核電站空調(diào)通風(fēng)隔離閥傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性分析

侯曉勇

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200030）

1 通風(fēng)隔離閥傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)可靠性分析原理

通風(fēng)隔離閥的傳動(dòng)系統(tǒng)包括2 部分,即傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與閥板開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)。本研究通過(guò)探究閥板在關(guān)閉和自鎖的表現(xiàn),分析并驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性。結(jié)合通風(fēng)隔離閥的動(dòng)作特點(diǎn),在閉合時(shí)傳動(dòng)桿件的位置決定了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的閉鎖角度。因此,傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞動(dòng)作是否精確,即可代表閥板閉合時(shí)密封性能的優(yōu)劣。這樣一來(lái),就可以將運(yùn)動(dòng)可靠性的定性分析,轉(zhuǎn)化為閥板關(guān)閉可靠度、自鎖可靠度的定量分析,使得分析結(jié)果更加直觀和精確。

在機(jī)械構(gòu)件的可靠度分析中,“應(yīng)力- 強(qiáng)度”干涉模型被廣泛使用[1]。本研究構(gòu)建了基于傳動(dòng)系統(tǒng)閥板運(yùn)動(dòng)可靠度的“實(shí)際輸出誤差- 允許極限誤差”干涉模型,見(jiàn)圖1。

結(jié)合圖1 可知,在發(fā)生干涉（圖1 陰影部分）的區(qū)域內(nèi),閥板允許極限誤差在某個(gè)時(shí)期內(nèi)是小于運(yùn)動(dòng)輸出誤差的,說(shuō)明閥板關(guān)閉和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖有一定幾率失效。在計(jì)算閥板關(guān)閉和自鎖可靠度時(shí),可以分別計(jì)算閥板關(guān)閉角度、自鎖角度的運(yùn)動(dòng)誤差（Δy）,然后與允許極限誤差（δ）進(jìn)行對(duì)比,如果存在“δ-Δy＞0”,則說(shuō)明閥板關(guān)閉和自鎖可靠。在明確了傳動(dòng)系統(tǒng)閥板可靠性計(jì)算模型后,利用蒙特卡洛原理,使用Adams動(dòng)態(tài)仿真方法求得閥板關(guān)閉和自鎖角度的輸出誤差分布,其實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖2。

圖2 通風(fēng)隔離閥閥板關(guān)閉和自鎖可靠性分析技術(shù)路線

在了解閥板關(guān)閉和自鎖角度輸出誤差分布情況時(shí),需要求解傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)桿件的位移。常用的方法是從運(yùn)動(dòng)桿件上選出若干個(gè)特征點(diǎn)（如端點(diǎn)、中心點(diǎn)等）,建立相應(yīng)的矢量方程,在滿(mǎn)足協(xié)調(diào)關(guān)系的前提下求解非線性方程組。但是考慮到四級(jí)平行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,其受力形態(tài)也會(huì)不斷變化,使得矢量方程的求解難度增加[2]。因此,在實(shí)際開(kāi)展可靠度計(jì)算時(shí),引入了Adams 仿真分析工具,不需要求解傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,即可獲取其運(yùn)動(dòng)可靠度,從而降低了實(shí)驗(yàn)難度。

2 閥板關(guān)閉可靠度和自鎖可靠度的仿真分析

2.1 創(chuàng)建傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型

本研究使用Adams 軟件建立傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真模型。相比于CAD 軟件,基于Adams 軟件建立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型,可支持用戶(hù)自定義子程序改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值,通過(guò)獲取傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的參數(shù),開(kāi)展閥板關(guān)閉與自鎖的可靠性計(jì)算,使得仿真結(jié)果的精確性進(jìn)一步提升。另外,Adams 軟件還提供了豐富的建模工具,可以使模型與傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物在結(jié)構(gòu)上保持高度的一致性,也在一定程度上減小了可靠度的計(jì)算誤差。結(jié)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),對(duì)閥板轉(zhuǎn)動(dòng)角度、自鎖角度影響較為明顯的構(gòu)件有驅(qū)動(dòng)臂（L1/L2）、四級(jí)曲柄（C）及其連桿（LC）,以及同步連桿（LE）的尺寸誤差,以及鉸鏈副配合間隙（B1～B2、D1～D2、E3～E4）的間隙誤差。除此之外,還有傳動(dòng)桿件上銷(xiāo)孔半徑偏差、銷(xiāo)軸尺寸偏差等,但是對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響較小,本研究不做考慮。其中,參數(shù)化模型的主要設(shè)計(jì)變量見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)化模型的設(shè)計(jì)變量

