储玮玮
浙江三方控制阀股份有限公司 浙江省杭州市 311400
摘要：阀门作为一类通用的机械产品,其产品设计知识具有一般机械设计知识的特点。同时,阀门产品在结构和设计上又有不同于一般机械产品的特殊之处。因此,针对阀门产品的结构特点和设计过程,确定其产品设计的领域知识构成,构建阀门产品集成知识模型,实现阀门设计领域知识的合理表示是知识支持机制研究的前提[1]。
关键词：阀门设计；知识构成；问题分析
引言
阀门是一种通用的机械产品,品种繁多,应用范围广。一方面,阀门在整个工作装置和系统中起着至关重要的作用;另一方面,阀门的失效会导致系统、设备无法正常工作,尤其是核能、航空、航天领域(诸如卫星、运载火箭、导弹等设备),阀门的失效甚至会导致灾难性事故的发生。这就要求阀门必须具有高的可靠性,相应的可靠性研究在阀门研究当中具有举足轻重的作用。
1阀门产品结构与设计
阀门的总体结构设计基于管路系统对阀门提出的使用要求,即阀门设计应满足工作介质的压力、温度、腐蚀、流体特性以及操作、制造、安装、维修等方面对阀门提出的全部要求。这些要求,反映在阀门设计的基础技术数据上,即所谓的“设计输入”,主要包括[2]:阀门的用途或种类;介质的工作压力;介质的工作温度;介质的物理、化学性能(腐蚀性、易燃易爆性、毒性、物态等);公称通径;结构长度;与管道的连接形式;阀门的驱动方式(手动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、电动、气动、液动等)。根据使用要求和相关设计标准,确定阀门产品的总体设计要求,包括:公称通径(DN)、公称压力(PN)、结构长度(L)、连接形式、工作温度、适用介质、驱动方式等。上述总体设计数据,作为阀门主要结构和性能参数,导航和影响了整个产品的详细结构设计过程,决定了产品各结构参数的组成、选择和驱动。因此,可将上述参数定义为产品实例的索引属性,作为产品级实例检索与重用的依据。
2.阀门的可靠性分析
2.1阀门的失效模式及失效原因
阀门的可靠性研究必须建立在试验数据收集、分析失效机制和失效模式的基础之上。美国西雅图的Milmanco公司在美国空军的资助下进行了阀门设计规范的研究,计划的一部分涉及到导弹阀门的失效分析,其中把失效的原因归结有17条[1],所归结的失效原因较为全面。而对于所有阀门来讲,通用的主要失效模式和失效原因有以下几种:
(1)卡滞失效原因:①由于应力蠕变造成的导杆/阀门体变形、阀杆弯曲变形、填料压得过多、过紧等物理原因,使阀杆活动受阻;②由于污染、腐蚀等化学原因造成阀门导杆与导向件之间摩擦力过大,使阀杆活动受阻。
(2)渗漏(阀门的渗漏分为内部渗漏和外部渗漏)失效原因:①密封接触面被腐蚀、磨损,有划痕或有污染物,造成不密合;②弹簧或紧固件发生蠕变(即永久性变形),造成关闭压力不足;③密封件未压紧或造成损伤,如划痕、老化变形及腐蚀变质等;④螺栓松紧程度不一,使阀体与阀盖压合不紧;⑤紧固件松动,造成密封接触面接触力不足;⑥阀门关闭时,由于活动零件变形或间隙中有杂物引起阀杆与阀座接触偏离。
(3)振动及噪声失效原因:①介质流动过程中的振动使得管道、阀门固定基座剧烈振动,也会使阀门随之振动;②因阀体内部腔室线型设计不良,介质流动性能不稳定发生振动;③弹簧刚度不足,致使输出信号不稳定而急剧变动,易引起振动;④阀门的频率与系统频率接近,引起共振;⑤阀门的过度节流导致介质流动产生漩涡与阀门相互作用;⑥弹簧刚度过大。
(4)阀门工作压力波动失效原因:①导阀弹簧太软;②导阀阀口接触不良;③阻尼孔太大,阻尼作用不够强;④工作液不干净,堵塞阻尼孔;⑤阀芯有毛刺或变形,运动不灵活;⑥出现共振(系统压力脉动频率与阀芯、弹簧系统的自振频率接近)。
(5)阀体破裂失效原因:①材质不好,内部有砂眼、气孔,或者在铸造时产生偏心,使局部强度降低;②阀门被碰撞产生细小裂纹,继续使用后裂纹扩展;③阀门用强力安装,因受力不均造成破裂;④低温环境下阀体被冻裂;⑤外部环境的振动使阀门出现裂纹。
