航天阀门的可靠性试验方法研究

林 晔，喻天翔，崔卫民，宋笔锋

（西北工业大学 航空学院，西安 710072）

0 引言

高可靠性是对航天产品（运载火箭等）的最基本要求，近年来，由于航天产品复杂程度的提高和对环境适应性的苛刻要求，可靠性工作越来越受到重视。

航天阀门是火箭系统中重要的元部件，是典型的机械结构件，其可靠性，直接影响火箭发射任务的成功，甚至直接关系到人员和设备的安全。因此，系统对阀门提出了非常高的可靠性指标。然而在实际的开发过程中，阀门为成败型产品，如何进行可靠性试验确定其可靠性指标是非常困难的问题。周正伐[1]针对航天成败型高可靠性产品的可靠性试验，提出了以特征量裕度试验代替成败型试验的思路，将系统转换成为薄弱部件的串联。但是目前航天阀门还具有自己的特点，仅仅应用薄弱环节的可靠性试验替代整体试验是冒进的。本文提出了通过阀门薄弱元部件和系统整体试验，物理试验和仿真试验相结合的方法，验证航天阀门的可靠性指标，对航天阀门的可靠性试验有着重要的参考价值。

1 一般航天产品可靠性研究思路

航天产品有如下特点：系统复杂；风险大，可靠性指标要求高；子样少，价值昂贵；产品任务时间短，一次性使用，一般为成败型（即试验结果为成功或失败，考察产品可靠性特征量为失败数或成功数)；研制周期紧；经费有限等特点，导致不能有多台产品同时参加可靠性试验，以期在较短的时间内获得较多的可靠性信息。另外，在当前情况下，可靠性预计工作不充分，难以在可靠性试验前获得有模型可靠性试验的起始点。所以，如果按成败型试验方式做可靠性试验，所需的试验数量巨大。

要减少试验数量，出路在于首先寻找计量型可靠性特征量代替计数型（即成败型）特征量，然后用特征量裕度试验代替成败型试验。据此，航天非电子产品可靠性试验方法的思路[1]如图1所示。

图1 一般航天产品的可靠性试验思路

1）考虑到航天产品的系统可靠性模型主要是串联系统，即“最弱环”模型，必须抓薄弱环节，因此首先将产品化整为零，完整、准确地分解成若干个薄弱环节，这些环节为可靠性串联，这是遵循本思路的前提条件；

2）分析每个薄弱环节，寻找各环节的可靠性特征量，这些特征量应尽量是可检测的计量型变量；

3）利用各环节可靠性特征量裕度试验代替成败型试验，制定可靠性试验方案，按此方案实施试验。

2 航天阀门系统可靠性试验

航天阀门具有和其他航天非电子产品一样的特点，所以航天阀门的可靠性特征分析也要遵从航天非电子产品可靠性试验方法的一般思路[2]。

然而航天阀门的可靠性验证试验还要考虑其特殊性。航天阀门是一种典型的带有反馈控制回路的控制阀[3]，例如本文研究对象安溢活门，其压力的调节过程，都是通过敏感元件感应压力变化，调节开口度大小，调整压力，因此，将航天阀门分割开来进行分析是不合理的，也就是不能将阀门看做由几个薄弱的关键元/部件简单组成的串联系统，认为某些部件的失效才会导致系统的失效，实际过程中还存在一个潜在的失效就是每个元/部件并没有失效，而是由于多个元/部件的性能退化，它们之间不是相互独立，而是相互影响，多种因素耦合到一起，从而导致阀门系统某个功能失效。因此在考虑此类故障的时候，仅仅进行部件可靠性验证，元/部件合格，由元/部件组成的系统并不一定合格。所以，对于航天阀门系统，通过部件试验和系统试验相结合的方法，进行可靠性验证试验[4]。

基于以上理论与方法，可制定如图2所示的航天阀门可靠性验证试验具体步骤。

图2 航天阀门可靠性试验思路

1）由于航天阀门具有航天产品的一般特点，所以在对其进行可靠性分析的时候首先应该遵循航天产品可靠性分析的一般思路，即将产品化整为零，确定若干环节。通过FMEA，识别各环节故障模式，并找出对产品功能具有致命性的、灾难性的且发生可能性较大的各种故障模式，据此确定若干薄弱环节。

2）同时考虑到航天阀门具有其特殊性，所以在试验中将薄弱环节可靠性试验和系统整体试验，物理试验和仿真试验两部分。

3）系统各个薄弱环节的可靠性试验应按照一般航天产品可靠性的步骤进行分析。

4）仿真试验在建立好阀门的仿真试验模型后，首先要明确设计变量的统计特性，然后确定性能指标失效数据，最后进行仿真抽样试验。

3 某型航天安溢活门工程应用案例分析

航天阀门的几种基本性能要求：强度性能、密封性能、总体动作性能[5]。

强度性能是指阀门承受介质压力的能力。为了保证阀门安全使用，必须具有足够的强度和刚度。针对航天阀门而言，保证其强度要求的主要部件为壳体和膜片。

密封性能是阀门最重要的性能要求之一，也是实际过程中难以满足的指标之一，指的是阀门各个密封部位阻止介质泄露的能力。阀门的主要密封部位有：启闭件与阀座间的吻合面，阀杆与涨圈和O型圈的配合处，阀体和阀盖之间的连接处。

