射流管式电液伺服阀可靠性数字仿真

吕堂祺，周 果，钱 宇

（中国船舶重工集团公司 第704研究所 质量管理处，上海 200031）

射流管式电液伺服阀可靠性数字仿真

吕堂祺，周 果，钱 宇

（中国船舶重工集团公司 第704研究所 质量管理处，上海 200031）

从射流管式电液伺服阀的基本失效分析出发，运用故障树分析理论，建立了以其不能正常工作为顶事件的故障树，并收集了各个底事件的失效分布函数。运用了蒙特卡罗方法与故障树分析相结合进行可靠性数字仿真，并以MATLAB为平台，编制了伺服阀的故障树仿真分析程序，得出了射流管式电液伺服阀平均故障间隔时间和在不同工作时间要求下的可靠度，为射流管式电液伺服阀可靠性定量分析、评估提供了一定依据。

射流管式电液伺服阀；故障树；数字仿真

0 引言

射流管式电液伺服阀是美国五十年代末研制的军用产品，由于该产品具有结构牢固，抗污染能力强，分辨率高，寿命长的独特优点。国外的民航飞机从上世纪六、七十年代起就大量使用射流管式电液伺服阀。从国外的研究资料来看，美国从六十年代起就开始在军用航空器上使用射流管技术，欧洲及俄罗斯等世界各国的军用飞机和民航客机都在大量使用射流管式电液伺服阀。

由于射流管式电液伺服阀设计制造均有一定难度，国外因涉及军工国防对中国射流管技术实行严格控制和技术封锁，目前国内射流管式电液伺服阀技术发展比较缓慢。由于条件所限，产品在批产稳定性及可靠性研究方面一直存在不足，积累的历史数据较少，无法准确进行定量的可靠性分析计算和评估。

定量分析的目的在于利用故障树作为计算模型，在已知底事件发生概率的情况下计算顶上事件的发生概率，从而对系统的可靠性、安全性及风险性做出评估。为了能够对射流管式电液伺服阀产品进行可靠性定量分析，从射流管式电液伺服阀的基本失效分析出发，运用故障树分析理论，建立了以伺服阀不能正常工作为顶事件的故障树模型，并收集了各个部件的失效分布函数。针对故障树分析特点，运用了蒙特卡罗方法与故障树分析相结合进行可靠性数字仿真[1]，并以MATLAB为平台，编制了伺服阀的故障树仿真分析程序进行仿真。

1 射流管式电液伺服阀故障树建立

射流管式电液伺服阀主要由力矩马达、射流管式放大器、滑阀组件主要部件组成。其中力矩马达主要由衔铁组件（含永久磁铁、上下导磁体、衔铁）、弹簧管、控制线圈（采用双冗余备份方式）组成；射流管式放大器主要由射流管件、喷嘴及接受器组成；滑阀组件主要由阀芯、衬套及阀体组成。

以射流管式电液伺服阀失效为顶事件，建立其失效故障树，如图1所示。

图1 射流管式电液伺服阀失效故障树

依据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》得到了线圈的失效率，通过文献查找和预估得到其他各个机械组件的失效率。各个底事件的失效分布如表1所示。

表1 各个底事件失效分布及特征参数

2 建立射流管式电液伺服阀可靠性仿真模型

射流管式电液伺服阀设备由 12个基本部件组成，用S表示射流管式电液伺服阀设备，则有：S={Z1,Z2,…,Z12}，Zi表示伺服阀的第i个组件，每个组件的失效分布函数如表1所示。射流管式电液伺服阀的故障树是各个基本事件之间的逻辑关系图，故障树的顶事件即为伺服阀S的失效事件，其底事件即伺服阀的各个基本部件Zi的失效事件，伺服阀设备中共有12个底事件。

式中，xi(t)表示第i个底事件的状态变量，i=1,2,…,12。取：

在伺服阀故障树中，控制线圈为热备份模式，当且仅当两个线圈的底事件状态变量同时为1时，系统才失效。

由可靠性理论知[2,3]，伺服阀故障树中与门和或门的结构函数分别是公式（2）和（3）。

由此可知伺服阀失效的结构函数为：

3 仿真算法分析

根据故障树表示的伺服阀可靠性模型，利用结构函数，运用蒙特卡罗方法进行系统仿真[4,5]，并对可靠度和平均无故障时间进行估计。仿真算法如下：

1）设定伺服阀规定的工作寿命Tmax。

2）规定仿真运行总次数NS，仿真运行的序号为N，其中N=1,2,…,NS。

3）根据12个组件的失效分布函数，采用蒙特卡洛抽样方法，得出每个组件的失效时间Ti，其中i=1,2,…,12。若Ti大于Tmax，则第i个组件在伺服阀寿命内未失效，即xi(t)=0；若Ti小于Tmax，则第i个组件在伺服阀寿命内失效，即xi(t)=1。根据伺服阀失效的结构函数，计算其结构函数值，并由此判断伺服阀是否失效。

