樊運(yùn)新, 李希寧, 王 位, 張奕奕
(1 大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南株洲 412001;2 中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心, 湖南株洲412001)
以可靠性為中心的維修(Reliability centered maintenance, RCM)分析是指按照以最少的維修資源消耗保持裝備固有可靠性水平和安全性的原則,應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程。
以可靠性為中心的檢修理念,其核心是在不影響產(chǎn)品安全性、可靠性的前提下,以最經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行維修。目前,和諧型機(jī)車已經(jīng)成為了我國鐵路運(yùn)輸裝備的主力軍,隨著大批和諧型機(jī)車進(jìn)入高級(jí)修程,維修成本問題日益凸顯。軸承是機(jī)車的關(guān)鍵部件,其壽命特性對機(jī)車設(shè)計(jì)選型、檢修周期和維修方式的確定起到了非常重要的作用。
以HXD1系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車輔助風(fēng)機(jī)密封軸承為分析對象,開展RCM分析,通過邏輯決斷,確定軸承的維修工作類型。通過開展軸承加速壽命試驗(yàn),結(jié)合軸承實(shí)際運(yùn)行情況,對風(fēng)機(jī)軸承的壽命進(jìn)行探索研究,評(píng)估軸承的實(shí)際使用壽命及2年檢更換后的殘余壽命,為機(jī)車修程的進(jìn)一步優(yōu)化及后續(xù)機(jī)車的設(shè)計(jì)選型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
RCM分析程序如圖1所示。
首先確定重要功能產(chǎn)品,作為RCM的分析對象。這也是RCM的重要理念,根據(jù)故障后果確定預(yù)防性維修工作類型。將故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis, FMECA)的輸出作為RCM的輸入,通過邏輯決斷分析,選擇預(yù)防性維修工作類型,確定維修工作間隔期,提出各項(xiàng)維修工作的維修級(jí)別建議,形成預(yù)防性維修大綱。

圖1 RCM分析程序
預(yù)防性維修的關(guān)鍵是如何確定其工作類型,RCM分析技術(shù)提出了一種根據(jù)故障后果確定維修工作類型的方法,這就是邏輯決斷分析。圖2為RCM分析的邏輯決斷圖。
上述邏輯決斷圖中,將預(yù)防性維修工作細(xì)分為7種工作類型:保養(yǎng)、操作人員監(jiān)控、功能檢測、定時(shí)拆修、定期更換、使用檢查、綜合工作(指實(shí)施2種或多種類型的預(yù)防性維修工作)。
RCM邏輯決斷圖是從頂部開始,按照由上而下的流程方向選擇合適的維修工作類型。邏輯決斷圖分為2層:第1層:確定功能故障后果類型(安全性、運(yùn)營性、經(jīng)濟(jì)性);第2層:確定故障管理策略(選擇預(yù)防性工作類型)。
HXD1系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車輔助風(fēng)機(jī)包括牽引風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)和輔助變壓器柜風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)軸承選用的是免維護(hù)的深溝密封球軸承,在其壽命周期內(nèi)免維護(hù)。根據(jù)圖2的邏輯決斷圖,風(fēng)機(jī)軸承邏輯決斷分析見表1。

