定值器穩(wěn)健設計參數(shù)的辨識方法

宋娜娜，張付英，姜向敏，陳建壘

(天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

定值器是氣動系統(tǒng)中控制和穩(wěn)定氣流壓力的關鍵元件，其作用是保證輸入壓力在一定范圍內(nèi)改變時輸出壓力不變，穩(wěn)定性是定值器的主要工作性能指標[1-3]．為了提高定值器工作過程的可靠性，需要對其進行可靠穩(wěn)健性設計，即在各種因素干擾下，使定值器結構都能保持其可靠性的穩(wěn)定，并且使其結構可靠性對設計參數(shù)的變化不敏感，提高定值器的安全可靠性和魯棒穩(wěn)健性[4-5]，其中選擇和優(yōu)化影響定值器工作性能指標的關鍵參數(shù)是可靠穩(wěn)健性設計的重要內(nèi)容．目前對產(chǎn)品的可靠穩(wěn)健性設計研究主要集中在穩(wěn)健設計參數(shù)的優(yōu)化和可靠性模型的建立及求解[6-7]，缺乏對穩(wěn)健設計參數(shù)的辨識研究．

由于定值器結構復雜，涉及的零件和設計參數(shù)眾多，增加了穩(wěn)健參數(shù)辨識的復雜性和困難．為此，本文提出集成FMEA/FTA/FEA的定值器穩(wěn)健設計參數(shù)辨識方法，基于FMEA和FTA綜合分析方法分析確定影響定值器工作性能的關鍵零部件，在此基礎上，利用 ABAQUS軟件對關鍵零部件進行模擬分析，找出影響定值器工作特性的關鍵設計參數(shù)，從而為定值器可靠穩(wěn)健性優(yōu)化設計奠定基礎．

1 定值器的結構及工作原理

定值器的結構如圖 1所示，工作原理如下：壓力為 p1的壓縮空氣由左端輸入，改變閥桿的位置和溢流口的大小，使壓力降為穩(wěn)定的p2輸出，p2的大小由調(diào)壓彈簧 5調(diào)節(jié)．當輸入氣壓與調(diào)節(jié)壓力(設定壓力)相等時，閥桿處于靜止狀態(tài)，閥口開度不變；當輸入壓力大于調(diào)節(jié)壓力時，膜片帶動閥桿向上移動，同時增大了閥口的開度，此時會有部分氣體進入中間腔體，并從排氣口排出，直到閥桿處于平衡狀態(tài)；當輸入壓力低于調(diào)節(jié)壓力時，膜片帶動閥桿向下移，減小甚至關閉閥口開度，直至壓力平衡為止．定值器因具有調(diào)定、比較和放大的功能，故穩(wěn)壓精度高．

圖1 定值器結構Fig. 1 Structure of value-setter

2 集成 FMEA/FTA/FEA的定值器穩(wěn)健設計參數(shù)辨識模型

為辨識定值器的穩(wěn)健設計參數(shù)，建立了集成FMEA/FTA/FEA的定值器穩(wěn)健設計參數(shù)辨識模型，如圖 2所示．該模型包括故障模式和效果分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)和有限元分析(FEA)3個階段．

FMEA階段是對定值器進行故障模式分析，基于可靠性分析得到主要失效模式；FTA階段建立以主要失效模式為頂事件的故障樹，從而識別出關鍵零部件；FEA階段通過有限元模擬分析各關鍵零部件的性能參數(shù)與設計變量的相關性，從而辨識出定值器的穩(wěn)健設計變量．

圖2 穩(wěn)健設計參數(shù)辨識模型Fig. 2 Robust design parameter identification model

3 基于 FMEA和 FTA綜合分析方法的定值器關鍵零部件識別

FMEA是一種系統(tǒng)化的可靠性分析方法，用來鑒別產(chǎn)品組成部分潛在的對產(chǎn)品功能有重大影響的故障模式[8-9]．定值器功能和組成如圖 3所示，其中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)是影響定值器性能的兩個子功能系統(tǒng)，分別用于調(diào)節(jié)輸出壓力，確保定值器輸出壓力精確穩(wěn)定．它們由調(diào)整螺栓、鎖緊螺母、彈簧座、調(diào)節(jié)彈簧、膜片、墊片、閥桿、密封圈等組成．根據(jù)對定值器使用人員和維修人員的調(diào)研，建立定值器的FMEA分析表見表 1．其中嚴酷度Ⅰ—Ⅳ指定值器體不同損壞程度(Ⅰ為重大損害；Ⅳ為影響較小；Ⅱ、Ⅲ介于二者之間)；故障發(fā)生概率 A—E指故障模式發(fā)生概率的不同特征(A 為經(jīng)常發(fā)生；E為極少發(fā)生；B、C、D介于二者之間)．

圖3 定值器的功能及組成Fig. 3 Function and composition of value-setter

本文采用正向綜合分析法[8]建立定值器的組成部件故障模式及效果分析數(shù)據(jù)庫．該方法將 FMEA對系統(tǒng)單一故障模式分析得到的重要故障模式作為系統(tǒng)的頂事件，建立故障樹．基于 FMEA分析，確定了無法調(diào)壓和無法穩(wěn)壓為定值器的主要失效模式，圖4所示為對應定值器兩種失效模式建立的定值器的故障樹．

