断电保护式压力机用安全控制双联阀

荣 日方，李厚伦，荣 琳

（1.无锡市拓发自控设备有限公司，江苏 无锡 214161；2.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189）

断电保护式压力机用安全控制双联阀

荣 日方1，李厚伦1，荣 琳2

（1.无锡市拓发自控设备有限公司，江苏 无锡 214161；2.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189）

通过对国内外双联阀技术水平、品质及市场的分析，进一步探讨了断电保护式压力机用安全控制双联阀研发的方向以及研发过程中在可靠性工程技术等方面应注意的问题。

机械制造；双联阀；压力机；研发；综述

1 引言

随着欧标692“机械压力机安全”在国内机械压力机制造行业逐步的推广和应用，以及新国标“机械压力机安全技术条件”的发布，最大限度地减少机械压力机对人身伤害的问题已提到新的高度。欧标692 第 5.2.4.9～5.2.4.13、5.4.2.3、5.4.9 条例对双联阀的设计、结构以及主要功能均作出了严格的规定。目前，国外许多锻压机械及其功能部件制造厂商通过标准、相关专利、知识产权已有效构筑了技术壁垒，严重地影响了国内机械压力机及其关键功能部件的技术发展。因此，开展国内外双联阀相关技术的研究，研发具有自主知识产权的优质、高性能、高安全可靠性的断电保护式压力机用安全控制双联阀，已成为国内压力机控制技术发展的当务之急。

2 作用与功能

控制机械压力机动作的关键功能部件有人脑般的电气控制装置和心脏般的双联阀及摩擦离合器。其中，双联阀的作用是接收压力机电气控制装置发出的电信号后，接通或关闭压缩空气，控制离合器、制动器动作，实现对离合器工作的冗余控制，并对自身每个动作状态进行动态监测，实现安全保护功能（图 1）。

3 现状

3.1 产品市场现状分析（图2）

目前，国内对双联阀的年需求量为30000余台。国内企业生产量少于5000台，其中自行研发约为3000台，其余为仿制产品。缺口的25000台全是外资及国外品牌产品，分别为ROSS、NORGRENHERION、日本TACO、日本丰兴、台湾TOPAIR等的产品。

3.2 国内外上市双联阀的结构特征

（1）ROSS双联阀结构特征

由单式阀构成的交叉流双联阀（国内专利号：ZL200410085513.3）外形见图3a,内部结构见图3b。

（2）NORGREN-HERION、台湾 TOPAIR 双联阀结构特征

双十字交叉流结构双联阀，国内专利号不详，其外形见图4a，内部结构见图4b。

（3）日本TACO、日本丰兴及国内已上市的双联阀结构特征

平行流双联阀，无国内专利。其外形见图5a、b，内部结构见图5c。

3.3 国外双联阀技术壁垒的形成及目标

3.3.1 技术壁垒的形成

国外品牌双联阀通过研发获得产品的核心技术（产品相关的专有技术、加工工艺、加工过程中的技术诀窍、知识产权、专利、注册商标等），在制订相关的行业标准和法规（欧标692等）的基础上构筑技术壁垒（图6）。如在欧标692第5.4.2.3条例中对机械压力机用双联阀的冗余控制技术、自监视技术作了强制性的规定。

部分外国公司（如ROSS）在中国已申请了专利，如果国内产品要达到上述要求，若处理不当就有可能侵权。NORGREN-HERION公司的双十字交叉流双联阀，由于国内现有制造技术与其相比还有差距，目前很难实现规模化生产，因此,该产品不需要在国内申请专利同样也形成了相应的技术壁垒。

3.3.2 国外品牌双联阀实现的目标

国外品牌双联阀已通过产品研发和制订相关的标准，在国际市场上有效构筑了技术壁垒，通过品牌推广已经实现了占领双联阀大部分市场的目标。目前，锻压行业在逐步推广欧标692或贯彻与欧标692相似的新国标——“机械压力机安全技术条件”，但是市场上的国产双联阀是不符合欧标692要求的，如果不加速研发符合欧标692且具有自主知识产权的双联阀，将直接危及国内锻压机床行业发展的前景。

3.3.3 欧标692双联阀技术强制性规定

如果需要拥有冗余技术和自监视技术的离合器/制动器控制系统，该系统必须符合下列要求：

①压力机或者必须规定使用至少两个单独的阀，或者一个双电磁阀，这些（或这个）阀直接控制离合器和制动器的动力介质，或者在另一种驱动方式的情况下实施等值的解决方法。

②阀电磁圈必须通过分线与控制电路连接，使布线中的一个单项故障不致于导致两个电磁阀失控。

③必须保证自动排查安全阀连接之间（例如两电磁铁之间或电磁铁与自监视部件之间）的短路，并保证不导致附加的或意外的滑块运动。

④只要在阀监视装置上需要传感器来识别阀的换向状态的话，而这些传感器必须是阀的整体组成部分，双阀本身在设计上可采用自监视技术，以便自动显示（由于工作障碍引起的）阀故障。