圖2 RCM分析的邏輯決斷圖

單元名稱功能故障模式故障原因故障影響后果評(píng)估HSEO運(yùn)營性后果O0O1O2O3O4暫定措施H4H5S5建議的維修工作類型廠家維修間隔建議維修級(jí)別建議風(fēng)機(jī)軸承支撐轉(zhuǎn)子,降低轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù),保證回轉(zhuǎn)精度異聲軸承磨損軸承燒損,機(jī)車牽引功率下降YNNYNNNNY---定期更換4a基地級(jí)
從表1可以得出,風(fēng)機(jī)軸承建議的維修工作類型為定期更換。但更換周期的確定,與軸承的壽命特性密切相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù),很難獲得實(shí)際運(yùn)行載荷下軸承的確切壽命;而由于軸承計(jì)算壽命采用的載荷條件與其現(xiàn)場使用環(huán)境之間存在較大的差異,因此也無法直接利用計(jì)算壽命數(shù)據(jù)對實(shí)際工況下的軸承壽命進(jìn)行高精度估計(jì)。在工程分析中,壽命試驗(yàn)是一種確定軸承實(shí)際使用壽命的較好方法。
開展產(chǎn)品壽命研究的方法主要分為3類:仿真分析、實(shí)際運(yùn)行、壽命試驗(yàn);壽命研究模型主要分為失效機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?種。其中,壽命試驗(yàn),特別是加速壽命試驗(yàn),由于試驗(yàn)條件相對規(guī)范、風(fēng)險(xiǎn)可控、試驗(yàn)周期較短,是目前普遍使用的壽命研究方法;統(tǒng)計(jì)學(xué)模型使用失效分布函數(shù)反映總體的失效規(guī)律,在已知產(chǎn)品的失效分布函數(shù)后,可以求出其可靠度函數(shù)、失效率函數(shù)以及表示壽命的許多特征量,且一種失效分布可以適用于具有共同失效機(jī)理的產(chǎn)品,因此,統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的應(yīng)用十分廣泛。
本次HXD1系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車風(fēng)機(jī)軸承壽命分析與研究采用的是目前工程上最為成熟和常用的基于壽命試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的壽命研究方法。對于軸承產(chǎn)品而言,壽命試驗(yàn)時(shí)間將很長,為便于快速評(píng)價(jià)軸承的壽命和可靠性,采用加速壽命試驗(yàn)方案。主要研究思路是通過對新軸承和經(jīng)過2年檢更換下來的舊軸承在相同條件下進(jìn)行恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn),對失效軸承進(jìn)行解體檢測并分析失效模式及原因,在保證失效機(jī)理不變的條件下,使用Weibull(威布爾)壽命分布模型,通過試驗(yàn)條件下獲得的數(shù)據(jù)和加速壽命模型對軸承在實(shí)際環(huán)境下的壽命特性及運(yùn)行60萬km后(原2年檢修程公里數(shù)上限)的殘余壽命進(jìn)行評(píng)估與研究。
為確定實(shí)際工況下軸承的壽命特性,并充分考慮現(xiàn)場使用環(huán)境和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)之間的區(qū)別,每種風(fēng)機(jī)軸承分別選擇新、舊兩種軸承作為試驗(yàn)樣本進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。
新軸承為未經(jīng)使用的新品軸承;舊軸承為在實(shí)際工況下運(yùn)行了2年檢周期后換下的軸承。舊軸承由于已經(jīng)包含了一部分現(xiàn)場工況信息,有助于建立試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)條件與實(shí)際工況間的對應(yīng)關(guān)系。同時(shí),為對比分析使用環(huán)境條件對軸承壽命的影響,選擇來自于廣州和洛陽兩個(gè)地區(qū)的兩組舊軸承分別進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。
參照GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承壽命與可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》的要求,同時(shí)綜合考慮到舊軸承樣本的一致性、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的質(zhì)量、以及試驗(yàn)周期和試驗(yàn)成本等問題,每一組軸承選取14套樣本,其中12套為試驗(yàn)樣本,2套為備用樣本。
