一种基于航空电动球阀脉冲试验故障的仿真分析及故障根本原因分析研究

程贵生  张玮  

鹤壁汽车工程职业学院  458030

摘要：进行根本原因分析是解决故障的关键过程。针对一种电动球阀的脉冲试验故障，本文利用ANSYS软件进行静强度及疲劳强度仿真分析，排除了产品在强度方面可能存在的隐患；同时利用5W1H根本原因分析法以及故障报告分析及纠正措施系统（简称：FRACAS）的分析方法，对造成故障的因素进行排查分析，提出了故障解决措施，为新产品研制的最终成功提供了保证。

关键词：电动球阀, ANSYS, 故障分析及纠正措施系统（FRACAS）, 四要素（DIVE）,根本原因, 5W1H

The Simulating Analysis and the Research of the Root Cause Analysis Based on the Failure of a kind of DC/Motor Driven Ball Valves for Aviation

Cheng Guisheng  Zhang Wei  

Hebi Automotive Engineering Professional College

Abstract: Processing the root cause analysis is a critical tache of solving malfunction. Regard to a testing fault of a kind of DC/Motor driven ball valve for aviation, using ANSYS software to analyses the static strength and fatigue stress simulating analysis, removal of the potential fault at strength aspect. And utilizing 5W1H methods of root cause analysis and FRACAS, troubleshooting any factor of creating the failure, provide the actions for the failure, and make assurance for the final success of development of the new products.

Key Words: DC-Motored Ball Valve, ANSYS, FRACAS (Failure Report Analysis and Corrective Action System), DIVE, Root Cause, 5W1H

1. 前言

试验是用于验证产品设计的有效方法。而能否对试验过程中出现的故障进行科学分析、能否找到产生故障的根本原因是事关问题真正解决的关键。严格根本原因分析（Relentless Root Cause Analysis）^[1]在国外是工业生产中不可或缺的环节，它贯穿于工业研发生产的全过程，与我国工厂现行的FRACAS系统相近，其应用目前在我国航空、汽车等行业的制造研发体系中正日益广泛。本文以一种航空电动球阀在脉冲试验过程中的故障现象为事例，利用ANSYS软件对产品进行仿真分析，排除设计缺陷；再利用鱼刺图，引入5W1H的分析方法，就故障发生的机理，从人、机、料、法、环、测等六个环节，对故障根本原因进行分析研究，从产品设计直至试验验证，从原材料到加工直至转运等细节进行排除，提供一种全过程故障分析方法，为新品研制过程中可能发生的故障进行根本原因分析提供参考。

2. 电动球阀的作用、结构组成及工作原理

某电动球阀是用于某飞机液压系统，用于液压油路压力过高或发动机短舱着火时，切断液压系统油路，防止火势蔓延。

该球阀是一种由电机驱动球形活门在不同位置切换，实现其打开和关闭功能的二位二通阀。其结构原理见图1.

其工作原理如下：

图1显示为球阀处于打开位置示意图。该产品是由阀体组件和电动机构两部分组成，两者通过卡箍联接安装在一起。其工作原理为：一旦发动机舱或液压油路出现火险时，给电动机构通入18VDC～32.2VDC的直流电，电动机构带动球形活门旋转90°C，球形活门关闭；火险解除后，再给电动机构通入18VDC～32.2VDC的直流电，电动机构反向旋转，球形活门打开。

1-壳体；2-碟形弹簧；3-球形活门；4-密封环组件；5-密封圈；6-进口管嘴

图1：产品结构原理图

3.  5W1H及根本原因分析方法概述

3.1  5W1H定义

5W1H是指WHAT、WHERE、WHEN、WHO、WHY和HOW。5W1H涵盖了发生的事故、发生的时间和地点、相关人员，发生的原因及解决措施等。

3.2  根本原因分析方法

根本原因是指当故障或失败流程解决后，防止问题再次发生的基本要素。“根本原因”必须是可控因素而非不可抗力。根本原因分析是指严格查找导致一个过程或产品失效或缺陷最根本的工具，用于帮助调查过程失效问题产生的最根本原因。根本原因分析需要把握4个关键要素DIVE：D： 定义问题；I:调查问题；V:查证根本问题；E:确保形成一个预防错误的解决方案并加以实施。在进行根本原因分析前，建立因果关系图，对4个关键要素梳理，找出其中最重要的影响因素，定位根本原因。