动作性能包括以下几个方面内容：1）启闭力和启闭力矩；2）启闭速度 ；3）动作灵敏度，4）稳定性（不振颤/不鸣叫等）。

从重要度角度考虑，安溢活门零组件的重要度排序如下：1）主阀膜片拉杆组件，2）指挥阀膜片拉杆组件，3）主阀体，4）指挥阀阀体，5）调压组件，6）控制腔组件，7）主、副阀连接件，8）反馈管。

从出现故障的频率角度考虑，安溢活门零组件发生故障的频率排序如下：1）主阀膜片拉杆组件，2）指挥阀膜片拉杆组件，3）主、副阀连接件，4）反馈管，其他元部件几乎无故障。因此元组件可靠性验证试验选择重要关键部件和故障率比较高的部件，因此，其主要问题体现在以下几个关键部位：1）膜片，2）密封垫片，3）O型圈，4）壳体。

安溢活门的总体可靠性验证试验方案设计如

图3所示。

图3 安溢活门的可靠性验证试验设计

以上各部分的具体试验方案为：

3.1 膜片承压可靠性验证试验方案

条件要求：特征量为膜片破坏强度，服从正态分布；设计承压强度为：L；验证指标：0.9999；样本选择：30；使用方判别风险：0.1。

查表可得，随机抽取30个膜片，进行膜片的承压试验，记录各膜片的承压极限值，分别求取它们的均值 和方差s2。如果，则接收该批产品；否则拒收。

3.2 膜片疲劳可靠性验证试验方案

条件要求：特征量为膜片疲劳寿命，服从威布尔分布；任务时间：10分钟（ 以实际任务过程膜片振动疲劳时间为准）；验证指标：0.9999；样本量选择：30；使用方判别风险：0.1。

查表可得，随机抽取30个膜片进行277分钟的疲劳寿命试验，如果在试验过程中没有膜片破坏，则接收，否则拒收。

3.3 壳体的承压强度可靠性验证试验方案

条件要求：特征量为壳体承压强度，服从正态分布；设计承压强度为：L；验证指标：0.9999；样本选择：10；使用方判别风险：0.1；失效判断准则：阀体出现裂纹破损现象。

查表可得，随机抽取10个阀门壳体，进行壳体的承压强度试验，记录各壳体的承压极限值，并分别计算它们的均值 和方差s2。如果，则接收该批产品；否则拒收。

3.4 阀门整体密封可靠性验证试验方案

条件要求：特征量为泄露量气泡个数，服从正态分布；设计高压容许气泡上限为：9泡/秒，低压6泡/秒；验证指标：0.9999；样本选择：20；使用方判别风险：0.1。

查表可得，随机抽取20个阀门，进行阀门的整体密封性试验，记录各阀门在高压状态和低压状态的每秒钟气泡的溢出值，并分别计算它们的均值 和方差s2。如果在高压状态下有在低压状态下有则接收该批产品；否则拒收。

3.5 结合仿真试验的阀门整体性能可靠性验证试验方案

条件要求：特征量为成败数，服从二项式分布；验证指标：0.9999；使用方判别风险：0.1。

查表可得，需要随机抽取23025个阀门样本，在规定的条件下进行整体性能试验，当试验结束时没有出现失效产品则接收，否则拒收。这在实际过程中，是不可能实现的。因此，提出了通过仿真试验和实际整体试验相互结合的方法。考虑到目前的阀门性能仿真模型的合理性，且经过了和实际性能试验对比分析，仿真性能参数已经达到了一个相当高的精度，因此拟通过大量的Monte Carlo仿真试验代替真实试验，真实的整体试验选10个件，仿真环境下试验选取23015次。当试验结束时没有出现失效产品则接收，否则拒收。值得注意的是，仿真模型必须是通过实际试验进行过验证和校正的，且相关随机变量的选择及其分布参量尽量和实际情况符合。

4 结论

本文提出了一种航天阀门可靠性试验的方法。首先按照航天产品可靠性分析的思路，将航天阀门分解成若干个薄弱环节，利用各环节可靠性特征量裕度试验对其进行可靠性分析。同时针对航天阀门是一种典型的带有反馈控制回路的控制阀的特点，将其作为一个整体来分析，制定阀门整体性能可靠性验证试验方案。同时针对物理实验需要样本过大等问题，我们提出了仿真试验和实际整体试验相互结合的方法。最后的结果与实际性能试验对比分析证明了这种方法的正确性。

[1] 周正伐,等.航天可靠性工程[M].北京:中国宇航出版社,2007.

[2] 张福学.可靠性工学[M].北京:中国科学技术出版社,1992.

[3] 何国伟,等.可靠性试验技术[M].北京:国防工业出版社,1995.

[4] 金碧辉.系统可靠性工程[M].北京:国防工业出版社,2004.

[5] 肖德辉.可靠性工程[M].北京:中国宇航出版社,1985.