為保證試驗(yàn)樣本的隨機(jī)性,樣本抽樣時(shí)的備選樣本量為樣本量的4倍,即每組軸承抽樣時(shí)準(zhǔn)備備選樣本56套,每一個(gè)備選樣本均具有清晰可辨的唯一性標(biāo)識(shí)。對于新軸承,備選樣本為符合相關(guān)質(zhì)量及性能標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品;對于舊軸承,備選樣本為已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行55~60萬km的軸承,沒有進(jìn)行預(yù)先的檢測、挑選。同時(shí),為保證試驗(yàn)樣本的典型性和一致性,采用均勻隨機(jī)抽樣的方法在備選樣本中隨機(jī)抽取所需的試驗(yàn)樣本。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),結(jié)合軸承壽命特性,采用Weibull分布作為軸承的壽命分布,加速模型如下:
式中L10為軸承的基本額定壽命,即B10壽命;β為形狀參數(shù)。
L10按下式計(jì)算:
式中N為軸承轉(zhuǎn)速;C為軸承額定動(dòng)載荷;P為軸承當(dāng)量動(dòng)載荷;ε為壽命指數(shù),球軸承時(shí),ε=3。
2.3.1試驗(yàn)方案
每組軸承的試驗(yàn)采用序貫試驗(yàn)方案,在相同試驗(yàn)條件下,當(dāng)有試驗(yàn)樣本出現(xiàn)失效時(shí),將失效樣本更換為新樣本后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)累計(jì)出現(xiàn)至少5個(gè)失效時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。
2.3.2加載方案
試驗(yàn)采用恒定應(yīng)力方式加載,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際工況確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)先選取加速應(yīng)力水平為P/C=0.38,由此可根據(jù)基本額定壽命計(jì)算公式計(jì)算得到試驗(yàn)時(shí)所需的當(dāng)量動(dòng)載荷。在正式進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)前需進(jìn)行探索試驗(yàn)并對試驗(yàn)失效軸承進(jìn)行失效分析,如果此載荷下軸承樣本失效機(jī)理較實(shí)際工況下發(fā)生變化則需降低應(yīng)力水平后再進(jìn)行試驗(yàn)。
軸承加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸中間安裝2套陪試軸承,用于提供支撐和加載所需應(yīng)力;轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩側(cè)各安裝1套試驗(yàn)樣本軸承進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前軸承需要進(jìn)行短時(shí)間的預(yù)運(yùn)行,以保證油脂在軸承中達(dá)到均勻分布,軸承運(yùn)行穩(wěn)定。
2.3.3失效判定原則
參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際工況,試驗(yàn)中有以下任一條失效發(fā)生,則判定軸承失效:
(1)軸承內(nèi)腔潤滑脂潤滑性能不良,引起軸承外圈溫度超過80℃,或軸承出現(xiàn)卡死等失效;
(2)軸承零件滾動(dòng)表面剝落失效。剝落失效的標(biāo)志為零件表面剝落面積大于0.5 mm2,深度大于0.05 mm;
(3)其他失效。如軸承任意零件損壞,使之不能正常工作;如保持架斷裂、嚴(yán)重變形;軸承散套、零件開裂等均屬失效。
現(xiàn)以牽引通風(fēng)機(jī)軸承為例,說明軸承加速壽命試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)評(píng)估方法。
根據(jù)試驗(yàn)方案及軸承基本參數(shù),試驗(yàn)所需加載的當(dāng)量動(dòng)載荷為P=24.7 kN,根據(jù)GB/T 6391-2010《滾動(dòng)軸承額定動(dòng)載荷和額定壽命》,得出試驗(yàn)所需的徑向載荷Fr=8.100 kN、軸向載荷Fa=19.388 kN;試驗(yàn)轉(zhuǎn)速參照軸承實(shí)際工況取為3 500 r/min。
經(jīng)過探索試驗(yàn),對失效樣本進(jìn)行失效模式分析后確認(rèn)失效機(jī)理與實(shí)際工況下基本一致,未發(fā)生改變,具體見3.2。因此可以按照上述試驗(yàn)載荷實(shí)施加速壽命試驗(yàn)。
新、舊軸承的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表2、表3、表4所示。
其中新軸承組最終獲得有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)10個(gè)、其中失效數(shù)據(jù)6個(gè);北方舊軸承組最終獲得有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)10個(gè)、其中失效數(shù)據(jù)5個(gè);南方舊軸承組最終獲得有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)13個(gè)、其中失效數(shù)據(jù)5個(gè)。

