基于FTA和AMESim的四通均流阀可靠性提升研究

周 黎，霍卫星，李 敏，谢文建



基于FTA和AMESim的四通均流阀可靠性提升研究

周 黎，霍卫星，李 敏，谢文建

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

四通均流阀能够将入口流量均等分成四路，驱动四路不同的负载保证同步动作。采用故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA），对该阀件的失效模式进行研究；通过AMESim仿真，进一步对故障模式进行验证，提出相应的改进措施，并试制样机进行可靠性试验，提高了阀件的性能，对其他阀件的可靠性设计有一定的借鉴作用。

四通均流阀；故障树分析法；故障模式；AMESim；改进措施；可靠性

0 引 言

四通均流阀能够将入口流量均等分成四路从出口流出，驱动四路不同的负载进行同步动作，应用于机械平台或车体的调平场合。分流精度是四通均流阀最重要的参数之一，内部阀芯的动态特性会直接影响到阀件的分流精度，本文利用故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA），结合AMESim仿真，对该阀件的元件性能、失效模式进行分析，提出改进措施，提高了阀件的可靠性[1]。

1 控制原理及FTA分析

1.1 控制原理

四通均流阀在火箭的4个支腿受力不均时，仍能为每个支路分配近似相等的流量，保证每个千斤顶动作速度相等，保证火箭在调平过程中安全可靠。四通均流阀由压差可变式节流阀、减压阀和负载选择器三部分组成，工作原理如图1所示。

压力油从四通均流阀的进口流入，分成两路，常泄油路经节流口1进入负载选择器的泄油调压阀[2]，到达泄油口回油箱。主油路的压差可变式节流阀在常态下处于关闭状态，利用节流口1的压力差将4个可变节流口打开，保证四通均流阀工作时，压差可变式节流阀在设定的压差下工作。主油路的压力油经压差可变式节流阀的4个可变节流口，进入4个平衡活塞中，分别到达4个出油口驱动负载工作。

出口4个减压阀的特点是减压阀的入口压力与控制端压力基本相同，从负载选择器入口引的压力（e），到达4个减压阀的控制端，4个减压阀的控制端压力一致，从而使得4个减压阀的入口压力a，b，c，d保持一致，即压差可变式节流阀的出口压力相同，入口压力均为s，故4个可变节流口的压差一致。同时4个节流孔的过流面积均相等，最终达到四路出口流量均流的功能。

图1 控制原理

1.2 FTA分析

为提高产品的可靠性和安全性，保证平台水平度调整的可靠性，适应平台任务高可靠性的需求。为此采用FTA分析阀件的故障模式及其可能产生的影响，针对故障模式采取相应措施提高阀件的可靠性，其分析流程如图2所示。

图2 四通均流阀FTA分析

由图2可知，以阀分流精度超差为顶事件，分析出该阀存在两种故障模式：a）减压阀芯动作不灵敏[3]；b）负载选择器动作不灵敏。导致第1种故障模式出现，活门和活门套间隙超差、活门套孔边毛刺、内部多余物等是其主要原因；导致第2种故障模式出现，活塞杆摩擦力过大、内部多余物、阀套孔边毛刺是其主要原因。

2 AMESim建模仿真

根据故障树分析，为进一步验证各种故障模式对四通均流阀的影响，采用AMESim建模[4]，通过调整阀的相关参数从而仿真对阀造成的性能影响。仿真模型如图3所示。图3中各阀芯、阀套的直径和节流孔尺寸均按照实物设置。表1为仿真主要参数设置。

图3 四通均流阀的AMESim模型

表1 仿真主要参数设置

2.1 减压阀芯的摩擦力对阀性能的影响

将前3路负载压力设定以间隔5 s递增，即各梯度压力为0 MPa，2 MPa，4 MPa，6 MPa，8 MPa，10 MPa。考虑各路负载在实际中为不均匀状态，将第4路负载设定在30 s内，线性从0 MPa增至10 MPa，如图4所示。在模型中，设置第1路减压阀芯为两种静、动摩擦力参数：5 N、0 N；100 N、50 N。仿真得出两种参数下对该路出油流量的影响，如图5所示。

图4 各路负载压力的模拟曲线

图5 减压阀芯的静-动摩擦力对出油流量的影响曲线

从图5可看出，减压阀芯摩擦力小时，在全负载工况下出口流量均比较稳定。当增大减压阀芯的摩擦力，在负载小的工况下该路油口流量会出现震荡现象，四路之间的流量差会变大，从而导致分流精度超差；当静摩擦力为100 N、动摩擦力为50 N时，出油流量震动幅值达到0.2 L/min；随着负载压力增大，油口流量稳定性增强。