表1 定值器系統(tǒng)FMEA分析表Tab. 1 FMEA analysis of the value-setter system

圖4 定值器兩種失效模式的故障樹Fig. 4 FTA of two failure modes of value-setter

表2 故障原因分類Tab. 2 Causes of breakdown

4 基于有限元分析的穩(wěn)健設計參數(shù)辨識

通過FMEA和FTA綜合分析確定了提高定值器工作可靠性和穩(wěn)健性的關鍵零件，本文基于有限元分析辨識各關鍵零件中對定值器可靠穩(wěn)健性影響較大的設計參數(shù)．

4.1 彈簧穩(wěn)健設計參數(shù)的確定

調(diào)節(jié)彈簧的材料選用碳素彈簧鋼絲Ⅱ組，其材料密度為7.8,kg/m3，彈性模量為206,MPa，泊松比為0.3.彈簧的幾何參數(shù)：簧絲直徑4,mm，彈簧中徑 25,mm，有效圈數(shù)4，彈簧高度38,mm，彈簧節(jié)距7.8,mm，螺旋升角5.68°．圖5為建立的彈簧有限元模型．

圖6所示為通過有限元分析得到的簧絲直徑d、彈簧中徑 D、彈簧有效圈數(shù) n、螺旋升角α、彈簧高度H和節(jié)距t對彈簧剛度K的影響曲線．分析結果表明：隨著彈簧中徑、有效圈數(shù)的增大，彈簧剛度逐漸減??；隨著簧絲直徑的增大，彈簧剛度隨之增大；而隨著螺旋升角、彈簧高度及彈簧節(jié)距的增大，彈簧的剛度逐漸減小，但變化趨勢不明顯．可見，影響彈簧剛度的主要設計變量為簧絲直徑、彈簧中徑和有效圈數(shù).

圖5 彈簧有限元模型Fig. 5 Spring finite element model

圖6 不同參數(shù)對彈簧剛度的影響Fig. 6 Effect of different parameters on the spring stiffness

4.2 膜片的穩(wěn)健設計參數(shù)確定

定值器膜片的作用是將兩種壓力不同的流體分隔，并將兩種流體的壓差轉(zhuǎn)換為力或位移．選用單波紋圓弧形膜片，其結構如圖 7所示．圖中，h為膜片厚度；F為載荷；R1為膜片波紋半徑；R為膜片工作半徑；r為膜片硬芯半徑．由于膜片在壓差作用下傳遞的力一部分被固定膜片的殼體平衡，另一部分才是膜片輸出的工作力，所以膜片的有效面積可以理解為在某壓差作用下產(chǎn)生的等于膜片輸出工作力的“假想”活塞的當量面積，而不是膜片的全部面積[10]．定值器膜片材料選用聚乙烯片材(PET)，其材料密度為1.37,g/cm3，彈性模量為 4,GPa，泊松比為 0.4．單波紋圓弧形膜片的幾何參數(shù)：膜片硬芯半徑 3.5,mm，膜片厚度 1,mm，膜片工作半徑 35,mm，膜片波紋半徑5,mm．

圖7 單波紋圓弧形膜片結構Fig. 7 Structure of single-wave membrane

圖 8所示為建立的膜片的有限元模型．圖 9所示為通過有限元分析得到的膜片硬芯半徑 r、膜片厚度 h、膜片工作半徑 R、膜片 波紋半徑 R1對膜片剛度K的影響曲線．分析結果表明：隨著膜片硬芯半徑和膜片厚度的逐漸增大，膜片剛度隨之增大；隨著膜片工作半徑的逐漸增大，膜片的剛度逐漸減小；隨著膜片波紋半徑的逐漸增大，膜片剛度逐漸減小，但變化趨勢不明顯．因此，影響膜片剛度的主要設計變量為膜片硬芯半徑、膜片厚度和膜片工作半徑．

圖8 膜片有限元模型Fig. 8 Membrane finite element model

圖9 不同參數(shù)對膜片剛度的影響Fig. 9 Effects of different parameters on the membrane stiffness

4.3 閥桿穩(wěn)健設計參數(shù)的確定

閥桿的作用是在膜片的帶動下改變閥口開度變換溢流量，保持膜片兩側壓力平衡．閥桿材料選用Ly11，密度為 2.7,g/cm3，彈性模量為 70,GPa，泊松比為 0.3．閥桿幾何參數(shù)：閥桿直徑 7,mm，初始開度0.2,mm，閥桿長度65,mm．

圖 10為建立的閥桿組件有限元模型．圖 11為通過有限元分析得到的閥桿直徑 d和閥桿材料泊松比μ對閥口開度H的影響曲線．由圖 11可以看出：隨著閥桿直徑和材料泊松比的逐漸增大，閥口開度隨之減?。虼耍绊戦y口開度的主要設計變量為閥桿直徑和材料泊松比．

圖10 閥桿組件有限元模型Fig. 10 Finite element model of stem assembly

圖11 閥桿直徑和材料泊松比對閥口開度的影響Fig. 11 Effects of stem diameter and material on the Poisson’s ratio of the stem opening

5 結 語

本文提出了集成FMEA/FTA/FEA的定值器穩(wěn)健設計參數(shù)辨識方法．首先應用 FMEA方法對定值器的系統(tǒng)進行定義，然后根據(jù)定值器失效的故障模式、故障原因、故障嚴酷度、故障模式發(fā)生概率得到FMEA分析表，根據(jù)FMEA分析結果建立故障樹，應用FMEA和FTA綜合方法進行展開，從而得到定值器的關鍵零部件：彈簧、膜片及閥桿．最后，利用ABAQUS軟件對定值器關鍵部件進行有限元模擬和分析，辨識出影響各部件工作特性的穩(wěn)健設計參數(shù)，為定值器的可靠性和穩(wěn)健性設計奠定了基礎．

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