除了對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行建模外,要想使傳動(dòng)系統(tǒng)能夠執(zhí)行各種動(dòng)作,還必須在各個(gè)構(gòu)件之間建立約束關(guān)系,即運(yùn)動(dòng)副。Adams 軟件中提供了4 種常用的運(yùn)動(dòng)副,分別是轉(zhuǎn)動(dòng)副、圓柱副、移動(dòng)副和齒輪副。使用運(yùn)動(dòng)副將構(gòu)件連接起來(lái),即可得到功能完整的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型[3]。

2.2 Adams 自定義程序的編寫(xiě)與鏈接

在得到Adams 參數(shù)化模型后,編寫(xiě)自動(dòng)仿真程序,并通過(guò)改變參數(shù)化模型初始尺寸誤差數(shù)據(jù)的方式,求得閥板關(guān)閉角度、自鎖角度實(shí)際輸出誤差。自定義函數(shù)程序見(jiàn)圖3。

圖3 基于C 語(yǔ)言編寫(xiě)Adams 自定義函數(shù)程序流程

該程序的實(shí)現(xiàn)原理為：首先由Adams 系統(tǒng)自動(dòng)生成一串均勻分布的隨機(jī)數(shù)列。同時(shí)設(shè)定一個(gè)限定條件“Seed＜0”。用“Seed=Seed+M”消除冗余數(shù)據(jù),對(duì)保留下來(lái)的滿(mǎn)足條件的數(shù)據(jù),使用中心極限定理在[0,1]區(qū)間內(nèi)進(jìn)行正態(tài)分布處理。從所得數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽選n 個(gè)數(shù)（這里以n=12 為例）,并使用下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值（x）：

完成仿真程序的編寫(xiě)后,將程序以.stl 格式保存,但是該文件無(wú)法直接導(dǎo)入到Adams 函數(shù)庫(kù)中,需要對(duì)其進(jìn)行編譯后重新鏈接,才能在Adams 軟件中運(yùn)行。在命令行中輸入如下指令：

敲擊回車(chē)鍵后,在當(dāng)前頁(yè)面會(huì)彈出新的對(duì)話(huà)框,在對(duì)話(huà)框中輸入“personalfunction.dll”后,點(diǎn)擊確定,此時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件啟動(dòng)運(yùn)行。幾秒后,自定義函數(shù)加載完成,即可將該函數(shù)成功鏈接到Adams 函數(shù)庫(kù)中。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性動(dòng)態(tài)仿真程序的設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確計(jì)算出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型在不同尺寸、不同運(yùn)動(dòng)副間隙下的輸出誤差,還需要在Adams 軟件中編寫(xiě)自動(dòng)仿真程序,見(jiàn)圖4。

圖4 Adams 自動(dòng)仿真程序流程

根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)控制變量的不同和運(yùn)動(dòng)可靠性分析的需要,本研究在編寫(xiě)自動(dòng)可靠性仿真程序時(shí),使用到的程序有以下幾種：

（1） 控制循環(huán)仿真次數(shù)的程序。這里以仿真次數(shù)為200 次為例,程序?yàn)椋?/p>

（2） 自定義桿長(zhǎng)、銷(xiāo)孔半徑程序。通常來(lái)說(shuō),傳動(dòng)桿件的尺寸誤差服從正態(tài)分布。因此,基于正態(tài)分布抽樣公式,可以求得構(gòu)件銷(xiāo)孔半徑（r）,其公式為：

式中：μ 表示同一批桿件中銷(xiāo)孔半徑的平均值。這里以驅(qū)動(dòng)臂為例,自定義臂長(zhǎng)的程序?yàn)椋?/p>

除了上述主要語(yǔ)句外,還有仿真執(zhí)行語(yǔ)句、測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)語(yǔ)句等。將這些語(yǔ)句以“for 循環(huán)體”的形式加入到主程序中,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥板關(guān)閉和自鎖可靠性的仿真驗(yàn)證。

2.4 閥板關(guān)閉與自鎖角度輸出誤差分布情況的確定方法

基于Adams 系統(tǒng)完成仿真后,對(duì)于仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的處理方法主要有2 種,其一是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual 軟件中,并調(diào)用該軟件中的API 函數(shù),讀取指定文件后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；其二是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件中,調(diào)用該軟件中的dir()函數(shù),該函數(shù)可以自動(dòng)查找指定文件格式的所有文件,并將符合要求的文件進(jìn)行匯總,從中提取仿真結(jié)果數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。在實(shí)際應(yīng)用中,兩種方法各有利弊：

