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機械壓力機用安全雙聯閥安全可靠性研究方法

文檔作者：榮琳金超張整風文檔來源： .東南大學機械工程學院 2.浙江鍛壓機械集團有限公司 3.無錫市拓發自控設備有限公司			點擊數：
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Eva
 ight 2002-2019 Aspose Pty Ltd
文章編號:1672-0121(2013)02-0043-04
機械壓力機用安全雙聯閥
安全可靠性研究方法
榮琳,金超2,張整風
(1.東南大學機械工程學院,江蘇南京211189
2.浙江鍛壓機械集團有限公司,浙江嵊州312400;
3.無錫市拓發自控設備有限公司,江蘇無錫214161)
摘要:機械壓力機用安全雙聯閥作為控制機械壓力機離合器、制動器動作的關鍵功能部件,應具備安全
性和可靠性。本文從安全控制技術入手結合傳統可靠性理論,介紹了對安全雙聯閥進行安全可靠性研究的
方法,以及各環節的實施步驟。
關鍵詞:機械壓力機;雙聯閥;安全性;可靠性;研究
中圖分類號:TG315.5文獻標識碼:A
1研究背景
機械壓力機用安全雙聯閥(以下簡稱安全雙聯
閥)是控制機械壓力機摩擦離合器、制動器動作關鍵
功能部件,安全雙聯閥產生故障、特別嚴重時將導致
摩擦離合器的誤動作,使壓力機連沖,造成人身傷害
事故。
上世紀八十年代初,我國第一代機械壓力機用
安全雙聯閥投放市場后故障頻發,嚴重時經常發生(a)Rss雙聯閥()HERION雙聯閥()日本TACO雙聯閥
連沖,給廣大鍛壓機床操作工的人身安全帶來災難
圖1安全雙聯閥種類
性后果。其原因之一,產品上市初期既沒有安全可靠態監測技術和冗余技術的研究,使其自身生產安全
性研究,也沒有可靠性跟蹤,更沒有可靠性考核,因雙聯閥的安全可靠性達到較高水平,美國oss公
此對市場中出現的問題不能及時處理,市場反應極司生產的D3573A6162型號安全雙聯閥已實現了4
大,客戶一致要求進口,給國內安全雙聯閥制造業帶級安全功能,符合EN692“機械壓力機安全”和
來嚴重后果。
GB27607-2011“機械壓力機安全技術條件”5.4.1的
目前國內外安全雙聯閥從結構上可分為:①相關規定。國內對安全雙聯閥各項安全可靠性技術
ROss雙聯閥由單式閥構成的交叉流安全雙聯閥的研究活動缺失,體現在產品安全可靠性、品質與國
(圖a); NORGREN-HERION-雙十字交叉流結構外的安全雙聯閥有一定的差距。為加速貫徹
安全雙聯閥(圖1b);③日本TACO以及日本豐興雙GB27607-2011“機械壓力機安全技術條件”,規避因
聯閥,為平行流安全雙聯閥(圖1c)。
貫標給機械壓力機制造和使用帶來新的安全型風險,
上述任何一種安全雙聯閥,其主要安全技術性規范機械壓力機用安全雙聯閥安全可靠性的考核,對
能均應符合新國標GB27607-2011“機械壓力機安安全雙聯閥的安全可靠性進行研究顯得更為重要。
全技術條件”5.4.1的相關規定。國外安全雙聯閥制
具有手動送料功能的機械壓力機在工作時處于
造商對其安全可靠性技術的研究起步較早,如對動一種高危作業狀態。歐洲機械指2006/42/EC將該
種設備列為必須經過安全認證后才能上市同時,在
收稿日期:2012-10-26
該標準中將“帶有故障檢測附加措施的閥門,擬用于
作者簡介榮琳,女,碩士在讀,主攻壓力機安全功能部件的安全可機械危險運動的控制”(安全雙聯閥是其中之一)列
靠性研究
入應進行安全認證的零組件清單。根據歐洲CE安
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裝備 EQUIPMENT
全認證,要求在壓力機預定使用壽命期間列出的可可靠性數據收集和分析;⑤安全雙聯閥失效風險評
能發生的所有危險,應給出對可能進入危險區的操估與評定。圖2為風險評價示意圖
