某類(lèi)型閘閥可靠性分配研究

徐貝貝， 邱春輝， 孟少朋

（1.中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司， 北京 100044； 2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

產(chǎn)品的“可靠性”是指在規(guī)定的工況下和時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的能力。 閥門(mén)的可靠性是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，特別是在核電、軍工、航空等領(lǐng)域，可靠性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性及安全性具有極其突出的影響。經(jīng)濟(jì)性方面， 閥門(mén)的可靠性將直接影響系統(tǒng)后續(xù)的運(yùn)維成本；穩(wěn)定性和安全性方面，閥門(mén)中的某一部件，甚至密封發(fā)生故障，都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的后果。 因此，在閥門(mén)設(shè)計(jì)階段關(guān)注其可靠性， 對(duì)其進(jìn)行可靠性分配研究，對(duì)于提高整個(gè)大型設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性、降低運(yùn)維成本具有重要意義。

1 閘閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及功能

閘閥整體由閥體組件、閥蓋組件、支架組件、軸承箱、驅(qū)動(dòng)裝置五部分組成（如圖1），其中驅(qū)動(dòng)部分采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。閥體和蓋之間采用法蘭連接，密封形式為冷凍密封，閥體與閥蓋采用鍛焊結(jié)構(gòu)，閘板與閥座采用鍛造結(jié)構(gòu)，密封副間堆焊硬質(zhì)合金。

圖1 某類(lèi)閘閥結(jié)構(gòu)圖

閘閥以DN300/DN150 規(guī)格為例，其功能是以液態(tài)流體為介質(zhì)， 并實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的截?cái)唷⑹柰刂乒δ堋?/p>

2 閘閥性能指標(biāo)要求

內(nèi)泄量指標(biāo)：DN150≤12（氣泡/分）、DN300≤20 （氣泡/分）。

外泄量指標(biāo)：為零。

無(wú)故障動(dòng)作次數(shù)：連續(xù)無(wú)故障動(dòng)作不少于1000 次，且在此范圍內(nèi)閥的內(nèi)泄量和外泄量性能指標(biāo)無(wú)降低。

殼體承壓部件設(shè)計(jì)壽命：≥40 年。

啟閉時(shí)間：DN300 閘閥≤20s。

阻力損失系數(shù)：DN150、DN300 閘閥≤0.2，DN300調(diào)節(jié)閥≤6.5。

調(diào)節(jié)精度：≤10%。

可靠性、維修性和安全性指標(biāo)要求：平均故障周期≥1000 個(gè)循環(huán)， 安全使用壽命≥40 年， 平均故障修復(fù)時(shí)間≤40h。

3 閘閥的可靠性分配

3.1 閘閥的可靠性分配原則

（1）由于產(chǎn)品的組成單元越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越難達(dá)到所需的可靠性，研發(fā)成本也越高。 因此，越復(fù)雜的設(shè)備、分系統(tǒng)，其可靠性指標(biāo)分配應(yīng)越低。

（2）產(chǎn)品的某項(xiàng)技術(shù)不成熟時(shí)，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。較高的可靠性要求不但會(huì)增加研發(fā)成本，還會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。

（3）當(dāng)產(chǎn)品使用于惡劣的環(huán)境條件時(shí)，會(huì)大幅增加產(chǎn)品的故障率，因此應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

（4）當(dāng)產(chǎn)品處于長(zhǎng)期的高負(fù)荷工況時(shí)，產(chǎn)品的可靠性會(huì)因工作時(shí)間的增加而下降，因此應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

（5） 當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用于重要程度高、 危險(xiǎn)系數(shù)大的部位時(shí)， 產(chǎn)品發(fā)生故障會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和危害人身安全，因此需分配較高的可靠性指標(biāo)。

（6）結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，還應(yīng)考慮其他一些因素，如保障性、維修性等。

3.2 可靠性分配前的層次拆分

根據(jù)閘閥的結(jié)構(gòu)組成，可將其分為閘板、閥體組件、閥蓋組件、導(dǎo)向管組件、閥桿、緊固件、閥桿密封、軸承箱、電裝及支架組件10 個(gè)主要部件。 其功能描述如表1。

表1 閘閥主要部件功能描述

由表1 可以看出， 各部件在功能實(shí)現(xiàn)方面為串聯(lián)模型，可根據(jù)這一模型對(duì)各部件進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配。可靠性分配前的層次拆分見(jiàn)圖2。

圖2 閘閥的層次拆分

3.3 可靠性分配方法

由于該產(chǎn)品還處于初始的方案設(shè)計(jì)階段， 目前還沒(méi)有同型號(hào)產(chǎn)品和相似產(chǎn)品的應(yīng)用及故障信息數(shù)據(jù)作為對(duì)照，因此該產(chǎn)品的可靠性分配方法采用評(píng)分分配法。