⑤自监视必须是动态地进行和每次循环至少进行一次，必须在一个或两阀出现一种故障的情况下保证脱开离合器和操作制动器。

⑥只允许使用工具才能使压力机重新开始下一次作业，例如：使用工具、钥匙或电子反映令。

3.4 国外品牌双联阀关键技术

①安全技术性能

动态监测—对双联阀每个动作过程进行监测。冗余控制—双联阀动作（包括监测）实现冗余控制。安全保护—故障压力衰减：双联阀中的单个阀出故障后其输出口压力衰减至离合器驱动压力之下；使用安全消音器：确保双联阀中单个阀出故障后的压力衰减；顺序失效技术：双联阀达到预定寿命后其关键零、部件实现顺序失效，即让不产生危险故障的零、部件首先失效。

②技术性能

长寿命—国外双联阀耐久性已高达2000万次，其实现的基础为产品零部件品质的高稳定性和高可靠性。

③关键零、部件高品质

阀体、阀座等零部件采用铝型材或铝真空压铸，使双联阀毛坯质量有一个较大提高。运动零部件采用高性能工程塑料（如低缩率、高强度的聚甲醛），使双联阀换向动作灵敏、可靠，同时减少了双联阀对外部供油润滑的依赖。双联阀阀口密封采用高性能橡胶密封件，确保双联阀零部件能实现顺序失效，从而提高了双联阀安全可靠性，同时也减少了双联阀产生危险故障的概率。

④成套化应用技术

国外双联阀不但自身的技术、品质水平高，而且与其相关的边缘成套应用技术也达到了一个很高的水平，像起重要安全保护作用的安全消音器；起动态失效监控作用的压力开关；起失效显示作用的压力平衡模块；起保护离合器的缓启、缓停阀；起分离式离合器制动器动作联锁作用的延迟装置、压力机专用的有限可编集成电器（如SIEMENS的逻辑控制器LOGO等）。这些部件、产品的相关技术都已成熟，使得双联阀的应用有了很好的周边环境。

3.5 国产双联阀与外资及国外品牌双联阀关键基础技术差异

（1）安全可靠性技术

目前国内还没有对双联阀及其工作体系进行安全可靠性技术的研究；没有可靠性技术对双联阀的研发、生产和应用进行有效管理；产品研发时，没有对双联阀及其工作体系的安全可靠性进行系统的测评；设计产品时，没有对双联阀每个零部件失效模式进行安全评估；制订产品技术标准时，没有对双联阀及其工作体系的安全可靠性进行规范；没有建立合理的双联阀及其工作体系出现危险故障的故障树；没有对双联阀可靠性试验及其方法进行有效的规范，更没有可靠性试验；没有收集双联阀及其工作体系出现危险故障资料并对其产生原因分析；没有对双联阀出现危险故障概率进行有效的研究并提供有效的防范措施。

（2）动态流场分析技术

多年来，国内外双联阀，在工作中出现危险故障的时段占工作始末时段的10%。危险故障主要有两类：一是双联阀及其工作体系同时出现故障，如控制双联阀两条电气回路同时不复位、双联阀的两个主阀阀芯或两个先导阀芯同时被轧死造成双联阀连车现象；另一则是双联阀工作时出现各路相通的情况。因此，对双联阀及其被控体系工作时的内部动态流场分析十分重要。通过动态流场分析后，ROSS公司将原丁腈橡胶Y型密封改为O型密封，HERION公司则使用了安全消音器（图7）。

（3）成套及相关的边缘技术

HERION公司通过对双联阀的成套及相关边缘技术的研发，在提高双联阀的工作体系安全可靠性的同时也提高了双联阀自身的可靠性。公司产品控制模式见图8，目前国内没有对其进行系统的技术研发。

3.6 国产双联阀与外资及国外品牌双联阀产品差异

（1）安全技术性能

图8 HERION公司产品控制模式

动态监测—对双联阀每个动作过程不进行监测；冗余控制—双联阀动作没有完全实现冗余控制，也没有对双联阀的监测实现冗余控制；安全保护—已实现故障压力衰减。

（2）技术性能

寿命只有500万次（现有标准）；品质受供应链的影响，产品的稳定性和可靠性变数较大；还未将双联阀配套的安全消音器放入相关的强制标准中执行。

（3）关键零部件高品质要求

阀体、阀座等零部件只能采用重力铸造；工程塑料缩率变化多，成形强度不稳定；橡胶密封件（不能确保双联阀能顺序失效）；还未将双联阀关键零部件的品质要求放入相关的标准中执行。