作人員和其他人員產生風險的描述;同時GB27607
2011“機械壓力機安全技術條件”要求對這類機械
風險評價
壓力機的安全功能部件(安全雙聯閥是其中之一)應
具備有效的安全性能和通過國家認可的檢驗機構進
風險分析
風險評定
行的性能和可靠性試驗。在此國家標準引入機械壓
力機用安全功能部件(安全雙聯閥是其中之一)的安
全可靠性概念。
危險識別
(故障分析)
風險評估
安全可靠性與可靠性的關系為邊緣互融,其實
則是在可靠性理論中融入了安全控制及其應用的理
圖2風險評價
論,在以往的可靠性理論中安全可靠性與可靠性均
被籠統地稱為可靠性。
3研究方法
根據國家標準的規定,產品的可靠性是指:產品
根據安全雙聯閥安全可靠性的研究內容,對研
在規定的條件下、在規定的時間內完成規定的功能
究過程中各主要工作采取如下方法。
的能力產品的可靠性越高,產品可以無故障工作的3.1對安全雙聯閥進行故障分析
時間就越長。由此可見,可靠性的對象是某個產品,
故障分析通常采用兩種方法,即失效模式、效應
衡量的也是產品本身的性能和壽命。不強調產品產及后果分析法(FMECA)和故障樹分析法(FTA)。
生故障后對產品的其他方面的影響,特別是安全方
 FMECA是一種系統性的反復進行分析的過程,
面的影響。
以判斷元件的基本失效,并確定失效對部件的影響。
安全可靠性理論是對產品在規定的制造、包裝一般都把它分成失效模式與效應分析(FMEA)及失
效后果分析(FCA),不僅說明失效原因和后果的關
運輸及使用過程中規避產生對人傷害的危險性故障
系,還提供了對元件進行逐個分析,直到對系統進行
而進行的研究,是對在上述過程中不產生對人身有
傷害的故障的可靠性進行研究。
分析處理、評價失效后果的通用方法。這種方法是通
安全可靠性理論分為安全可靠性設計、安全可過分析方法對每個元件的失效模式、失效影響嚴重
靠性測試和安全可靠性管理三部分,而風險評估可程度用發生的次數或概率進行評估的。
明確安全雙聯閥失效部位和失效機理后,可根
靠性模型和故障樹是研究安全可靠性理論必備的工
據表1確定其壽命分布特性。
具。
根據機械行業標準(草案)“機械壓力機用安全
表1產品壽命分布特征
雙聯閥技術條件”對安全雙聯閥的要求,“安全雙聯
分布類型
適用的產品
閥首批投產前必須進行失效風險評估以及性能和可指數分布具有恒定失效率的部件,無余度的復雜系統,經老
靠性試驗”對安全雙聯閥的安全可靠性研究顯得更
練試驗并進行定期維修的部件
為必要。
某些電容器、滾珠軸承、繼電器、開關、斷路器、電子
 Weibull分布管電位計、陀螺、電動機、航空發電機、電纜、蓄電
2研究目標及內容
池、材料疲勞
對安全雙聯閥安全可靠性進行研究,通過建立對數正態分布
對數正態分布電機繞阻絕緣、半導體器件、硅晶體管、鍺晶體管、
直升機旋翼葉片、飛機結構、金屬疲勞等
安全雙聯閥可靠性模型和對其進行失效風險評定,
實現消除危險性故障或減小危險性故障發生的概
正態分布飛機輪胎磨損及某些機械產品疲勞
率、提高安全雙聯閥的安全可靠性和安全等級的目
故障樹分析(FTA)是分析失效信息的一種方
標,達到減小風險的目的。
法。在系統設計過程中,它通過對可能造成系統失效
對安全雙聯閥安全可靠性的研究內容分為兩大的各種因素進行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹),從
部分:對安全雙聯閥進行故障分析并建立可靠性模而確定系統失效原因的各種可能組合方式及其發生
型;對安全雙聯閥進行失效風險評估和評定。具體概率,以計算系統失效概率,并取得相應的糾正措施
為:①對安全雙聯閥進行故障分析;②建立安全雙聯來提高系統的可靠性。故障樹分析法不僅是一種設
閥可靠性模型;③對安全雙聯閥進行可靠性試驗;④計分析法,也是一種演繹分析法,所以能夠借助計算
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 EQUIPMENT裝備
