基于FTA和AMESim的四通均流閥可靠性提升研究

周 黎，霍衛星，李 敏，謝文建

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基于FTA和AMESim的四通均流閥可靠性提升研究

周 黎，霍衛星，李 敏，謝文建

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

四通均流閥能夠將入口流量均等分成四路，驅動四路不同的負載保證同步動作。采用故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA），對該閥件的失效模式進行研究；通過AMESim仿真，進一步對故障模式進行驗證，提出相應的改進措施，并試制樣機進行可靠性試驗，提高了閥件的性能，對其他閥件的可靠性設計有一定的借鑒作用。

四通均流閥；故障樹分析法；故障模式；AMESim；改進措施；可靠性

0 引 言

四通均流閥能夠將入口流量均等分成四路從出口流出，驅動四路不同的負載進行同步動作，應用于機械平臺或車體的調平場合。分流精度是四通均流閥最重要的參數之一，內部閥芯的動態特性會直接影響到閥件的分流精度，本文利用故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA），結合AMESim仿真，對該閥件的元件性能、失效模式進行分析，提出改進措施，提高了閥件的可靠性[1]。

1 控制原理及FTA分析

1.1 控制原理

四通均流閥在火箭的4個支腿受力不均時，仍能為每個支路分配近似相等的流量，保證每個千斤頂動作速度相等，保證火箭在調平過程中安全可靠。四通均流閥由壓差可變式節流閥、減壓閥和負載選擇器三部分組成，工作原理如圖1所示。

壓力油從四通均流閥的進口流入，分成兩路，常泄油路經節流口1進入負載選擇器的泄油調壓閥[2]，到達泄油口回油箱。主油路的壓差可變式節流閥在常態下處于關閉狀態，利用節流口1的壓力差將4個可變節流口打開，保證四通均流閥工作時，壓差可變式節流閥在設定的壓差下工作。主油路的壓力油經壓差可變式節流閥的4個可變節流口，進入4個平衡活塞中，分別到達4個出油口驅動負載工作。

出口4個減壓閥的特點是減壓閥的入口壓力與控制端壓力基本相同，從負載選擇器入口引的壓力（e），到達4個減壓閥的控制端，4個減壓閥的控制端壓力一致，從而使得4個減壓閥的入口壓力a，b，c，d保持一致，即壓差可變式節流閥的出口壓力相同，入口壓力均為s，故4個可變節流口的壓差一致。同時4個節流孔的過流面積均相等，最終達到四路出口流量均流的功能。

圖1 控制原理

1.2 FTA分析

為提高產品的可靠性和安全性，保證平臺水平度調整的可靠性，適應平臺任務高可靠性的需求。為此采用FTA分析閥件的故障模式及其可能產生的影響，針對故障模式采取相應措施提高閥件的可靠性，其分析流程如圖2所示。

圖2 四通均流閥FTA分析

由圖2可知，以閥分流精度超差為頂事件，分析出該閥存在兩種故障模式：a）減壓閥芯動作不靈敏[3]；b）負載選擇器動作不靈敏。導致第1種故障模式出現，活門和活門套間隙超差、活門套孔邊毛刺、內部多余物等是其主要原因；導致第2種故障模式出現，活塞桿摩擦力過大、內部多余物、閥套孔邊毛刺是其主要原因。

2 AMESim建模仿真

根據故障樹分析，為進一步驗證各種故障模式對四通均流閥的影響，采用AMESim建模[4]，通過調整閥的相關參數從而仿真對閥造成的性能影響。仿真模型如圖3所示。圖3中各閥芯、閥套的直徑和節流孔尺寸均按照實物設置。表1為仿真主要參數設置。

圖3 四通均流閥的AMESim模型

表1 仿真主要參數設置

2.1 減壓閥芯的摩擦力對閥性能的影響

將前3路負載壓力設定以間隔5 s遞增，即各梯度壓力為0 MPa，2 MPa，4 MPa，6 MPa，8 MPa，10 MPa。考慮各路負載在實際中為不均勻狀態，將第4路負載設定在30 s內，線性從0 MPa增至10 MPa，如圖4所示。在模型中，設置第1路減壓閥芯為兩種靜、動摩擦力參數：5 N、0 N；100 N、50 N。仿真得出兩種參數下對該路出油流量的影響，如圖5所示。

圖4 各路負載壓力的模擬曲線

圖5 減壓閥芯的靜-動摩擦力對出油流量的影響曲線

從圖5可看出，減壓閥芯摩擦力小時，在全負載工況下出口流量均比較穩定。當增大減壓閥芯的摩擦力，在負載小的工況下該路油口流量會出現震蕩現象，四路之間的流量差會變大，從而導致分流精度超差；當靜摩擦力為100 N、動摩擦力為50 N時，出油流量震動幅值達到0.2 L/min；隨著負載壓力增大，油口流量穩定性增強。

故減壓閥芯的摩擦力大小，即減壓閥芯的靈敏程度是影響分流精度和閥動態性能[5]的重要因素。在設計和生產中，應嚴格控制減壓閥芯和閥套之間的摩擦力。

2.2 負載選擇器的摩擦力對閥性能的影響

在模型中，設置負載選擇器為兩種靜、動摩擦力參數：5 N，0 N；112.5 N，62.8 N，其他參數如表1所示。仿真得出兩種參數下對控制端壓力e的影響如圖6所示，出油流量曲線如圖7所示。

