DOE方法在減壓閥調壓穩定性優化中的應用

摘要：在減壓閥的設計中，需要平衡很多零部件的設計來達到綜合性能最優，在碰到具體的單一指標需要提高時，CAE等技術就不能起到很好的優化作用。現將實驗設計（DOE）技術作為常規研發工具、研發技術的輔助應用，幫助優化減壓閥調壓穩定性，實現綜合性能最優化。

關鍵詞：實驗設計（DOE）;調壓穩定性;減壓閥

0? ? 引言

減壓閥是工業自動化系統的重要組成部分，也是化工行業、發電站、長輸管線、造船工業、核電工業、各種低溫工程、宇航以及深海采油等國民經濟各部門不可缺少的流體控制設備[1]。

減壓閥主要具有工藝管道介質如物料、水、蒸汽、空氣和油品等相關流體介質的節流、調壓等功能。減壓閥主要用于控制后端壓力或流量，確保壓力、流量滿足下游需求，隨著應用的要求越來越精密，對產品設計精度的要求也在提高，需要運用定量分析等更精確的工具去優化產品的設計。

1? ? 需要解決的問題

減壓閥從產品類型上主要分為直接作用式減壓閥（圖1）和先導式減壓閥（圖2）。本案例TG系列減壓閥是一款緊湊、輕便的高純度單級直接作用減壓閥，適用于小于10 SCFM/283 SLPM的特種氣和工業氣體流量控制，主要應用在實驗室等精確控制領域，需要具有靈敏的調壓能力、較長的使用壽命，良好的保證氣體純度和完整性的密封能力;此外，友好的用戶交互及選型設計使其可以使用于更廣泛的應用場景。

減壓閥產品由閥體、閥口、彈簧箱、調節螺母、彈簧、膜片等元件組成，當下游壓力下降時，橡膠膜片感應到下游壓力變化，在主壓縮彈簧的作用下將壓力變化轉化成位移信號，閥芯組件向下運動，打開閥口，上游氣體通過閥口補給到下游設備，維持設備的正常運轉。當下游需求降低，閥后壓力升高至減壓閥彈簧預先設定的壓力時，作用在膜片下方的壓力克服主彈簧阻力，帶動閥芯組件向上運動，閥塞在閥芯彈簧的作用下也向上運動，關閉閥口，切斷管路，停止補給。

對于減壓閥的性能好壞，除了關注壓力特性和流量特性等主要性能之外，通常我們還特別關注其動態特性以及穩定性，如當閥門在開啟狀態小流量時的波動，壓力振幅大小、穩定時間，去程和回程之間的遲滯大小以及相應時間的長短等[2]。

在研發TG系列減壓閥過程中，其壓力特性和流量特性在實驗室測試中均有良好的表現，但其存在的線性調壓不穩定的問題一直困擾著研發人員。具體表現為：產品從0開始做調壓測試，要求可以線性調壓，但是到138 kPa（20 psi）的時候，產品突然會有0～14 kPa（0～2 psi）的壓力躍升，不能達到線性調壓的要求[線性調壓要求壓力躍升不能超過3.4 kPa（0.5 psi）]。

按照西安航天動力研究所的尤裕榮和曾維亮針對逆向卸荷式氣體減壓閥建立狀態空間模型的研究，得出了影響減壓閥穩定性的主要因素有阻尼和低壓腔體積。同時提出了改善減壓閥穩定性的措施，如減小阻尼孔面積或增設阻尼腔;增加運動部件的黏性摩擦阻尼;或者增大低壓腔體積，使氣流在低壓容腔內的緩沖作用加大，增大減壓閥抗外界干擾的能力。考慮到線性調壓不穩定的問題只出現在138 kPa（20 psi）區間，對閥座角度、節流孔圓角、連接頭角度做如圖3所示參數優化。

2? ? 實驗設計

實驗設計（DOE）是一種安排實驗和分析實驗數據的數理統計方法，其主要對實驗進行合理安排，以較小的實驗規模（實驗次數）、較短的實驗周期以及較低的實驗成本獲得理想的實驗結果和正確的結論[3]。

DOE試驗步驟主要分為計劃階段、實施實驗、分析數據和結果總結四步，如圖4所示。

根據此流程圖，設定實驗目標為：調壓器調到138 kPa（20 psi）的時候，壓力躍升不能超過3.4 kPa（0.5 psi）。對識別出的影響因子閥座角度、節流孔圓角、連接頭角度進行設定，完成影響因子水平表（表1）。

運用Minitab進行正交實驗設計，選擇三因子兩水平全因子實驗設計模式，得到正交實驗設計表，總共11次實驗，包含了三次中心點實驗。按照實驗安排，進行實驗室實驗（圖5），記錄數值填入表2。最后運用Minitab軟件對數據進行分析，考慮單因子及其二階交互作用的影響，建立擬合模型，優化設計參數。

用DOE軟件對表2的正交實驗表進行分析，選定擬合模型如表3所示。閥座角度與節流孔角度的P值均小于0.05，說明這兩個因子對響應具有顯著影響。結合因子效應的正態圖（圖6）和因子效應的Pareto圖（圖7），可以確定對減壓閥調壓不穩定問題的關鍵影響因素為閥座角度和節流孔圓角。

然后，對模型進行優化。運用主效應圖（圖8）對因子的水平進行確定。試驗期望得到的結果是望小值，壓差越小越好。在優化過程中，只對主效應因子進行分析，從主效應圖中可以得出閥座角度取60°，節流孔取0.6時，響應可以最小。另外，主效應因子的交互響應圖（圖9）中無相交線，兩個因子沒有交互影響。

根據此分析，可以設定三因素的水平分別如下：閥座角度60°，節流孔圓角0.6，連接頭角度無顯著影響，可以按照一般尺寸設定為45°。

采用改進之后確認的參數進行加工、測試。經過5組、每組10次的測試，138 kPa（20 psi）下壓差值都在3.4 kPa（0.5 psi）之內，達到了優化的目的。

3? ? 結語

DOE在減壓閥設計中的應用是非常靈活方便的，在實際應用中，其能解決設計中的參數設定問題，并達到產品期望的性能目標，為提高減壓閥的控制精度做出貢獻，對以后的產品設計提供指導性建議。

[參考文獻]

[1] 張勤.氮封減壓閥穩定性分析及優化設計[D].上海：上海交通大學，2015.

[2] 尤裕榮，曾維亮.氣體減壓閥的穩定性分析[J].火箭推進，2009，35（5）：34-38.

[3] 馬逢時，周暐，劉傳冰.六西格瑪管理統計指南——MINITAB使用指導[M].2版.北京：中國人民大學出版社，2013.

收稿日期：2020-05-18

作者簡介：蔣宏業（1983—），男，內蒙古包頭人，工程師，主要從事運營管理、項目管理工作。