評(píng)分分配法公式如下：

式中：λi*—分配給第i 個(gè)單元的故障率（“*”代表分配值，以下同）；Ci—分配系數(shù)；λS*—規(guī)定的故障率分配指標(biāo)。

3.4 可靠性分配實(shí)施步驟

3.4.1 確定評(píng)分因素，并建立評(píng)分準(zhǔn)則

采用評(píng)分分配法時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品的技術(shù)成熟程度、復(fù)雜程度、環(huán)境條件及工作時(shí)間等因素，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)評(píng)分因素進(jìn)行增減。 針對(duì)評(píng)分因素建立評(píng)分準(zhǔn)則，確定各因素的評(píng)分范圍和標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)分值分檔進(jìn)行必要說(shuō)明，可靠性越差則分值越高，從而為專(zhuān)家評(píng)分提供依據(jù)。

（1）技術(shù)成熟程度。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)成熟程度及應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)分。 表2 為根據(jù)技術(shù)成熟程度建立的一種評(píng)分準(zhǔn)則。

表2 技術(shù)成熟程度因素評(píng)分準(zhǔn)則

（2）復(fù)雜程度。 根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、零部件數(shù)量、裝配難易程度等進(jìn)行評(píng)分。

（3）環(huán)境備件。 根據(jù)產(chǎn)品的工作環(huán)境條件進(jìn)行評(píng)分。

（4）工作時(shí)間。根據(jù)產(chǎn)品在系統(tǒng)中的工作時(shí)間進(jìn)行評(píng)分。 表3 為根據(jù)工作時(shí)間因素建立起的一種評(píng)分準(zhǔn)則。

表3 工作時(shí)間因素評(píng)分準(zhǔn)則

3.4.2 各因素評(píng)分

由專(zhuān)家對(duì)所有因素進(jìn)行評(píng)分，并代入式（2）計(jì)算平均分Sij：

式中：Sij—第i 個(gè)單元產(chǎn)品， 第j 個(gè)因素的平均得分；m—打分專(zhuān)家數(shù)量tij（l）；—第個(gè)專(zhuān)家給第i 個(gè)單元產(chǎn)品， 第j個(gè)因素的打分。 （其中i=1，…，n；j=1，…，k；l=1，…，m）。

3.4.3 評(píng)分分配系數(shù)Ci 的計(jì)算

使用下式計(jì)算每個(gè)單元產(chǎn)品評(píng)分?jǐn)?shù)：

式中：Si—第i 個(gè)單元產(chǎn)品評(píng)分?jǐn)?shù)；k—影響因素個(gè)數(shù)；Sij—第i 個(gè)單元產(chǎn)品，第j 個(gè)因素的平均得分。

使用下式計(jì)算Ci：

式中：Ci—第i 個(gè)單元產(chǎn)品的評(píng)分分配系數(shù)；n—單元產(chǎn)品數(shù)量；Si—第i 個(gè)單元產(chǎn)品評(píng)分?jǐn)?shù)。

3.4.4 分配結(jié)果計(jì)算

將Ci代入式（1）計(jì)算出分配結(jié)果。

3.4.5 計(jì)算結(jié)果的處理

將分配得到的故障率λi*求倒數(shù)得到MTBF*，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行圓整化，驗(yàn)算可靠性指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求。

3.5 閘閥可靠性分配過(guò)程

由閘閥可靠性、維修性和安全性指標(biāo)要求得知，連續(xù)無(wú)故障動(dòng)作不少于1000 次，即：MTBF=1000 個(gè)循環(huán)，但在可靠性分配環(huán)節(jié)中只對(duì)閘閥的主要部件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，因此需對(duì)MTBF 值增加150%的裕量， 即MTBF*=2500 個(gè)循環(huán)。 采用評(píng)分分配法對(duì)閘閥可靠性進(jìn)行分配，并由專(zhuān)家對(duì)各影響因素進(jìn)行評(píng)分（本次由15 位專(zhuān)家組成），計(jì)算出平均分，評(píng)分結(jié)果如表4。

表4 閘閥各部件影響因素評(píng)分結(jié)果

3.6 可靠性分配結(jié)果

使用公式計(jì)算得到總評(píng)分、分配系數(shù)、分配結(jié)果，并計(jì)算MBTF*以及進(jìn)行結(jié)果圓整化， 驗(yàn)算可靠性指標(biāo)是否滿(mǎn)足，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 閘閥分配結(jié)果表

4 結(jié)論

對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到：λS*=0.4E-05，MTBF*=2500次>1000 次，分配結(jié)果能夠滿(mǎn)足分配目標(biāo)。

根據(jù)表5 可以看出，MTBF 指標(biāo)分配較低的部件分別為閥體組件、導(dǎo)向管組件和閥蓋組件，因此在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)其重點(diǎn)關(guān)注。 為了預(yù)防薄弱環(huán)節(jié)故障模式的出現(xiàn)，建議在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中采取以下措施：①提高部件的強(qiáng)度裕量，增強(qiáng)安全性；②對(duì)部分部件在使用前進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，增強(qiáng)設(shè)備使用可靠性；③對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，確保所用材料符合標(biāo)準(zhǔn)及訂貨要求。