4）统计正常伺服阀工作次数N成功，由此可得伺服阀的可靠度为：

5）由于伺服阀组件中任意组件发生故障，则伺服阀发生故障，即需要对其进行维修，因此记录第i仿真过程中12个组件的最小失效时间Ti，则仿

min

真得到的平均故障间隔时间为：

具体的仿真流程如图2所示。

图2 伺服阀可靠性仿真流程图

4 仿真结果分析

采用MATLAB编制仿真程序，进行两大组仿真试验。第一组仿真试验中仿真次为十万次，第二组仿真试验中仿真次为五百万次，分别设定伺服阀的寿命工作时间为1000h、5000h、10000h、50000h和 100000h，其中每小组的仿真结果均为十次仿真取平均值，可靠度仿真结果如表2所示，平均无故障间隔的仿真结果如表3所示。

表2 可靠度仿真结果

表3 平均无故障间隔时间仿真结果

由上可知，两次仿真的结果非常接近。伺服阀的可靠度随工作时间的增长明显下降，这与可靠度的定义是相符的，即随着工作的增长，可靠度下降。平均故障间隔时间不受伺服阀产品的工作时间、仿真次数影响，基本收敛在45600h左右，这是由于平均故障间隔时间是产品的固有属性，符合实际情况。

从上述分析可知，此次的仿真符合事实情况，具有一定的可信性，其仿真结果的值可以为电液伺服阀产品的可靠性定量分析提供参考。

5 结束语

本文从射流管式电液伺服阀的基本失效分析出发，运用了故障树分析理论，建立了以伺服阀不能正常工作为顶事件的故障树模型，并收集了各个部件的失效分布函数，采用了蒙特卡罗方法与故障树分析相结合进行可靠性数字仿真，并以 MATLAB为平台，编制了伺服阀的故障树仿真分析程序，得出了射流管式电液伺服阀不同工作时间要求下的可靠度值和平均故障间隔时间，为射流管式电液伺服阀可靠性定量分析、评估提供了一定依据。本方法适用范围可以推广到大型复杂可修系统，且对不同系统能建立统一的仿真模型，消除需要重复建模和编程的弊端。由于本方法在仿真原理上融入了基于故障树仿真方法，体现功能结构特点，因此在理论模型上更贴近工程实际，更能够反映出复杂系统的结构功能特性。

[1] 杨为民, 盛一兴. 系统可靠性数字仿真[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1990.

[2] 曾声奎, 赵廷弟, 张建国, 等. 系统可靠性设计分析教程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2001.

[3] 褚卫明, 易宏, 张裕芳. 基于故障树结构函数的可靠性仿真[J]. 武汉理工大学学报, 2004, 26(10): 80-83.

[4] 魏选平, 卞树檀. 故障树分析法及其应用[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2004(3): 43-45.

[5] 居滋培. 故障树可靠性数字仿真及其应用[J]. 仪器仪表学报, 1998, 19(5): 551-555.

Reliability Digital Simulation of Jet-tube Hydraulic Servo Valve Based on Fault Tree Method

Lyu Tang-qi, Zhou Guo, Qian Yu

(Quality Control Department of Shanghai Marine Equipment Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Inthis paper, the top event of the fault tree using fault tree analysis theory based on the jet-tube hydraulic servo valve’s not working properly is established and the distribution function for each bottom event is collected. Combining Monte Carlo method with the fault tree analysis, the reliability of digital simulation is set up and the fault tree analysis simulation program of servo valve based on MATLAB is prepared, obtaining the MTBF and reliability of the jet-tube hydraulic servo valve under different working time and requirements. The basis for reliable quantitative analysis of the jet-tube hydraulic servo valve is provided at last.

Jet-tube hydraulic servo valve; fault tree; digital simulation

TH137

A

1005-7560 (2014) 04-0052-04

吕堂祺（1987-），男，硕士研究生，研究方向：船舶设备可靠性、质量管理。