徐贝贝， 邱春辉， 孟少朋
（1.中国机械科学研究总院集团有限公司， 北京 100044；
2.中机生产力促进中心有限公司， 北京 100044）
产品的“可靠性”是指在规定的工况下和时间内实现产品功能的能力。
阀门的可靠性是评价其质量的重要指标之一，特别是在核电、军工、航空等领域，可靠性对于整个系统的经济性、稳定性及安全性具有极其突出的影响。经济性方面， 阀门的可靠性将直接影响系统后续的运维成本；
稳定性和安全性方面，阀门中的某一部件，甚至密封发生故障，都有可能导致系统发生严重的后果。
因此，在阀门设计阶段关注其可靠性， 对其进行可靠性分配研究，对于提高整个大型设备系统稳定性和安全性、降低运维成本具有重要意义。
闸阀整体由阀体组件、阀盖组件、支架组件、轴承箱、驱动装置五部分组成（如图1），其中驱动部分采用电动驱动装置。阀体和盖之间采用法兰连接，密封形式为冷冻密封，阀体与阀盖采用锻焊结构，闸板与阀座采用锻造结构，密封副间堆焊硬质合金。
图1 某类闸阀结构图
闸阀以DN300/DN150 规格为例，其功能是以液态流体为介质， 并实现对介质的截断、疏通控制功能。
内泄量指标：DN150≤12（气泡/分）、DN300≤20 （气泡/分）。
外泄量指标：为零。
无故障动作次数：连续无故障动作不少于1000 次，且在此范围内阀的内泄量和外泄量性能指标无降低。
壳体承压部件设计寿命：≥40 年。
启闭时间：DN300 闸阀≤20s。
阻力损失系数：DN150、DN300 闸阀≤0.2，DN300调节阀≤6.5。
调节精度：≤10%。
可靠性、维修性和安全性指标要求：平均故障周期≥1000 个循环， 安全使用寿命≥40 年， 平均故障修复时间≤40h。
3.1 闸阀的可靠性分配原则
（1）由于产品的组成单元越多，结构越复杂，就越难达到所需的可靠性，研发成本也越高。
因此，越复杂的设备、分系统，其可靠性指标分配应越低。
（2）产品的某项技术不成熟时，应分配较低的可靠性指标。较高的可靠性要求不但会增加研发成本，还会延长产品的研发时间。
（3）当产品使用于恶劣的环境条件时，会大幅增加产品的故障率，因此应分配较低的可靠性指标。
（4）当产品处于长期的高负荷工况时，产品的可靠性会因工作时间的增加而下降，因此应分配较低的可靠性指标。
（5） 当产品应用于重要程度高、 危险系数大的部位时， 产品发生故障会造成很大的经济损失和危害人身安全，因此需分配较高的可靠性指标。
（6）结合应用实际，还应考虑其他一些因素，如保障性、维修性等。
3.2 可靠性分配前的层次拆分
根据闸阀的结构组成，可将其分为闸板、阀体组件、阀盖组件、导向管组件、阀杆、紧固件、阀杆密封、轴承箱、电装及支架组件10 个主要部件。
其功能描述如表1。
表1 闸阀主要部件功能描述
由表1 可以看出， 各部件在功能实现方面为串联模型，可根据这一模型对各部件进行可靠性指标分配。可靠性分配前的层次拆分见图2。
图2 闸阀的层次拆分
3.3 可靠性分配方法
由于该产品还处于初始的方案设计阶段， 目前还没有同型号产品和相似产品的应用及故障信息数据作为对照，因此该产品的可靠性分配方法采用评分分配法。
评分分配法公式如下：
式中：λi*—分配给第i 个单元的故障率（“*”代表分配值，以下同）；
Ci—分配系数；
λS*—规定的故障率分配指标。
3.4 可靠性分配实施步骤
3.4.1 确定评分因素，并建立评分准则
采用评分分配法时应考虑产品的技术成熟程度、复杂程度、环境条件及工作时间等因素，并在此基础上根据系统特点对评分因素进行增减。
针对评分因素建立评分准则，确定各因素的评分范围和标准，并对分值分档进行必要说明，可靠性越差则分值越高，从而为专家评分提供依据。
（1）技术成熟程度。根据产品的技术成熟程度及应用情况进行评分。
表2 为根据技术成熟程度建立的一种评分准则。
表2 技术成熟程度因素评分准则
（2）复杂程度。
根据产品的结构复杂程度、零部件数量、装配难易程度等进行评分。
（3）环境备件。
根据产品的工作环境条件进行评分。
（4）工作时间。根据产品在系统中的工作时间进行评分。
表3 为根据工作时间因素建立起的一种评分准则。
表3 工作时间因素评分准则
3.4.2 各因素评分
由专家对所有因素进行评分，并代入式（2）计算平均分Sij：
式中：Sij—第i 个单元产品， 第j 个因素的平均得分；
m—打分专家数量tij（l）；
—第个专家给第i 个单元产品， 第j个因素的打分。
（其中i=1，…，n；
j=1，…，k；
l=1，…，m）。
3.4.3 评分分配系数Ci 的计算
使用下式计算每个单元产品评分数：
式中：Si—第i 个单元产品评分数；
k—影响因素个数；
Sij—第i 个单元产品，第j 个因素的平均得分。
使用下式计算Ci：
式中：Ci—第i 个单元产品的评分分配系数；
n—单元产品数量；
Si—第i 个单元产品评分数。
3.4.4 分配结果计算
将Ci代入式（1）计算出分配结果。
3.4.5 计算结果的处理
将分配得到的故障率λi*求倒数得到MTBF*，并对结果进行圆整化，验算可靠性指标是否满足要求。
3.5 闸阀可靠性分配过程
由闸阀可靠性、维修性和安全性指标要求得知，连续无故障动作不少于1000 次，即：MTBF=1000 个循环，但在可靠性分配环节中只对闸阀的主要部件进行了统计，因此需对MTBF 值增加150%的裕量， 即MTBF*=2500 个循环。
采用评分分配法对闸阀可靠性进行分配，并由专家对各影响因素进行评分（本次由15 位专家组成），计算出平均分，评分结果如表4。
表4 闸阀各部件影响因素评分结果
3.6 可靠性分配结果
使用公式计算得到总评分、分配系数、分配结果，并计算MBTF*以及进行结果圆整化， 验算可靠性指标是否满足，结果见表5。
表5 闸阀分配结果表
对分配结果进行计算得到：λS*=0.4E-05，MTBF*=2500次>1000 次，分配结果能够满足分配目标。
根据表5 可以看出，MTBF 指标分配较低的部件分别为阀体组件、导向管组件和阀盖组件，因此在今后的设计过程中需对其重点关注。
为了预防薄弱环节故障模式的出现，建议在产品的设计中采取以下措施：①提高部件的强度裕量，增强安全性；
②对部分部件在使用前进行相关试验，增强设备使用可靠性；
③对材料进行复验，确保所用材料符合标准及订货要求。