4. 电动球阀脉冲试验要求及故障描述

试验要求：该电动球阀按要求需要以60次/分的频率进行50万次的压力脉冲循环。压力脉冲波形按SAE ARP 1383, Ⅱ类——供压腔脉冲波形^[2]，每个循环定义为：进口压力从0.1MPa到1.72MPa再回到0.1MPa为一个循环，脉冲波形按图2。

故障描述：球阀组件在完成10万次脉冲循环试验期间发生外部泄漏；目视检查后发现，阀体的进口管嘴法兰周边产生塑性变形，其连接螺栓弯曲。

图2 供油腔的脉冲波形                             

5. 电动球阀的故障根本原因分析

5.1  根本原因分析^[3]

（1）问题定义

首先对球阀脉冲试验开始前已完成的试验情况进行调查：脉冲试验前，试验件合格完成了ATP并经受了介质浸泡、高温耐压试验。试验后检查试验件，无变形及扭曲现象。可以确认试验件变形故障是在脉冲试验过程中产生的。

（2）问题调查

采用FRACAS系统^[4]，查找故障原因，通常采用绘制鱼刺图，从人、机、料、法、环、测等6个因素入手进行分析。针对防火切断阀脉冲试验变形故障，绘制鱼刺图见图3：

图3  鱼刺图

（3）查证根本问题

（a）利用ANSYS软件对变形零件进行静强度及疲劳强度仿真分析：

变形零件材料为2024-T351。复核变形零件设计图纸，零件无应力集中区存在。利用ANSYS软件对产品变形零件分别进行在3.45MPa及10MPa压力工况下的应力仿真分析。分析结果分别见图4及图5。

变形零件在耐压压力3.45MPa、高温135℃静态工况下安全系数为8.4，.其应力分布图谱见分析结果图4（最大应力39MPa）。在10MPa静压压力工况时，其最大应力为109.57MPa（应力图谱见图5）。从分析结果显示，在压力为3.45MPa及10MPa工况时，均不足以使管嘴变形。（材料在135℃工况时的屈服应力328MPa^[5]）

图4  在3.45MPa耐压压力下的应力分布             图5 在10MPa压力时的应力分布图

为了进一步确认产品故障是否与超出规定脉冲峰值压力下的疲劳寿命有关，通过ANSYS软件对产品在脉冲峰值压力为1.72MPa工况时的疲劳寿命进行了分析，分析的寿命图谱见图6。分析结果显示：在不考虑其它因素的前提下，其耐受疲劳寿命可达到10⁸次，远超出5×10⁵次的要求。

图6  在1.72MPa脉冲峰值压力下的疲劳寿命分析

通过以上分析，首先可排除因设计存在缺陷产生的强度故障问题。

（b）物料问题复查

按采购批次复查原材料化验清单、材料合格证、复验记录，原材料整个采购过程受控；

从（a）条的应力分析可以判断：选用材料能够满足产品在规定工况下的静强度及疲劳静度需求；

分解检查故障件变形零件，无细小疲劳裂纹或断裂现象，可以判断：零件故障是因超压而非由疲劳应力产生。

（c）人员因素排查

所有试验操作员均通过了定期培训，具备上岗资格并获资格证；

（d）试验方法及操作排查

对比产品脉冲试验程序与SAE ARP 1383B相关内容，两者规定方法一致，不存在程序不适用问题；

核查试验台原理及操作规程，发现脉冲试验台设有高压和低压溢流回路，可分别用于进行高压脉冲和低压脉冲试验，其中高压脉冲最高压力可达26MPa。在低压溢流回路装有调节阀，进行高压脉冲试验时，关闭调节阀；进行低压脉冲试验时，打开低压溢流回路上的调节阀（见图7）。

复查试验台操作规程，对高压和低压试验的操作无具体说明。进行低压脉冲试验，如果调节阀处于关闭状态，被试产品进口压力存在超压风险（可达26MPa或更高），会造成受试产品的损坏。