故减压阀芯的摩擦力大小，即减压阀芯的灵敏程度是影响分流精度和阀动态性能[5]的重要因素。在设计和生产中，应严格控制减压阀芯和阀套之间的摩擦力。

2.2 负载选择器的摩擦力对阀性能的影响

在模型中，设置负载选择器为两种静、动摩擦力参数：5 N，0 N；112.5 N，62.8 N，其他参数如表1所示。仿真得出两种参数下对控制端压力e的影响如图6所示，出油流量曲线如图7所示。

图6 负载选择器的静-动摩擦力对控制端压力Pe的影响

图7 负载选择器的静-动摩擦力对出口流量的影响

从图6可以看出，当负载选择器的摩擦力过大，会造成控制端压力e的压力出现震荡。而控制端压力e会被减压阀的反馈端等环节放大，进而造成出油流量的震荡。图7中当负载压力为10 MPa时，出油流量振动幅度已经达到3.5 L/min，严重影响阀的正常工作。

3 改进措施及可靠性验证

3.1 减压阀的改进

减压阀中活门起到动态平衡活塞的作用，其摩擦力过大会造成力平衡失稳，引起阀出油流量的震荡，在FTA和AMESim仿真分析中均得到验证。为降低此类风险，需严格配合活门和活门套的运动间隙，控制在0.01~0.015 mm。将活门材料由40Cr13变为95Cr18后，其外圆与活门套配磨的精度更容易得到保证。同时通过区别阀芯与阀套的硬度，减少滑阀运动的磨损，提高阀件工作的寿命。

表2 减压阀材料和硬度优化

3.2 负载选择器的改进

负载选择器作为四通均流阀实现机械反馈的关键，一旦出现卡滞会导致传力出现问题，直接影响均流阀正常工作。经过上述分析，活塞杆上原有O形密封圈压缩量如果过大，会导致活塞杆在阀套中运行阻力过大，进而引起负载选择器卡滞，严重影响阀的动态性能。

为克服这种情况的出现，将O形密封圈改为摩擦力非常小的格来圈Turcon M12，其材质为聚四氟乙烯。这种格来圈具有优异的耐磨损和耐摩擦特性，能将硬件磨损降至最低，预防活塞杆与阀套之间的损毁，延长了密封使用的寿命。为适应密封圈的更改，将活塞杆、滑阀的沟槽设计改为格来圈形式，如图8所示。

图8 负载选择器的改进

原活塞杆、滑阀与阀套的材料均为40Cr13，且调质硬度区分较小，如果密封圈失效，容易导致两者运动时出现金属粘合而卡滞，为最大程度降低卡滞风险，将相互运动的零件材料区分，并在热处理强度上进一步异化处理。

3.3 可靠性验证

改进完成后，对四通均流阀进行2 000次满流量、交叉变负载的可靠性试验，通过测试分流精度对阀件的可靠性进行评估。

现场试验系统搭建见图9。根据试验设计，5种加载工况（见表3）下各试验400次，分流精度的试验数据结果分布如图10所示。

图9 现场试验系统

表3 试验工况

图10 可靠性试验分流精度分布

由图10可以看出，同一工况下四通均流阀的工作性能比较稳定。前4种工况，分流精度较高，平均值都小于2.5%，性能良好。第5种工况相对于其他工况比较恶劣，分流精度比其他稍大，但数据没有突变现象，最大值为3.339%，均小于要求值3.5%。按照成败型计算，取置信度为0.7，可以得出可靠度置信下限：

可靠性试验后，对该阀进行拆解检查：阀件内部无多余物；阀芯阀套无异常磨损和划伤现象、相互运动灵活。由此可见，四通均流阀经历2 000次试验考核，阀芯阀套结构强度满足要求，运动间隙及密封性能良好；在频繁变负载工况下分流精度稳定，性能优异。整个阀件经过改进后，阀件的可靠性高。

4 结束语

本文通过FTA分析阀件的故障模式及其可能产生的影响，对比原结构找出了潜在的风险。通过AMESim仿真，进一步对故障模式进行验证，提出了相应的改进措施，并试制样机进行可靠性试验，多重保证可靠性提升的正确性，提高了阀件的可靠性和整体性能。同时，对其他阀件的可靠性设计有一定的借鉴作用。

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

[2] 杨源泉. 阀门设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1992.

[3] 吴敏. 减压阀流量压力特性的分析与探讨[J]. 阀门, 2002(2):17-18.

[4] 梁全, 苏齐莹. 液压系统AMESim计算机仿真指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

[5] 陈龙安, 刘钊, 朱武强. 液压分流阀动态性能仿真与研究[J]. 工程机械, 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，高级工程师，主要研究方向为液压系统及元件