冲击载荷作用下的DN80型燃气电磁阀动态可靠性分析＊

2021-05-07张克军刘建飞李明昊

南方农机 2021年8期

张克军，刘建飞，李明昊

（1.辽宁机电职业技术学院黄海汽车工程学院，辽宁丹东 118009；2.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159）

燃气电磁阀对燃气系统的影响至关重要，其可靠性直接关系着燃气系统的可靠性，如果其动态可靠性不足，对燃气系统安全性是重大的安全隐患，因此对其进行动态可靠性分析是必要的。章炳法等对汽车发动机的燃气电磁阀进行设计，并采用可调和缓冲结构，保证了使用精度，延长了使用寿命，提高了可靠性[1]。陈雪勇等对燃气电磁阀的关键零件芯轴进行了可靠性分析，提出了改进措施，提高了可靠性[2-3]。龙智睿等对ESD阀进行了可靠性分析并优化，使其反应更加快速灵敏，提高了系统的可靠性[4]。基于文献调研可知，燃气电磁阀的动态可靠性分析鲜有报道，本文对冲击载荷作用下的DN80型燃气电磁阀进行分析，建立燃气电磁阀的三维模型，结合动态可靠性分析理论，得到其动态可靠度。

1 理论背景

1.1 数理统计基础

在机械工程领域的可靠性分析中，数理统计是必要的环节，选取合适的数理统计方法可以得到更加接近实际的分析结果。数理统计方法一般有二项分布、泊松分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布、指数分布等，在动态可靠性分析中常用正态分布进行统计，如果对疲劳寿命可靠性进行分析，可以选用对数正态分布和威布尔分布，而指数分析常用于电子元器件的可靠性分析中。本文依据分析对象和分析目标，选取正态分布，其概率密度函数为：

需要注意的是，随着科技和能力的提升，正态分布的均值和方差均有所降低，但是依然是符合正态分布的。

1.2 有限元法理论

利用有限元法进行结构分析时首先将结构离散化，再选择恰当的位移函数模拟结构的位移分布，形成有限单元的刚度矩阵K(e)和单元节点的等效载荷矩阵，最后形成总体刚度矩阵，然后对有限元基本方程K·d=f进行解算即可得到单元上各节点的位移。单元载荷矩阵中的面载荷在电磁阀分析中较为常用，位于边界上的某一单元，面上存在均布的面力时，单元面力载荷矩阵可表示为：

2 冲击载荷作用下燃气电磁阀有限元分析

2.1 燃气电磁阀有限元模型的建立

三维建模软件种类繁多，较常用的有PRO/E、UG和SOLIDWORKS，本文选取UG进行建模，然后选取实体模型，另存为x-t格式。利用WORKBENCH的几何处理模块进行导入，对其进行设定单元类型，网格单元类型的选定，网格划分。因为ANSYS WORKBENCH的建模能力较弱，对于以下曲面模型的建立操作较为复杂，所以选取UG建模，为x-t格式无损导入的方式建立电磁阀的三维模型，可以提高分析的准确性[5]，DN80电磁阀的有限元模型如图1所示。

图1 DN80电磁阀有限元模型

2.2 冲击载荷作用下燃气电磁阀有限元分析

在进行有限元分析之前，需要设定燃气电磁阀的约束，燃气电磁阀的约束是决定可靠性分析结果重要的影响部分，法兰是连接电磁阀的重要环节，所以在燃气电磁阀的法兰连接处设定固定约束（FIXED），燃气电磁阀的内表面加载动态分析载荷。动态分析载荷采用正态分布的形式，均值为0.6MPa，变差系数取0.05，加载到电磁阀的内表面，并对其进行求解，得到等效应力和变形云图和最大值位置分别如图2、图3所示。

图2 电磁阀等效应力云图

图3 电磁阀变形云图

由图2、图3可知，基于冲击载荷的燃气电磁阀最大等效应力为67.877MPa，安全系数为3.02，燃气电磁阀变形最大值为0.216 63mm。

3 基于正态分布的DN80型燃气电磁阀动态可靠性分析

动态可靠性分析是基于动态载荷的分析，一般的可靠性分析难以表达动态冲击载荷作用下的规律，随着载荷多次反复作用和环境因素的影响，机械零部件的强度是随着服役时间的增加而延长，其性能参数呈退化趋势，如果性能参数退化到一定程度，机械零部件不能满足工作条件的需要，发生失效，所以在一般可靠性分析结果之上需要进一步进行动态可靠性分析。剩余强度是机械零部件动态可靠性分析关键环节，其定义为机械零部件经过载荷的n次作用[6]，其承受载荷的能力的数学表达式为：