高壓氣動電磁閥可靠性改進設計

程 帆，張 波

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

高壓氣動電磁閥可靠性改進設計

程 帆，張 波

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

高壓氣動電磁閥是地面供氣系統使用的關鍵元件，其可靠性直接關系到運載火箭能否正常完成發射流程。本文對高壓氣動電磁閥的故障模式進行分析，并對其可靠性改進設計、可靠性試驗以及可靠性評估等技術進行了介紹，通過一系列可靠性改進設計及驗證試驗工作，使高壓氣動電磁閥可靠性有所增長，并在大型飛行試驗中得到驗證。

高壓氣動電磁閥；可靠性改進；設計

0 引言

高壓氣動電磁閥作為航天領域使用的流體控制元件，已廣泛應用于各型號運載火箭的動力系統。針對運載火箭的關鍵動力裝置及結構，地面供氣系統中使用的高壓氣動電磁閥需要在火箭發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。高壓氣動電磁閥在斷電關閉狀態下，需要具備密封功能，能夠避免因電磁閥內部氣體泄漏而影響整個供氣系統的氣密性；當電磁閥加電開啟時，要求具有快速響應能力，并且在規定時間內實現閥門的完全開啟；電磁閥再次斷電時，特別是經過長時間連續加電工作后，仍需要其快速切換，實現閥門完全關閉。因此，高壓氣動電磁閥的可靠性設計主要集中于密封結構設計、活門往復運動設計等功能、性能穩定性的實現上[1]。

1 高壓氣動電磁閥基本原理及方案

某型高壓氣動電磁閥采用先導式結構形式，具有結構緊湊、工作壓力高且所需電磁吸力小等特點。該電磁閥主要由電磁鐵、閥體、先導活門、先導活門復位彈簧、先導活門密封元件、主活門、主活門復位彈簧、主活門密封元件等構成，結構示意圖如圖1所示。

電磁閥主要工作原理為：初始狀態斷電時，入口氣體通過閥體的小通道進入電磁閥的先導部分，由于先導部分的氣動作用面積大于主活門密封面一側受氣動力的面積，在不平衡面積氣動力的作用下，將主活門關閉，此時電磁閥處于常閉狀態。通電時，電磁鐵吸合，將先導活門推下，先導部分的進口被先導活門關閉，同時先導部分的氣體通過先導活門的上部出口排入大氣，先導部分放氣，電磁閥的主活門在進口氣動力的作用下打開，此時電磁閥打開供氣。

高壓氣動電磁閥主要針對以下功能和性能進行可靠性設計，以滿足高密度發射的高可靠性要求。

1）高壓氣動電磁閥先導活門應具有良好的密封性能，在斷電關閉狀態下能夠保證供氣系統與外部大氣環境隔絕。在加電時，應確保先導流道建壓正常，如果先導活門的密封失效或損壞，則最終影響電磁閥的開啟。因此先導活門密封功能是電磁閥的重要性能指標。

2）高壓氣動電磁閥主活門需具備較高的關閉可靠性，主活門為典型的O形圈動密封結構，因此需規范設計該結構各參數，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閉時，主活門上方的彈簧復位力能夠克服主活門O形圈的摩擦力，從而避免主活門發生關閉滯后或無法關閉等故障，保證主活門快速可靠關閉[2]。

2 高壓氣動電磁閥故障模式分析

2.1 故障分類及判定準則

根據GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》的規定，試驗過程中發生的故障可分為關聯故障和非關聯故障，關聯故障又可分為非責任故障和責任故障。

非關聯故障是指已經證實是未按規定的條件使用而引起的故障，或已經證實屬于某項將不采用的設計所引起的故障。責任故障是指承制方提供的設備、在試驗中出現的關聯的、獨立故障，以及由此引起的任何從屬故障只算作一次責任故障。它是判決受試設備合格與否的依據。而非責任故障是由非承制方提供的設備所引起的承制方受試設備故障稱為非責任故障。非責任故障不應作為判決受試設備合格與否的依據。高壓氣動電磁閥故障判定的準則為：在試驗剖面出現不能完成規定任務的責任故障[3]。