3.7 国内双联阀最新研发动态

2007年～2008年无锡市拓发自控设备有限公司研发了压力机用安全控制双联阀，产品外形及原理见图9a，产品内部结构见图9b，鉴定结论认为：该项目研发的压力机用安全控制双联阀，利用压力机输出给双联阀控制电信号与双联阀输出气压信号间形成的“异—或”逻辑关系，将双联阀、二位三通常开电磁阀、气—电压力信号转换器、检测控制驱动电路集成一体，实现双联阀的闭环监控。在确保双联阀原有功能的基础上，又实现了二个阀芯同时故障情况下的安全功能。通过对压力机用安全控制双联阀的可靠性研究，该阀的可靠性显著提高。样机经“机械工业气动元件产品质量监督检测中心”检验，符合企业技术文件规定的要求，经用户使用，效果良好。该产品可显著提高压力机的安全性，具有广阔的市场前景和显著的社会效益。鉴定委员会专家一致认为，该压力机用安全控制双联阀填补了国内空白，达到国际同类产品的先进水平。

产品缺陷：排气流量偏小；单排气流道，若消音器阻塞同样影响产品及其应用体系的安全性；安全阀为二位三通常开电磁阀，若在得电状态下排空同样也对产品及其应用体系的安全性有影响。

2008年08月至今，无锡拓发重新研发更新的断电保护式安全控制双联阀，已经在国内压力机生产中得到广泛应用。

4 断电保护式压力用安全控制双联阀

4.1 设计思想

利用机械压力机输出给双联阀的控制电信号与双联阀输出的气压信号形成的“异或”逻辑关系，将双联阀、二位二通常开电磁阀（即安全阀）、气—电压力信号转换器、检测控制驱动电路集成为一体，实现了对双联阀的冗余动态闭环监控。在确保双联阀原有功能的基础上，实现了两个阀芯同时发生故障情况下的安全功能。工作原理见图10。原理样机图形符号、外形见图11a。原理样机内部结构见图11b。

4.2 关键技术及应对措施

（1）关键技术

利用“异或”逻辑关系设置断电保护式安全控制双联阀的安全控制装置；断电保护式安全控制双联阀及其被控的动态流场的分析技术；断电保护式安全控制双联阀安全可靠性技术；高性能密封技术。

（2）应对措施

利用压力机输出给双联阀的控制电信号与双联阀输出的气压信号形成的“异或”逻辑关系，将双联阀、二位二通常开电磁阀（俗称安全阀）、气—电压力信号转换器、检测控制驱动电路集成为一体，实现双联阀闭环监控。在确保双联阀原有功能的基础上，又实现了二个阀芯同时故障情况下的安全功能，达到了大大提高双联阀的安全可靠性的目的。

建立各类传统双联阀和项目产品及其系统的流体数学模型，并用FLUENT进行CFD（计算机流体动力学Computational Fluid Dynamics）流场分析后，得出采用截止式（国外亦称提动式）结构的国内外传统双联阀在阀换向的瞬间存在着各路相通现象的结论。如果双联阀受到外来的影响（如与其相配套的消音器阻塞、阀进气口堵塞）必将产生常态各路相通现象，使双联阀产生危险性故障，严重时危及人身安全。而本产品一旦出现常态路通现象时将立即驱动安全阀，从而有效避免产品产生危险性故障。

在建立断电保护式安全控制双联阀机（机械）电（电子或电气）模型的同时，建立传统双联阀和项目产品的危险故障树，并用数理统计的方法，对两种不同类型的双联阀在工作时产生危险故障的概率进行试验、研究和分析。然后用计算机仿真技术和数据库统计技术（Relex Studio 2008）进行校验，模拟压力机实际工况，在实验室（或在压力机工作现场）对两种不同类型双联阀的安全可靠性进行验证。为传统双联阀存在的设计缺陷和断电保护式安全控制双联阀研发、推广提供理论依据、基础的同时，通过对项目产品的安全可靠性研究，在产品的关键零部件实现顺序失效技术。即不会使产品产生危险故障的关键零部件首先失效，从而确保产品只产生安全性故障，不产生危险性故障，以达到提高产品安全可靠性的目的。

