某類型閘閥可靠性分配研究

徐貝貝， 邱春輝， 孟少朋

（1.中國機械科學研究總院集團有限公司， 北京 100044； 2.中機生產(chǎn)力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

產(chǎn)品的“可靠性”是指在規(guī)定的工況下和時間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品功能的能力。 閥門的可靠性是評價其質(zhì)量的重要指標之一，特別是在核電、軍工、航空等領(lǐng)域，可靠性對于整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性及安全性具有極其突出的影響。經(jīng)濟性方面， 閥門的可靠性將直接影響系統(tǒng)后續(xù)的運維成本；穩(wěn)定性和安全性方面，閥門中的某一部件，甚至密封發(fā)生故障，都有可能導致系統(tǒng)發(fā)生嚴重的后果。 因此，在閥門設(shè)計階段關(guān)注其可靠性， 對其進行可靠性分配研究，對于提高整個大型設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性、降低運維成本具有重要意義。

1 閘閥設(shè)計結(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)動裝置五部分組成（如圖1），其中驅(qū)動部分采用電動驅(qū)動裝置。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)， 并實現(xiàn)對介質(zhì)的截斷、疏通控制功能。

2 閘閥性能指標要求

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

外泄量指標：為零。

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

殼體承壓部件設(shè)計壽命：≥40 年。

啟閉時間：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要求：平均故障周期≥1000 個循環(huán)， 安全使用壽命≥40 年， 平均故障修復時間≤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)越復雜，就越難達到所需的可靠性，研發(fā)成本也越高。 因此，越復雜的設(shè)備、分系統(tǒng)，其可靠性指標分配應越低。

（2）產(chǎn)品的某項技術(shù)不成熟時，應分配較低的可靠性指標。較高的可靠性要求不但會增加研發(fā)成本，還會延長產(chǎn)品的研發(fā)時間。

（3）當產(chǎn)品使用于惡劣的環(huán)境條件時，會大幅增加產(chǎn)品的故障率，因此應分配較低的可靠性指標。

（4）當產(chǎn)品處于長期的高負荷工況時，產(chǎn)品的可靠性會因工作時間的增加而下降，因此應分配較低的可靠性指標。

（5） 當產(chǎn)品應用于重要程度高、 危險系數(shù)大的部位時， 產(chǎn)品發(fā)生故障會造成很大的經(jīng)濟損失和危害人身安全，因此需分配較高的可靠性指標。

（6）結(jié)合應用實際，還應考慮其他一些因素，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， 各部件在功能實現(xiàn)方面為串聯(lián)模型，可根據(jù)這一模型對各部件進行可靠性指標分配?？煽啃苑峙淝暗膶哟尾鸱忠妶D2。

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)計階段， 目前還沒有同型號產(chǎn)品和相似產(chǎn)品的應用及故障信息數(shù)據(jù)作為對照，因此該產(chǎn)品的可靠性分配方法采用評分分配法。

評分分配法公式如下：

式中：λi*—分配給第i 個單元的故障率（“*”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。

3.4 可靠性分配實施步驟

3.4.1 確定評分因素，并建立評分準則

采用評分分配法時應考慮產(chǎn)品的技術(shù)成熟程度、復雜程度、環(huán)境條件及工作時間等因素，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)特點對評分因素進行增減。 針對評分因素建立評分準則，確定各因素的評分范圍和標準，并對分值分檔進行必要說明，可靠性越差則分值越高，從而為專家評分提供依據(jù)。

（1）技術(shù)成熟程度。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)成熟程度及應用情況進行評分。 表2 為根據(jù)技術(shù)成熟程度建立的一種評分準則。

表2 技術(shù)成熟程度因素評分準則

（2）復雜程度。 根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復雜程度、零部件數(shù)量、裝配難易程度等進行評分。

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

（4）工作時間。根據(jù)產(chǎn)品在系統(tǒng)中的工作時間進行評分。 表3 為根據(jù)工作時間因素建立起的一種評分準則。

表3 工作時間因素評分準則

3.4.2 各因素評分

由專家對所有因素進行評分，并代入式（2）計算平均分Sij：

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

3.4.3 評分分配系數(shù)Ci 的計算

使用下式計算每個單元產(chǎn)品評分數(shù)：

式中：Si—第i 個單元產(chǎn)品評分數(shù)；k—影響因素個數(shù)；Sij—第i 個單元產(chǎn)品，第j 個因素的平均得分。

使用下式計算Ci：

式中：Ci—第i 個單元產(chǎn)品的評分分配系數(shù)；n—單元產(chǎn)品數(shù)量；Si—第i 個單元產(chǎn)品評分數(shù)。

3.4.4 分配結(jié)果計算

將Ci代入式（1）計算出分配結(jié)果。

3.4.5 計算結(jié)果的處理

將分配得到的故障率λi*求倒數(shù)得到MTBF*，并對結(jié)果進行圓整化，驗算可靠性指標是否滿足要求。

3.5 閘閥可靠性分配過程

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

表4 閘閥各部件影響因素評分結(jié)果

3.6 可靠性分配結(jié)果

使用公式計算得到總評分、分配系數(shù)、分配結(jié)果，并計算MBTF*以及進行結(jié)果圓整化， 驗算可靠性指標是否滿足，結(jié)果見表5。

表5 閘閥分配結(jié)果表

4 結(jié)論

對分配結(jié)果進行計算得到：λS*=0.4E-05，MTBF*=2500次>1000 次，分配結(jié)果能夠滿足分配目標。

根據(jù)表5 可以看出，MTBF 指標分配較低的部件分別為閥體組件、導向管組件和閥蓋組件，因此在今后的設(shè)計過程中需對其重點關(guān)注。 為了預防薄弱環(huán)節(jié)故障模式的出現(xiàn)，建議在產(chǎn)品的設(shè)計中采取以下措施：①提高部件的強度裕量，增強安全性；②對部分部件在使用前進行相關(guān)試驗，增強設(shè)備使用可靠性；③對材料進行復驗，確保所用材料符合標準及訂貨要求。