機進行輔助分析。
元件通用失效率
在安全雙聯閥的失效分析中,還要注意各單元
導致的共因失效和共模失效。
收集同類零部件失效數據
可靠性數據庫
3.2建立安全雙聯閥可靠性模型
可靠性試驗
安全雙聯閥的可靠性模型可通過安全雙聯閥的
故障邏輯關系來確定(一般為串聯模型、并聯模型、數據分析
數據分析法
表決模型、橋聯模型和旁聯模型等),還能夠利用故
可靠性物理分析法
障物理建立零部件的失效模型。如圖3所示。
算數平均值
可靠性模型
數據集中幾何平均值
中位數
(故障物理)典型系統可靠性模型
處理
極差
數據分散方差
非儲備模型
工作儲備模型非工作儲備模型
標準差
串聯模型并聯模型表決模型橋聯模型旁聯模型
圖4可靠性數據的處理
圖3安全雙聯閥可靠性模型
析的方法是概率統計的數值分析法(或圖分析法)和
3.3對安全雙聯閥進行可靠性試驗
對樣品的物理、化學、結構及材料強度的可靠性物理
為了提高安全雙聯閥的安全可靠性,減小安全分析法。
雙聯閥發生故障時的風險,必須進行可靠性增長試
因為試驗觀測結果具有一定的隨機性,一般原
驗。可靠性增長試驗分為兩個部分:環境試驗和壽命始數據都具有集中性和分散性的特征。數據的集中
試驗。
性常用算數平均值、幾何平均值、中位數等統計尺度
環境試驗是模擬安全雙聯閥在實際工作中的來表示;數據的分散性,常用極差、方差或標準差的
環境進行的可靠性試驗,必要時可進行極限試驗,統計尺度來表示。
將可能影響安全雙聯閥安全性能的環境條件盡可3.5安全雙聯閥失效風險評估與評定
能地放大至惡劣條件,暴露安全性能設計中的薄弱
對安全雙聯閥進行失效風險評定,其結果能夠
環節。
指導安全雙聯閥的設計與改進。
壽命試驗是為了研究安全雙聯閥在規定的點
利用對安全雙聯閥設計與改進后可靠性試驗所
和機械等工作條件(如振動、壓力、負荷等)下的疲獲得的數據,結合可靠性數學模型進行失效風險評
勞壽命和有效壽命。但是由于壽命試驗耗費的時間估,以此確定傷害可能達到的嚴重程度和傷害發生
很長,必要時可進行加速壽命試驗。它是用加大應的概率;再對安全雙聯閥進行風險評定,判斷是否已
力(例如增加每次線圈的通電時間,使彈性元件有達到減小風險的目的與要求。
足夠的變形時間)的方法進行的壽命試驗,其目的
是在不改變失效機理的前提下,使安全雙聯閥在模4實施步驟
擬試驗環境條件下加快失效,以推斷安全雙聯閥在
對安全雙聯閥安全可靠性研究分以下步驟進
正常應力水平下的可靠性特征量及失效模式、失效行:
機理。
(1)用可靠性技術對各類安全雙聯閥的安全設
3.4可靠性數據收集、分析及處理(圖4)
計原理進行分析、研究,特別對其在工作時失效產生
安全雙聯閥的失效風險評價不僅需要安全雙聯的危險故障方式、成因的條件等進行分析和研究。
閥的可靠性模型,還離不開準確有效的可靠性數據。(2)收集國外品牌的雙聯閥及相關資料,對其結
除了通過收集元件通用失效率或同類零部件的失效構、工作原理工作參數、技術要求使用說明書等進
數據、利用可靠性數據庫,還能由可靠性增長試驗中行整理分析、試驗,并將其相關信息進行符合性確
的可靠性壽命試驗提供真實、準確、有效的數據。認,確定失效信息并進行危險識別,而后建立相應的
出上
數據分析的目的是要得出能判斷預先設想的目故障樹和故障數學模型,結合收集到的參數進行風
標或模型與所得的結果是否相符的足夠的信息。分險評估以及安全等級劃分
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裝備 EQUIPMENT
(3)收集國內雙聯閥及相關資料,對其結構、工收集國外各類雙
制訂指標
作原理、工作參數、技術要求、使用說明書等進行整聯閥及其資料
理分析、試驗,并將其相關信息進行符合性確認,分析國外雙聯閥的改進參數安全雙聯閥設計與改進
定失效信息并進行危險識別,而后建立相應的故障失效信息和參數
危險識別(故障分析)
樹和故障數學模型,結合收集到的參數進行風險評