2.2阀门的FMECA
故障模式影响及危害性分析(FailureModeEffectandCriticalityAnalysis,FMECA)是指导阀门可靠性设计及评价的有效方法和找出设计上潜在缺陷的重要手段。FMECA的运用对提高阀门的可靠性有很大帮助。
阀门的FMECA应特别注重以下几个方面的问题:
(1)在大量的文献中,阀门都是作为系统中的一个基本部件进行分析,其故障模式多是渗漏、卡滞、破裂等整体阀门的故障模式,而将阀门作为一个工作系统进行分析的甚少,阀门故障的进一步研究以及相应的故障引起原因分析不深、不透。因此,在阀门的FMECA过程中,必须熟悉每个零部件的工作原理、生产制造工艺和机械设计中的尺寸配合等知识,充分利用专家经验,对所有失效模式的产生原因认真全面地分析以防遗漏。
(2)阀门零部件的故障模式和故障原因容易引起混淆。故障模式是故障的表现形式,如零部件的断裂、磨损等等。故障原因是直接导致故障发生的那些物理或化学过程、设计缺陷、工艺缺陷等。例如,把放气活门漏气作为故障模式,放气活门磨损作为原因是不确切的,因为放气活门漏气是阀门工作时的一种故障的表现形式。在此应该明确,具体的分析对象是放气活门,磨损是它的一种故障模式,而原因可能是没有按规定装配或设计尺寸不合理。一定要分清故障模式和故障原因,否则无法为后面的工作提供正确的可靠性信息。
(3)在进行FMECA时,无论是计算故障模式危害度Cm还是产品危害度Cr,都要涉及故障率λp。机械产品的故障率大多服从非指数分布,其瞬时故障率不是常数,而是时间t的函数。为了计算方便,工程上常常用平均故障率λ(t)来替代瞬时故障率λ(t),并以此作为计算危害度大小的λp值[17]。阀门的组成零部件都是机械产品,比如膜片、弹簧、密封圈等,寿命大多数情况下服从非指数分布,在确定了每种零部件的故障分布的前提下,故障率λp可以用上述方法确定,而不能一概假设故障服从指数分布来确定故障率。
(4)FMECA不能考虑人为因素的误差、环境的影响和软件误差造成的影响,FMECA和FTA组合利用,分析工作才更有效。
3.阀门产品设计知识表示
在明确阀门产品设计领域知识构成的前提下,依据阀门产品结构和设计特点,结合具体阀门产品的结构构成和设计流程,构建阀门产品设计的集成知识模型,实现设计知识的全面综合表达,是实现知识驱动的阀门产品设计的基础和前提。在产品本体模型之下,针对特定的阀门品种,可以进一步构建详细的产品本体模型。通过对阀门产品总体结构和设计过程的研究分析发现,阀门产品设计在总体设计参数(设计问题的描述及产品属性)定义之下,按照设计过程确定的零部件生成顺序。零部件间在结构和尺寸参数方面具有很强的继承性和设计关联性,产品上级构件的结构形式与尺寸参数,定义或导航了下级结构构件的生成。
因此,按照零部件间的装配和设计关联关系,基于设计单元构建特定阀门产品的本体模型。设计单元是指构成某一产品的具有一定的装配和设计关联关系并可独立参数驱动的零件、部件、组件或结构单元的设计关联体。其向下可自动分解为相关零件,向上可组合成相应部件。设计单元具有广泛的含义,它可以是一个零件,如蝶阀设计中的阀杆;可以是一个复杂装配结构,如盲板阀设计中的左阀体齿圈组件;也可以是由多个零件组成的组合件,如盲板阀产品中的左、右阀体支座;还可以是由多个零件组成的部件(子装配),如蝶阀设计中的上支承填料组件和下支承填料组件。
结语
结合阀门产品的结构特点与设计流程,明确了阀门产品设计领域知识的构成和分类,运用本体论和面向对象的思想和方法,完成了基于设计单元的阀门产品本体模型的构建,在此基础上构建了阀门产品设计的集成知识模型,实现了阀门产品领域设计知识的分层次综合表达。
参考文献
[1]张娜,罗小龙.CAD在阀门设计中的应用[J].通用机械,2018.
[2]张建生,肖朋.三维软件Solidedge在阀门设计中的应用[J].通用机械,2018,6(9).