止閥3，排出管道內(nèi)高壓余氣后，進行安全換瓶操作。

4.4 測試系統(tǒng)具體實施過程

將5 個空氣電磁閥，安裝到安裝板上，用緊固鎖緊螺釘或螺母。分別將各燃油電磁閥的輸入端接口通過轉(zhuǎn)接管道與輸入閥塊連接，將各空氣電磁閥的輸出端接口通過轉(zhuǎn)接管道與輸出閥塊連接。各空氣電磁閥安裝連接完成后，電磁閥與閥塊成為組件，將此組件安裝固定于三綜合試驗箱底板。閥塊與電磁閥的組件從三綜合試驗箱內(nèi)引出供氣軟管、回氣軟管共計6 根，從三綜合試驗箱的兩個引出孔中引出。各電磁閥供電電纜與測量系統(tǒng)連接，為電磁閥提供動作電源。共計5 根供電電纜從三綜合試驗箱的一個引出孔中引出。

空氣電磁閥通斷測試，需逐個進行。以單個被試空氣電磁閥通斷測試為例。進氣閥打開，電磁閥10.1 打開，電磁閥10.2 ～10.5 關(guān)閉。被試空氣電磁閥通電后，被試空氣電磁閥接通，壓縮空氣經(jīng)被測空氣電磁閥輸出，壓力傳感器測得壓力與進氣壓力一致，表示被試空氣電磁閥正常打開。隨后切斷被試空氣電磁閥電源，被試空氣電磁閥關(guān)閉，兩秒內(nèi)壓力傳感器測得壓力為零，表示被試空氣電磁閥正常關(guān)閉。以此類推，逐個進行被試空氣電磁閥測試。

5 結(jié)束語

本文介紹了燃氣輪機空氣電磁閥可靠性試驗的試驗方法及測試方法，與傳統(tǒng)的可靠性試驗相比采用燃機實測應(yīng)力，更貼合受試樣品實際裝機的工作環(huán)境，在5 500 h 的可靠性試驗中通過單獨設(shè)計的空氣電磁閥測試系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗中受試樣品功能測試，極大地簡化了測試步驟，提升了測試效率，為完成可靠性試驗提供有力保障。