圖6 負載選擇器的靜-動摩擦力對控制端壓力Pe的影響

圖7 負載選擇器的靜-動摩擦力對出口流量的影響

從圖6可以看出，當負載選擇器的摩擦力過大，會造成控制端壓力e的壓力出現震蕩。而控制端壓力e會被減壓閥的反饋端等環節放大，進而造成出油流量的震蕩。圖7中當負載壓力為10 MPa時，出油流量振動幅度已經達到3.5 L/min，嚴重影響閥的正常工作。

3 改進措施及可靠性驗證

3.1 減壓閥的改進

減壓閥中活門起到動態平衡活塞的作用，其摩擦力過大會造成力平衡失穩，引起閥出油流量的震蕩，在FTA和AMESim仿真分析中均得到驗證。為降低此類風險，需嚴格配合活門和活門套的運動間隙，控制在0.01~0.015 mm。將活門材料由40Cr13變為95Cr18后，其外圓與活門套配磨的精度更容易得到保證。同時通過區別閥芯與閥套的硬度，減少滑閥運動的磨損，提高閥件工作的壽命。

表2 減壓閥材料和硬度優化

3.2 負載選擇器的改進

負載選擇器作為四通均流閥實現機械反饋的關鍵，一旦出現卡滯會導致傳力出現問題，直接影響均流閥正常工作。經過上述分析，活塞桿上原有O形密封圈壓縮量如果過大，會導致活塞桿在閥套中運行阻力過大，進而引起負載選擇器卡滯，嚴重影響閥的動態性能。

為克服這種情況的出現，將O形密封圈改為摩擦力非常小的格來圈Turcon M12，其材質為聚四氟乙烯。這種格來圈具有優異的耐磨損和耐摩擦特性，能將硬件磨損降至最低，預防活塞桿與閥套之間的損毀，延長了密封使用的壽命。為適應密封圈的更改，將活塞桿、滑閥的溝槽設計改為格來圈形式，如圖8所示。

圖8 負載選擇器的改進

原活塞桿、滑閥與閥套的材料均為40Cr13，且調質硬度區分較小，如果密封圈失效，容易導致兩者運動時出現金屬粘合而卡滯，為最大程度降低卡滯風險，將相互運動的零件材料區分，并在熱處理強度上進一步異化處理。

3.3 可靠性驗證

改進完成后，對四通均流閥進行2 000次滿流量、交叉變負載的可靠性試驗，通過測試分流精度對閥件的可靠性進行評估。

現場試驗系統搭建見圖9。根據試驗設計，5種加載工況（見表3）下各試驗400次，分流精度的試驗數據結果分布如圖10所示。

圖9 現場試驗系統

表3 試驗工況

圖10 可靠性試驗分流精度分布

由圖10可以看出，同一工況下四通均流閥的工作性能比較穩定。前4種工況，分流精度較高，平均值都小于2.5%，性能良好。第5種工況相對于其他工況比較惡劣，分流精度比其他稍大，但數據沒有突變現象，最大值為3.339%，均小于要求值3.5%。按照成敗型計算，取置信度為0.7，可以得出可靠度置信下限：

可靠性試驗后，對該閥進行拆解檢查：閥件內部無多余物；閥芯閥套無異常磨損和劃傷現象、相互運動靈活。由此可見，四通均流閥經歷2 000次試驗考核，閥芯閥套結構強度滿足要求，運動間隙及密封性能良好；在頻繁變負載工況下分流精度穩定，性能優異。整個閥件經過改進后，閥件的可靠性高。

4 結束語

本文通過FTA分析閥件的故障模式及其可能產生的影響，對比原結構找出了潛在的風險。通過AMESim仿真，進一步對故障模式進行驗證，提出了相應的改進措施，并試制樣機進行可靠性試驗，多重保證可靠性提升的正確性，提高了閥件的可靠性和整體性能。同時，對其他閥件的可靠性設計有一定的借鑒作用。

[1] 王少萍. 工程可靠性[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2000.

[2] 楊源泉. 閥門設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 1992.

[3] 吳敏. 減壓閥流量壓力特性的分析與探討[J]. 閥門, 2002(2):17-18.

[4] 梁全, 蘇齊瑩. 液壓系統AMESim計算機仿真指南[M]. 北京: 機械工業出版社, 2014.

[5] 陳龍安, 劉釗, 朱武強. 液壓分流閥動態性能仿真與研究[J]. 工程機械, 2004(9): 42-44.

Research on Reliability Enhancement of Four Way Flow Divider Based on FTA And AMESim

Zhou Li, Huo Wei-xing, Li Min, Xie Wen-jian

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The valve can equally divided the inlet flow into four channels, to drive four different loads and ensrue them synchronization. This paper analyzes fault mode of this valve using FTA. Through the AMESim simulation, the fault mode is further proved and the improving measures are proposed. Not only that，the reliability test is conducted on the prototype, to improve performance of this valve. Also it can be used as reference for the reliability design of other valves.

Four way flow divider; Fault Tree Analysis; Fault mode; AMESim; Improving measures; Reliability

1004-7182(2017)06-0077-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170617

V55

A

2017-04-06；

2017-10-30

周 黎（1984-），男，高級工程師，主要研究方向為液壓系統及元件