与试验操作员确认，试验过程中未进行试验台调节阀操作。

                           图7  脉冲试验台原理图

（e）试验仪表检查

球阀脉冲试验循环从0.1MPa升至1.72MPa再回到0.1MPa为一个循环，采用压力传感器量程为3MPa。为了复现试验工况，首先打开调节阀，利用低压溢流回路调节脉冲波形，利用示波器指示数据与计算机采集压力波形进行对比，发现示波器上压力波形与计算机显示波形不一致（见图8和图9），示波器显示压力明显大于计算机显示波形压力值。

图8  示波器采集波形                  图9  3MPa计算机波形（带低通滤波回路）

检查试验台采集电路，发现电路中设有一低通滤波回路，滤除了压力尖峰，导致计算机波形失真。

去除低通滤波回路后，计算机波形见图10。

图10中的波形显示，实际压力值超出了压力传感器量程3MPa。更换量程为10MPa的压力传感器（计算机采集波形见图11），显示试验压力峰值接近8MPa。

（f）试验设备检查

球阀试验要求的脉冲波形为方波。取消低通滤波回路后，真实的压力波形为尖波，不满足试验程序要求。复查试验台原理，试验台是通过蓄压器吸收由于系统中液流速度急剧变化产生的冲击压力来消除压力尖峰，由于脉冲试验台用于试验从低压1.72MPa到高压26MPa的产品，一个蓄压器无法有效覆盖如此大范围压力回路中的压力冲击，产生了图中显示的压力尖峰^[6]。

图10 3MPa量程计算机波形(不带低通滤波回路)    图11 10MPa量程计算机波形（不带低通滤波回路）

基于以上分析及故障现象，零件变形故障的根本原因是因试验台操作规程规定不明确，造成操作人员误操作；试验台蓄压器不能有效吸收压力回路中的压力峰值，而低通滤波回路造成计算机未能显示压力真实值，从而造成产品因超压变形。

5.2  纠正措施

依据以上的根本原因分析，采取了以下纠正措施：

(a) 去除采集系统中的低通滤波回路，保证计算机显示真实的压力波形；

(b) 完善试验台操作说明书：明确试验高、低压压力范围；规范、细化脉冲试验操作；规定进行低压脉冲试验时，确保首先打开调节阀；

(c) 

考虑到脉冲试验压力循环是一个快速变化的静压循环环路，无流量变化，在受试产品进口的试验台管路中，增加节流孔作为节流阀，利用旁路溢流阀与节流阀相互补偿，保持到达受试件的压力稳定，同时补偿蓄压器因不同脉冲压力需求的限制^[7]。（增加节流孔后的压力波形见图12）

          图12  增加节流孔后的波形（示波器及计算机波形）

6. 结论

脉冲试验是用于考核产品的疲劳强度及寿命的试验，试验成功与否以及能否正确分析试验故障，对产品研制的成本、节点以及能否最终成功起着至关重要的作用。本文通过对一种某商用飞机液压系统电动球阀的脉冲试验故障进行分析，找出了故障的根本原因，进行了仿真确认，并针对性地提出改进措施。目前针对该故障的纠正措施贯彻实施后，已成功完成500,000次脉冲试验，为飞机的取证飞行试验提供了保障。通过本文对一种故障的分析，揭示故障分析是一项系统性的工作，涉及产品研制过程中的所有环节，切不可孤立地看问题。

参考文献

[1]  IAQG9136《Root Cause Analysis and Problem Solving》 International Aerospace Quality Group 2011年11月

[2]  SAE ARP 1383 Rev. C Aerospace-Impulse Testing of Hydraulic Components 2013年4月

[3]  丁志新 林风琦 《实施故障报告分析措施系统FRACAS的八个步骤》[J]《家电科技》2006年第3期

[4]  杨为民等 《可靠性，维修性，保障性总论》 [M] 国防工业出版社  1995年

[5]  MMPDS-05 Metallic Materials Properties Development and Standardization [M] Metallic Materials design data acceptable to Government procuring or certification agencies.

[6]  李培滋 王占林 《飞机液压传动与伺服控制》 [M] 国防工业出版社  1978年8月

[7]  李壮云等 《液压元件与系统》[M] 机械工业出版社  2008年1月