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阀门的可靠性设计

编辑:自力式压…     发布日期:2015-8-24      点击:   

  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(阀门的失效模式主要有:卡滞、渗漏、振动及噪声、阀门工作压力波动、阀体破裂)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。因此,阀门可靠性技术研究的总结和展望对今后系统地进行阀门可靠性研究有重要的理论和现实意义。
  一、阀门可靠性设计的特点
  1.阀门可靠性设计需要考虑的因素多。根据所有阀门的性能和特点,在对阀门进行可靠性设计时,需要考虑6个方面的可靠性因素:①工作稳定可靠,活动部件无卡涩现象;②良好的抗振动性能;③快速开启和关闭;④压力损失小;⑤良好的密封性;⑥足够的强度。
  2.对不同环境下工作的阀门进行设计时,需要充分考虑阀门可靠性设计中的不同影响因素。比如设计高温条件下工作的阀门必须考虑材料不同的热膨胀系数,提出阀门在高温情况下要考虑高温应力和蠕变疲劳对各个部件的作用和影响。
  3.阀门强度可靠性设计的方法逐渐从安全系数法发展向应用概率统计方法。
  二、阀门可靠性设计手段
  1.动态仿真辅助设。随着仿真技术的发展,计算机仿真在阀门设计中的应用日益广泛。阀门的仿真系统是利用计算机技术对所设计的阀门在制造前进行模拟实际工况条件的仿真,对设计中的缺陷进行修正,确保设计后各工序的有效性。利用计算机作为工具进行模拟仿真的一种典型方法是计算机流体动力学该方法不仅使得设计者能够根据系统的流体特性和要素设计不同的阀门几何体,而且可以精确地预测阀门中的流动力,这一点对于阀门的优化设计是很重要的。另外,采用计算机仿真的方法还可以起到模拟试验的作用,从而验证设计方案,简化工作流程,避免重复工作。
  2.有限元分析方法在阀门的设计过程中,设计人员要进行大量的分析和验证工作。其中,对结构进行详细的力学分析变得越来越重要,它不仅能对阀门的受力特性给出充分的论证,更能为设计人员改进结构设计和保障运行安全提供有益的建议。有限元分析方法通过模拟实际载荷和改变零部件的材料等属性来分析关键部位、部件的变形和载荷分布,结果可以很直观地显示出来。此方法是一种非常有效的力学分析方法,在阀门设计中的应用也较为广泛运用有限元的方法,一方面对阀门整体的受力情况进行分析,另一方面对零部件进行受分析,尤其是针对关键的密封元件。
  3.其它先进技术。如CAD/CAM技术和参数化技术,这些技术的运用可以让设计人员很直观地看到设计的实物,并且很方便地发现并更改错误,加快了设计的速度,可以及时地解决在设计初期遇到的问题,避免随后制造生产过程中带来的损失。常识工程的思想与阀门设计相结合。基于常识工程的阀门智能设计系统,可以实现从阀门总体设计到零部件设计与分析的智能化。粒子成像测速法等当今最先进的流动测量和显示技术。采用这些方法可以为结构设计或型线改进提供重要的技术依据。
  三、阀门的可靠性试验和评估
  可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。阀门的可靠性试验是对阀门的设计改进以及分析等方面的验证,比如说证明在设计时需要考虑的因素是正确的,也是发现设计、材料和工艺方面的各种缺陷,确定阀门寿命的有效而且必须的方法。
  关于可靠性试验方案,一种是可靠性增长试验,即产品的研制初期经过反复试验——改进——再试验的过程,在这个过程中,产品不断暴露出各种缺陷,而经过分析和改进之后,产品的可靠性能不断提高。另一种是阀门的可靠性验证试验,即一种阀门在其研制结束或批量生产结束时,利用可靠性技术进行试验,验证产品的各项指标是否达到设计要求和最低接收要求,从而决定产品是否可以投入批量生产或投人使用。
  关于阀门可靠性的评估方法:统计学的方法,在现有的和试验失效数据的基础上进行可靠性评估;参数法,在指定工作时期或试验持续时间内有关参数变化的数据的基础上进行评估。与统计的方法相比,参数法允许减少试验品的件数和试验的持续时间。阀门的可靠性评估属于小子样、长寿命可靠性评估问题,传统基于寿命数据的可靠性评估方法具有一定的局限性,不能获得符合实际的结果。
  四、提高阀门可靠性的措施1.结构改进措施
  ①改进导杆/阀芯的形状或角度,减小流动介质的冲刷,防止腐蚀;
  ②优化阀体内部腔线型的设计,使介质流动性能稳定;
  ③通过阀门零部件设计的改进,可以达到消除卡滞、减小振动和噪声减轻腐蚀和磨损。2.材料改进措施
  ①通过热处理工艺来改变阀门零部件材料的成分或内部结构,提高阀门的强度;②采用喷焊、熔覆、喷涂等技术使零部件表面耐磨损能力提高;③采取化工等防护措施,解决引起阀门损坏主要原因之一的腐蚀问题。3.其它措施
  ①保证阀门本身的清洁和控制介质的清洁是提高阀门可靠性的关键措施;②在保证材料、技术等前提下,进行阀门使用过程的定期预防检查调校(确定检查周期,这里指的是一般情况下很少用到的那些阀门),以便及早发现存在的问题;
  ③对工作环境温差大的阀门采取保温措施,防止产生温差应力,减缓阀门零件的疲劳老化,提高使用寿命。④阀门安装的位置尽量靠近控制对象,以减少不必要的连接管和配件,安装过程中避免强力安装,以免产生局部应力。五、阀门可靠性研究发展方向
  把阀门作为系统进行可靠性分析,深人研究阀门的失效模式和失效原因,将影响可靠性的因素尽量发现并消除在早期设计阶段。一方面将更为先进的设计手段和技术运用到阀门的设计中来,另一方面必须将可靠性设计的理念融入到阀门的设计过程当中,阀门可靠性的提高要从设计开始。深入研究阀门的失效机理,使阀门故障现象的研究逐步从定性到定量,尤其是密封性和振动、噪声的理论分析。阀门系统大都属于典型的机械串联系统,而且可靠度要求比较高。针对这一特点,寻找合适的可靠性分配方法,实现阀门各零部件可靠度的合理分配。国外可靠性元件数据库系统建立比较完善,相对而言国内较为落后。因此,必须运用阀门研制、试验和使用过程中记录的各个方面的性能数据,建立阀门的可靠性数据库,辅助阀门的可靠性分析、设计、试验,使阀门的可靠性研究进一步规范化和程序化。六、总结
  随着科学技术的发展,阀门的可靠性不断提高,在试验及使用中经常出现无故障情形。为了解决阀门可靠性试验中小子样、无故障情形下的可靠性评估问题,要充分利用经验和先验信息(类似产品失效数据、工程经验和仿真试验数据),形成适用于阀门可靠性、寿命的评估方法。总之,阀门的主要失效模式为卡滞、泄漏和振动,应当从理论和工程的角度对这三种失效模式的失效机理进行深入研究,找出提高可靠性的方法。加强阀门研制、试验、使用过程中的数据采集,阀门失效机理的理论研究、阀门可靠性试验与评估和阀门可靠性数据库的建立是今后阀门可靠性研究的重点内容。
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