第1 種方法需要處理的文件數(shù)量較少,能夠更加快速地確定仿真數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)處理效率。但是當(dāng)仿真結(jié)果文件的數(shù)量較多并且超出了矩陣存儲(chǔ)上限后,即便是讀取到新的數(shù)據(jù),也不會(huì)在矩陣中顯示。這就導(dǎo)致一部分仿真數(shù)據(jù)無(wú)法查找,使得Adams 系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果存在較大誤差[4]。第2 種方法的優(yōu)點(diǎn)在于提供了仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)等信息,這就為數(shù)據(jù)的查找和提取帶來(lái)了方便。但是使用Adams 系統(tǒng)仿真求解復(fù)雜模型時(shí),也容易出現(xiàn)仿真步長(zhǎng)超出參數(shù)調(diào)整步長(zhǎng),導(dǎo)致仿真積分求解器不能正常完成積分求解的情況。

本研究在綜合對(duì)比2 種方法的基礎(chǔ)上,選擇了Matlab 軟件處理仿真文件結(jié)果數(shù)據(jù),并針對(duì)其不足采取了以下改進(jìn)措施：首先定義目標(biāo)文件,并將符合該定義的所有文件進(jìn)行標(biāo)記。定義一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于存儲(chǔ)仿真結(jié)果的矩陣,執(zhí)行一個(gè)while～feof()語(yǔ)句,跳轉(zhuǎn)至矩陣的最后一行。當(dāng)?shù)? 個(gè)矩陣中存儲(chǔ)的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)達(dá)到容量上限后,執(zhí)行程序“n=n+1”建立一個(gè)新的存儲(chǔ)矩陣,并自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至新矩陣?yán)^續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。理論上來(lái)說(shuō),在Matlab 軟件中可以新建無(wú)數(shù)個(gè)矩陣[5]。這樣就避免了仿真步長(zhǎng)超出參數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)的情況。最后在Matlab 中檢驗(yàn)閥板關(guān)閉和自鎖角度實(shí)際輸出誤差分布情況,并計(jì)算其可靠度。

3 閥板關(guān)閉可靠度和自鎖可靠度的仿真結(jié)果

基于Adams 系統(tǒng)自動(dòng)仿真并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際輸出誤差分布情況進(jìn)行可靠度計(jì)算后,可以分別求出傳動(dòng)系統(tǒng)不同組成結(jié)構(gòu)的最低精度標(biāo)準(zhǔn)。這里挑選通風(fēng)隔離閥傳動(dòng)系統(tǒng)上的4 塊閥板,進(jìn)行了閥板關(guān)閉角度和自鎖角度下不同桿長(zhǎng)尺寸誤差范圍,仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同桿件尺寸閥板關(guān)閉角度和自鎖角度數(shù)值對(duì)比折線圖

結(jié)合上圖可知,鉸鏈副軸孔間隙配合類(lèi)型H11/h11時(shí),其關(guān)閉角度和自鎖角度已經(jīng)接近允許的上限。其中,3#閥板軸孔配合為H11/h11 時(shí),關(guān)閉角度達(dá)到了93.6°,接近允許上限94°；同樣的,4#閥板軸孔配合為H11/h11 時(shí),自鎖角度達(dá)到了180.4°,也十分接近允許上限181°。因此,為保證傳動(dòng)系統(tǒng)閥板的運(yùn)動(dòng)可靠性,要求鉸鏈副軸孔間隙最高為11 級(jí),此級(jí)別對(duì)應(yīng)的軸孔半徑為4.935 mm 和5.045 mm,即傳動(dòng)桿件的軸孔半徑應(yīng)控制4.935～5.045 mm 之間,桿長(zhǎng)誤差變化范圍不得超過(guò)±0.05 mm。將該參數(shù)輸入到模型中求解傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠度,這里以1#閥板為例,所得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同閥板的可靠度計(jì)算結(jié)果

由表2 可知,在只考慮桿長(zhǎng)變化的前提下,該傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)可靠度＞0.99,說(shuō)明通風(fēng)隔離閥運(yùn)動(dòng)性能良好。

4 結(jié)論

傳動(dòng)系統(tǒng)作為通風(fēng)隔離閥的重要組成,其運(yùn)行可靠性將直接決定通風(fēng)隔離閥的密封功能、降溫功能是否正常發(fā)揮,進(jìn)而對(duì)核電站的安全運(yùn)行也產(chǎn)生了一定影響。本研究提出的一種基于Adams 系統(tǒng)的傳動(dòng)模型構(gòu)建與運(yùn)動(dòng)可靠性仿真系統(tǒng),能夠?qū)鲃?dòng)模型閥板關(guān)閉和自鎖狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)可靠性展開(kāi)精確計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)表明,閥板可靠度均在0.99 以上,較好地滿(mǎn)足了傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行需要。