2.2 故障模式分析

根據以上故障判定準則，對高壓氣動電磁閥故障模式進行分析，其流程見圖2。

首先，通過將高壓氣動電磁閥劃分到零、部組件級別，對其建立產品結構樹。該產品結構樹分為頂節點和分支節點2層，頂節點為零件和部組件，分支節點為部組件的零件。

其次，確定故障數據源。通過統計歷次發射任務、大型試驗、出廠試驗、可靠性試驗、其他使用或試驗過程中出現的問題，總結歷史故障模式主要關閉延遲、無法關閉、內部泄漏、外部泄漏；通過對高壓氣動電磁閥的功能性能要求進行分析，考慮功能喪失、性能下降、間歇性故障、非預期功能等潛在故障數據，總結高壓氣動電磁閥潛在故障模式。

再次，對上述故障數據進行分析、歸類，剔除非關聯故障，并將故障現象相同但是描述不同的故障數據進行統一化處理，形成唯一的故障模式。在篩選故障數據的基礎上，確定故障模式的關鍵字為：內部泄漏、外部泄漏、無法打開、無法關閉、打開延遲、關閉延遲。

最后，將故障模式與產品結構樹連接，將每個故障模式與其相關的所有頂節點相連，形成高壓氣動電磁閥頂層產品結構與故障模式樹，依次類推，對一級分支節點按上述步驟進行迭代和遞歸分析，形成一級產品結構與故障模式樹。

2.3 故障模式樹建立

高壓氣動電磁閥各級硬件按照上述步驟進行迭代分析后，形成高壓氣動電磁閥故障模式庫，包括全部的產品結構與故障模式樹。圖3所示為高壓氣動電磁閥的頂層產品結構與故障模式樹，根據此方法可得電磁閥中包括殼體組合件、主活門、先導活門在內的一級產品結構與故障模式樹。分析結果表明，對于高壓氣動電磁閥內部、外部泄漏故障，受到先導活門結構的顯著影響；對于電磁閥的啟閉可靠性則與主活門結構設計息息相關。

3 高壓氣動電磁閥可靠性設計

通過梳理高壓氣動電磁閥故障模式清單，分析各類典型故障的機理，以系統影響最小，以確保對外機械、電控接口不變，安裝固定方式不變、操作方式不變、提升產品可靠性為更改原則，對高壓氣動電磁閥進行可靠性改進設計。

3.1 先導活門及相關部位零件結構可靠性設計

高壓氣動電磁閥先導部分的原有設計的密封性能不穩定，對先導活門、活門座、柱銷三種零件的配合尺寸要求甚嚴，導向設計不合理，易發生密封失效問題[4]；二是原設計工藝復雜、加工難度大，且需要特殊表面處理，成本較高，加工周期長；三是原設計產品化程度低，各產品設計存在較大差異，未進行統一化設計。

先導部位改進前后主要進行以下改進設計：

1）將活門座內孔孔徑增大，倒角尺寸減小，將推桿導向（活門座處）延長，提高推桿往復運動的穩定性。

2）去掉先導活門柱銷，以及推桿下部增加頂桿設計等，可以消除先導活門密封不良的可能性，提高先導活門零部件的工藝性，提高先導部位處的密封可靠性。

3）在不影響其工作性能的基礎上，對產品的工藝可行性有了一定改善。例如，改進前先導活門毛坯件為組件，由活門殼體和柱銷組成，需要裝配工序，改進后將其簡化為零件，可機加一體成形；改進前，先導活門的橡膠密封面硫化后，需再對柱銷進行加工，由于尺寸精度要求高，難度較大，改進后取消了此項復雜的加工工序，并采用不銹鋼材料替代原有材料。

以上可靠性改進設計能夠消除先導活門密封不良的可能性，提高先導活門零部件的工藝性，提高先導部位處的密封可靠性。

3.2 主活門O形圈動密封結構可靠性設計

高壓氣動電磁閥的主活門采用活塞式往復運動結構，主要由閥體、主活門、擋圈、O形圈、主彈簧等相關零部件組成。

當電磁閥通電切換至斷電，該動密封結構主要工作原理為：入口氣體經過殼體先導通道進入先導腔，向下的氣動力和主彈簧復位力逐漸克服向上的氣動力和主活門O形圈動摩擦力，推動主活門向下運動，逐漸關閉密封。在主活門開始關閉階段，主活門上下氣動力平衡，此時，如果主活門彈簧復位力小于O形圈摩擦力，則存在主活門關閉滯后或無法關閉的風險。