目前国产橡胶密封件与国外产品有着很大的差异，双联阀关键部位密封件的品质直接关系到双联阀的安全可靠性，对双联阀的密封技术进行研究很重要，长期高可靠性、耐高温密封技术、顺序失效密封技术的相关方案还在不断试验中。

（3）关键基础技术高性能密封技术合理应用；产品出厂检测方法及标准。

（4）工艺问题

真空压铸；关键部位加工精度的保证和检测；流道间相贯小孔内部的毛剌清除；产品表面处理。

（5）实现的功能

动态监测，对产品每个动作过程监测；冗余控制，对产品动作实现冗余控制；闭环控制，当产品产生故障后实现冗余闭环控制；安全保护，当产品中两个阀同时出故障后仍然起安全保护作用。

（6）实现功能后达到的水平

所研发的断电保护式压力机用安全控制双联阀经PCT国际检索认为具备新颖性、创造性和工业使用性。

（7）实现功能后达到的技术指标

故障压力衰减≤0.04MPa；耐久性指标达到2000～3000万次；平均安全无故障时间大于6000万小时。

断电保护式压力机用安全控制双联阀可靠性、安全可靠性技术研究和试验的流程见图12。

（8）建立可靠性、安全可靠性故障树模型

建立并研究断电保护式压力机用安全控制双联阀的可靠性、安全可靠性的故障树模型，运用计算机仿真技术和数据库统计技术（Relex Studio 2008），进行校验寻找设计缺陷，并改进设计、改善制造工艺。

（9）制订可靠性、安全可靠性试验和考核方法及标准

模拟压力机的各种实际恶劣工况，制订断电保护式压力机用安全控制双联阀的可靠性、安全可靠性试验（实验室和现场）和考核方法及标准。

（10）建立可靠性、安全可靠性试验检测装置的软硬件模型

根据断电保护式压力机用安全控制双联阀可靠性、安全可靠性试验和考核方法及标准，建立可靠性、安全可靠性试验检测装置的软硬件模型。

（11）制造可靠性、安全可靠性试验检测装置

根据断电保护式压力机用安全控制双联阀可靠性、安全可靠性试验检测装置的软硬件模型，制造断电保护式压力机用安全控制双联阀可靠性、安全可靠性试验检测装置。

（12）可靠性、安全可靠性试验

根据断电保护式压力机用安全控制双联阀可靠性、安全可靠性试验和考核方法及标准，分别对其在实验室和压力机工作现场进行项目产品的可靠性、安全可靠性试验。

（13）数据分析、优化设计、改进工艺、加强管理

对在断电保护式压力机用安全控制双联阀可靠性、安全可靠性试验中获得的相关数据进行分析比对，优化其工程设计，改进制造工艺，加强项目产品的质量管理。

（14）建立断电保护式压力机用安全控制双联阀严格的设计规范

将可靠性、安全可靠性技术和思想贯穿于断电保护式压力机用安全控制双联阀设计的全过程；将企业成功的设计方案、结构、材质编制成企业通用标准《设计方案、结构、材质手册》；在断电保护式压力机用安全控制双联阀设计初期进行广泛的市场调研，收集各类资料，进行分析、统计。科学地吸收国内外一切合理、可靠、先进的设计方案、结构、材质，严禁采用可能产生灾难性后果的设计、原材料及零部件；在断电保护式压力机用安全控制双联阀设计前预定各类安全、技术指标；在断电保护式压力机用安全控制双联阀设计过程中严格遵守国家、行业的相关的法令、法规和标准；断电保护式压力机用安全控制双联阀遵循原理样品设计、工程化设计和产品定型设计三个阶段，在每个设计阶段必须组织各类专家、技术顾问参与设计的评审工作；断电保护式压力机用安全控制双联阀完成原理样品设计后，运用计算机仿真技术和数据库统计技术（Relex Studio 2008）对其进行校验，寻找设计缺陷，改进设计；在断电保护式压力机用安全控制双联阀完成定型设计前应进行严格的实验室、现场可靠性考核，并根据考核结果进行定型设计，完成该产品的技术标准的制定；断电保护式压力机用安全控制双联阀上市前，需进行市级或市级以上的技术鉴定。