估以及安全等級劃分
故障分析
建立可靠性模型
(4)分析國內外雙聯閥的安全、穩定、可靠性方建立可靠性模型
失效風險評估
面的性能差異,以及造成差異的原因將分析所獲得失效風險評定
(可靠性預測)
的信息反饋到安全雙聯閥的設計中。
劃分安全等級
數據
可靠性試驗
(5)對改進過的安全雙聯閥進行故障分析和危
險識別,利用同類零部件的失效數據或通過可靠性
風險評定
(可靠性評定)
測定試驗所獲得的數據,對安全雙聯閥進行失效風
險評估和評定,并對安全雙聯閥進行可靠性增長試
是否達到風險
驗。在可靠性增長試驗環節,根據“機械壓力機用安
減小要求?
全雙聯閥技術條件”中的性能要求進行環境試驗和
壽命試驗。對于上述試驗暴露出來的危險性故障進
可靠性測定試驗
行分析,并建立相應的故障模型,分析其故障機理。
圖5安全雙聯閥可靠性研究步驟
針對故障以及故障原因,對安全雙聯閥進行改進設
裝備與制造技術,2010,45(1)
,以消除該故障模式或者減小該故障出現的幾【2】en692機械壓力機安全
率。
3GB27607-2011機械壓力機安全技術要求
(6)重復(4)(5)步驟,實現試驗→改進→再試[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化
驗→再改進的過程,直至達到對安全雙聯閥制定的管理委員會B/T168.1-200/503849-1:2006機械安全
可靠性指標的要求。
控制系統有關安全部件第1部分:設計通則[S
對安全雙聯閥的可靠性研究步驟如圖5所示。15]許隴云,黎慧霖劉建侯可靠性基礎及其應用M機械工業部儀
表工業局,1985
5結束語
6]崔景芝,修建生,孫法國,等閥門產品的可靠性評估方法J載人
機械壓力機用安全雙聯閥是控制壓力機動作的
航天,2011,(2)
關鍵功能部件,對其進行系統的安全可靠性研究,是7]李瑞,康銳,黨煒機械產品可靠性預計方法的比較與選
擇工程機械,2009,(5)
國內安全雙聯閥發展的需要和必要條件,以達到完
善安全雙聯閥的設計與改進,減小風險,提高產品安8]趙宇,楊軍,馬小兵可靠性數據分析教程M北京:北京航
空航天大學出版社2009
全等級的目的,為貫徹GB27607-2011“機械壓力機
安全技術條件”奠定基礎。
【參考文獻】
錢功榮壓力機用安全雙聯閥回顧及展望(一)鍛壓
 The research method of safety and reliability for safe double-valve in mechanical press
 RONG Lin', JIN Chao', ZHANG Zhengfeng'
 (1.School of Mechanical Engineering, Southeast University Nanjing 211189, Jiangsu China;
 2.Zhejiang Metalforming Machinery Group Co., Ltd., Shengzhou 312400, Zhejiang China
 Abstract: Combining the safety control technology and traditional reliability theory, the research method of
 safety and reliability for safe double-yalve in mechanical press has been introduced in the text. Each procedure in
 the implementing process has been described
 Keywords: Double valves; Safety; Reliability
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