為了減少O形圈摩擦力，需要調整O形圈及溝槽尺寸，從而確定適宜的O形圈壓縮率、拉伸率、容積比等設計參數，避免出現因O形圈設計參數不合理，影響O形圈的裝配狀態，由此可能產生彎曲及扭轉，導致增大主活門運動時的摩擦力。

同時，電磁閥長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]，因此長時間高溫作用下，O形圈發生的非常規變形對活門不關閉影響也很大。以往試驗結果表明，某高壓23 MPa電磁閥連續通電8～60 h，電磁鐵外殼溫度平衡至70℃，考慮電磁閥內外溫差，則可以得到：當O形圈材料溫度升至80℃時，O形圈的體積變化率為2.6%，此時摩擦力增大約20 N。

根據QJA77-2011《航天型號用閥門動靜密封設計規范》設計的主活門動密封結構，對O形圈的摩擦力有很大程度減小，各項設計參數均符合設計規范，提高了主活門快速關閉復位的可靠性[6]。

4 高壓氣動電磁閥可靠性試驗及評估

4.1 可靠性試驗

對于高壓氣動電磁閥來講，前文已分析其主要的失效模式可歸納為閥門無法正常啟閉（或泄漏），因此根據電磁閥特點，將可靠性特征量選取為滿足工作條件下正常啟閉次數。

高壓氣動電磁閥可靠性的試驗剖面是將試驗件進行綜合環境應力下（環境溫度、工作壓力、工作電壓、工作時間等綜合影響）的啟閉試驗，達到規定動作次數后，復測試驗件的性能[7]。高壓氣動電磁閥可靠性試驗剖面設計：按100次一個循環進行試驗，每100次變換綜合環境應力配置方式，對每套投試產品進行4 800次綜合環境應力剖面下的啟閉試驗。其中，結合產品對溫度變化的適應能力，同時為了實施方便（產品冷、熱浸的穩定時間約4 h，如果頻繁變溫會導致試驗周期長），高、低溫應力分別實施，高溫、低溫情況下產品各啟閉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次往復循環。

高壓氣動電磁閥可靠性試驗項目及要求見表1。試驗設備見圖4。試驗項目主要目的在于考核電磁閥密封性和關閉可靠性。對試驗件進行常溫、低溫、高溫試驗條件下的氣密性檢查、響應時間試驗、工作性能檢查、長時間通電通氣試驗等試驗驗證，電動截止閥共計進行4個循環，共工作4 800次。

表1 高壓氣動電磁閥可靠性試驗項目Tab.1 Items of reliability experiment for high-pressure pneumatic solenoid valve

4.2 可靠性評估

高壓氣動電磁閥是多個零部件組成的整體，各個零部件的失效有獨立性也有相關性，且每一零部件失效導致整個供氣閥件的失效；同時，高壓氣動電磁閥無恒定失效率的零部件，無定期維修的零部件。鑒于以上特點，結合工程經驗，選擇高壓氣動電磁閥的可靠性分布類型為威布爾分布[8]。

對于可靠性特征量服從威布爾分布的產品，高壓氣動電磁閥的發射任務可靠度下限RL(t0)由下式計算[9]：

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

通過試驗可得，在單發發射任務產品動作次數t0=100，置信度γ=0.7，威布爾分布形狀參數m=2的情況下，可靠性評估結果為：在規定的試驗條件下，六件電磁閥產品的發射任務可靠度的置信下限值RL(100)=0.999 913，滿足某型號發射任務可靠度0.999 9的要求[10]。

5 結論

通過一系列可靠性改進設計及驗證試驗工作，使高壓氣動電磁閥可靠性有所增長，大大降低了影響發射任務的風險，可避免由于單點失效導致發射任務推遲或失敗而帶來的巨大損失。高壓氣動電磁閥可靠性的提高成為確保地面發射任務高可靠的關鍵因素，為日益嚴格的發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，研究領域為地面供氣系統及元件設計