（15）更新企业制造文化，科学地建立断电保护式压力机用安全控制双联阀严格的工艺规范

建立健全产品的制造质量保证体系，不断地更新企业制造文化，定期对企业员工进行各种技术、质量培训，养成良好、文明的生产习惯；不断更新企业的通用加工、装配工艺规程，制订关键零部件的品质标准；制订关键零部件的制造工艺守则（关键工序加工应由数控设备或自动化设备完成，避免人为因素的影响，严禁使用可能产生灾难性后果的制造工艺）；制订产品零部件加工和装配工艺规程（工艺卡、工序卡、各类作业指导书、设备、工装、量具定期维护保养记录卡、工艺纪律执行检查卡）；建立产品制造工艺的评审制度，严禁使用不合理、不科学、不能长期稳定保证产品质量的制造工艺；定期进行工艺纪律检查，对设备、工装、量具检查并对其进行定期维护保养，严禁使用不合格或有可能造成产品安全隐患的设备、工装、量具；根据相关产品标准对出厂产品进行全项检查，并将检查结果纪录在案，严禁不合格、有安全隐患的产品出厂；定期对出厂的产品抽样检测，进行各项试验（包括可靠性及安全可靠性试验），以便及时发现产品质量隐患，避免给用户、社会带来损失。

（16）断电保护式压力机用安全控制双联阀的社会效益

断电保护式压力机用安全控制双联阀从根本上攻克了双联阀两个阀同时出故障后造成的危险性故障的技术难关，各项性能指标已经达到国际先进水平。

因此，继续对其展开更加深入的研发有着如下的社会效益：在相同条件下，断电保护式压力机用安全控制双联阀的安全可靠性与现有国内外双联阀相比有显著的提高，从而达到了“显著提高压力机的安全性、大幅度减少人身伤害事故”的目标；断电保护式压力机用安全控制双联阀的推广和应用将显著提升国内压力机的安全技术水平，同时打破国外双联阀制造商对国内技术、市场的垄断局面；断电保护式压力机用安全控制双联阀通过知识产权和相关标准，有效地构筑了双联阀及压力机的技术壁垒；断电保护式压力机用安全控制双联阀通过在欧盟、日本、印度、巴西等国申请国际专利，为具有自主知识产权的双联阀及压力机走向国际市场奠定基础；断电保护式压力机用安全控制双联阀研发所涉及的基础理论和可靠性工程技术（可靠性设计、可靠性试验、可靠性管理）对国内开发其他普通、专业气动换向阀有着前瞻、指导性意义。

（17）断电保护式压力机用安全控制双联阀的经济效益

目前国内的机械压力机年产量约7万台，其中用双联阀控制摩擦离合器式的压力机年产量约为3万台，社会保有量约为100万台，它们所用的双联阀主要由美国的ROSS公司和日本的TACO、丰兴公司生产。2009年国内企业生产约5000台双联阀配套国内压力机制造企业，占市场需求的15%，除本公司外目前国内尚无其他具有自主知识产权的双联阀与国内主要压力机生产企业相配套。推广优质、高可靠性的断电保护式压力机用安全控制双联阀，将给企业和社会带来良好经济效益。

5 结束语

本研发团队的相关人员参与了国内上世纪80年代第一代双联阀的研发工作，亲身经历了国产双联阀产业的兴衰，目睹了国产双联阀产业发展道路的艰辛。本着“敬天爱人”和“利他精神”的经营理念，本企业将生产国际上最先进、最安全、最可靠的双联阀作为我们最崇高的奋斗目标。多年来，在各位领导、广大锻压行业的同行等对本公司的关怀、信任和帮助下我们一路走来，并能一步一步地接近目标，对此深表感谢。

[1]荣 日方.双联阀在压力机上的应用[J].锻压机械，1992，27（5）:15-18.

[2]钱 功，荣 日方.压力机用安全双联阀回顾及展望[J].锻压技术与装备 2010，35（1）:25-28，35（2）:21-25.

[3]NROGRON—HERION PSV安全双联阀（样本）2009-7-23.

[4]ROSS公司上海联络处.ROSS双联阀——用户的安全卫士[J].液压与气动，2003（10）:58-59.

[5]郭志坚，潘兆庆，等.可靠性工程技术[M].机械电子工业部科技司，机电部机械科学研究院1990.

[6]Xiang Jianwen,Futatsugi Kokichi，He Yanxiang.Fault tree and formal methods in system safety analysis[J].Computer and Information Technology，2004，24（2）:1108-1115.

Safety-control double-valve for power-off-protection press

RONG Fang1，LI Houlun1，RONG Lin2
（1.Wuxi Tuofa Self-control Equipment Company，Wuxi 214161，Jiangsu China;2.School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，Jiangsu China）

By analysis of technology level，quality and market of double-valve at home and abroad，the research&development direction of safety-control double-valve for power-off-protection press has been discussed in the text as well as the problems on reliable engineering technology which should be focused on during the processing.

Double-valve；Press；Research and development；Overview

TG315.5

A

1672－0121(2011)06－0010－07

2011－09－05

荣 日方，男，总经理，从事双联阀等的研发设计、生产