基于模糊可靠性故障樹分析船用齒輪箱的失效型式

摘要：船用齒輪箱故障不僅會導致船舶失去動力，且船用齒輪箱作為船舶的傳動裝置，還將會造成難以估計的經濟損失，采用故障樹對齒輪箱進行全面的可靠性分析，找出船用齒輪箱的失效型式，正確評價產品的可靠性，才可以提高船用齒輪箱的承載能力。

關鍵詞：故障樹分析；模糊可靠性；失效型式；船用齒輪箱

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0009-02

本文主要針對船用齒輪箱，分析齒輪箱結構型式，建立基于模糊可靠性故障樹分析模型，利用蒙特卡洛算法在傳統故障樹分析基礎上進行封裝，并使用VC++、MAT-LAB混合編程，仿真船用齒輪箱系統，以分析船用齒輪箱的失效型式。

1 基于模糊可靠性故障樹分析的優勢

在船用齒輪箱失效型式分析中，應用基于模糊可靠性故障樹對其進行分析，較傳統故障樹分析方法中的工作及故障狀態，深化產品的工作狀態，能夠對產品可靠性作出正確的評價。在船用齒輪箱失效型式分析中，應用基于模糊可靠性故障樹分析方法，可以降低獲取事件發生概率準確值的難度，用精確值表示事件發生概率，不再是傳統的不二向量分析方法，可以運用貝葉斯網絡模型，以此來描述船用齒輪箱系統內各部件間相互的關系，并得出系統可靠性指標，驗證模型有效性；還可以運用模糊理論，分析船用齒輪箱可靠性，在給定統一失效概率計算方法的前提下，從而得出齒輪箱的可靠性參數；同時也能夠采用蒙特卡羅方法來編制一定的計算機程序，統計出可靠性參數，繪制相關參數曲線，提高船用齒輪箱失效分析的效率，提升船用齒輪箱的可靠性。

2 構建齒輪箱故障樹

2.1 故障樹中的事件

船用齒輪箱故障樹構建中，應該以不能正常工作齒輪箱來作為頂事件，然后再通過分析、研究齒輪箱故障原因，找出引起齒輪箱失效各級底事件，之后可以將其簡歸納，形成故障樹。在故障樹中，對于故障樹頂事件中主要可以包括由離合器打滑、潤滑系統失效、關鍵部件失效組成；故障樹中間事件中主要包括摩擦片失效、工作油孔堵塞、油質不合格以及油溫過高、軸承失效、軸斷裂等事件組成；故障樹底事件主要可包括安裝精度低、軸承裝配不好、齒距偏差、機械磨損、疲勞失效、箱體鑄造缺陷、塑性變形、腐蝕、軸加工精度不高等事件組成。

2.2 定性、定量分析故障樹

故障樹分析中，應用數字仿真技術，對其進行定性及定量分析。在定性分析中，其主要任務就是找出產生頂事件的所有故障模式，并求故障樹全部最小割集。對故障樹進行定量分析，其目的就是利用故障樹來當做計算模型，當已知底事件發生概率時，從而可以計算出頂事件發生的概率，因此可以對整個船用齒輪箱系統的可靠性及風險性作出有效評估，確定船用齒輪箱的失效型式，改進船用齒輪箱制造技術，提升船用齒輪箱生產質量。

3 齒輪箱的可靠性仿真分析

3.1 算法介紹

在基于模糊可靠性故障樹分析船用齒輪箱的可靠性分析中，應用統計模擬方法，以概率統計理論作為基礎，引入隨機數建立模擬模型，通過仿真實現對隨機概率的統計。且仿真次數越多，則結果越精確，算法原理就是，針對已知狀態的變量概率分布，應用蒙特卡羅模擬法可以產生符合該狀態的變量分布隨機數，從而可以代入狀態函數，計算出對于狀態函數的隨機數，之后可以根據分布函數抽樣公式，計算函數抽樣的壽命。

3.2 建立仿真模型

在基于模糊可靠性故障樹的船用齒輪箱仿真模型建立中，可以設整個系統是S，該事件中包含的n個事件z的集合為S={z1，z2，…，zi…，zn}。對每一個船用齒輪箱事件，其失效發生概率的分布函數都應該符合一定統計規律，針對底事件概率密度函數與特征參數，可以設底事件在某時刻的狀態，可用二項分布來表示其分布規律，為：

xi（t）=

那么底事件的發生概率就是隨機事件的期望值。

3.3 仿真實現

應用VC++語言開發計算機仿真程序，實現人機交互界面，處理齒輪箱系統分析的最小割集邏輯，對相關底事件的失效函數參數進行缺省處理；自動更新失效函數，利用C++中的srand（）函數獲取隨機數，得到事件抽樣公式，并將最小壽命值的對應事件失效狀態代入故障樹中，得出失效邏輯關系式，依次進行，直到仿真結束。

4 船用齒輪箱失效型式

應用基于模糊可靠性故障樹分析之后，針對操作人員、零件材料及試驗數據等多方原因，分析船用齒輪箱的失效型式，對于事件的重要度進行分析，得出輪齒折斷、齒面磨損、齒面膠合、齒面點蝕這些事件，引起系統失效次數比重較大，得出船用齒輪箱發生失效的視角中主要包括輪齒折斷失效、齒面磨損失效、齒面點蝕失效以及齒面膠合失效這四個方面的因素，因此針對齒輪箱薄弱環節可靠度參數進行優化設計，應用模糊故障樹理論，提升船舶傳動系統的可靠性，必須對這些易失效部件進行重視。故此，在船用齒輪箱設計中，應該提升輪齒性能，避免斷齒產生；并且在齒面設計中，采用閉式傳動，提高船用齒輪箱齒面的光潔度，并做好對其表面的潤滑、防磨損措施，避免齒面間發生磨粒性磨損，提高船舶傳動系統質量；船用齒輪箱設計中，還應該避免齒面點蝕的發生，計算出齒面接觸疲勞強度，提高齒面硬度與光潔度；對于在高速重載傳動中的船舶傳動系統，也應該做好齒面膠合設計，避免膠合破壞的產生，降低船用齒輪箱失效事故的發生。

5 結語

綜上所述，在船舶建造行業中，為提高船舶傳動系統的可靠性及齒輪箱的可靠性，對船用齒輪箱進行失效分析中，可以建立基于模糊可靠性的故障樹，并能夠根據用戶及工程技術人員提供的模糊信息，并根據模糊故障樹理論分析船用齒輪箱的模糊可靠性，以便找到不同置信水平中發生船用齒輪箱故障的概率區間，降低船用齒輪箱發生失效事故的幾率。

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作者簡介：李振男（1978—），男，浙江杭州人，杭州前進馬森船舶傳動有限公司工程師，研究方向：船用齒輪箱、可調螺旋槳。