表2 新軸承組試驗(yàn)數(shù)據(jù) h

表3 北方舊軸承組試驗(yàn)數(shù)據(jù) h

表4 南方舊軸承組試驗(yàn)數(shù)據(jù) h
失效軸承的失效模式分析見圖3~圖8所示。

圖3 外圈滾道表面形貌

圖4 內(nèi)圈滾道剝落區(qū)表面形貌

圖5 鋼球表面形貌
3.3.1確定軸承壽命分布的形狀參數(shù)
根據(jù)GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承壽命與可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》,軸承的壽命特性服從二參數(shù)Weibull分布。首先采用標(biāo)準(zhǔn)中位秩回歸分析法對新軸承組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,得到軸承壽命分布的形狀參數(shù)β。新軸承的威布爾分布參數(shù)擬合圖如圖9所示。經(jīng)過擬合分析得到軸承壽命分布的形狀參數(shù)β=2.360。

圖6 鋼球圓度檢測結(jié)果

圖7 內(nèi)圈滾道運(yùn)轉(zhuǎn)表面處顯微組織形貌

圖8 鋼球表面顯微組織形貌

圖9 新軸承組數(shù)據(jù)的威布爾分布參數(shù)擬合圖
3.3.2舊軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估
(1) 確定舊軸承在實(shí)際工況下的運(yùn)行里程
兩組舊軸承的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如表5、表6所示:

表5 北方舊軸承組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù) km
根據(jù)加速模型,實(shí)際工況下運(yùn)行里程與試驗(yàn)條件下的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為:
式中Ttest為試驗(yàn)條件下的小時(shí)數(shù);Tfield為實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行的里程數(shù);f(Tfield)為運(yùn)行里程與軸承轉(zhuǎn)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系;k為當(dāng)量動(dòng)載荷系數(shù)。
(2)根據(jù)現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)對舊軸承試驗(yàn)結(jié)果told進(jìn)行修正,得到修正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)t'old,如圖10所示。

表6 南方舊軸承組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù) km

圖10 舊軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正方法示意
(3)對修正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)中位秩回歸分析法進(jìn)行二參數(shù)Weibull壽命分布模型的擬合,北方舊軸承的威布爾分布參數(shù)擬合圖見圖11,南方舊軸承的威布爾分布參數(shù)擬合圖見圖12。最終得到北方軸承樣本的形狀參數(shù)β=2.360,南方軸承樣本的形狀參數(shù)β=2.360。擬合得到的形狀參數(shù)β與新軸承的形狀參數(shù)相同。

圖11 北方舊軸承的威布爾分布參數(shù)擬合圖

圖12 南方舊軸承的威布爾分布參數(shù)擬合圖
修正后的該批舊軸承樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7、表8所示:

表7 修正后的北方組舊軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù) h

表8 修正后的南方組舊軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù) h
通過計(jì)算得出,北方舊軸承樣本在試驗(yàn)條件下的基本額定壽命為L10=163 669 6 h;加速壽命試驗(yàn)的加速系數(shù)為KTest~Field=3 751.009 9,即軸承在試驗(yàn)條件下運(yùn)行1 h 大約相當(dāng)于在實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行3 751 km;通過折算可知北方軸承在使用條件下的壽命為L10=613 926 km。
同理,可以得到南方舊軸承樣本在試驗(yàn)條件下的基本額定壽命為L10=215.000 1 h;加速壽命試驗(yàn)的加速系數(shù)為KTest~Field=3 036.847 8,即軸承在試驗(yàn)條件下運(yùn)行1 h 大約相當(dāng)于在實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行3 036 km;通過折算可知南方軸承在使用條件下的壽命為L10=652 923 km。
3.3.3確定實(shí)際工況下軸承壽命特性
試驗(yàn)軸承在實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的壽命特性曲線如圖13~圖16所示。

圖13 在北方實(shí)際工況下軸承的失效率曲線

圖14 在南方實(shí)際工況下軸承的失效率曲線

圖15 在北方實(shí)際工況下軸承的可靠度曲線
從圖13~圖16可以看出,軸承的失效率隨著運(yùn)行里程的增加不斷上升,失效率上升的速度開始時(shí)較慢,隨著運(yùn)行里程的增加,失效率上升的速度也逐漸加快;可靠度隨著運(yùn)行里程的增加不斷下降,下降速度逐漸加快。

圖16 在南方實(shí)際工況下軸承的可靠度曲線
(1)由于在實(shí)際工作環(huán)境下無法對軸承進(jìn)行嚴(yán)格的性能監(jiān)測、對軸承的失效檢測也是破壞性的。因此相比較實(shí)際運(yùn)用中對軸承失效的判別方式而言,本次加速壽命試驗(yàn)中對于軸承的失效判別準(zhǔn)則較實(shí)際工作情況下略為嚴(yán)格。這將導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果偏向保守,即可靠性指標(biāo)相對于實(shí)際運(yùn)用情況將偏低。
(2)由于加速壽命試驗(yàn)采用的是利用加速條件下的試驗(yàn)結(jié)果外推實(shí)際環(huán)境下的特性指標(biāo),而軸承的實(shí)際工作環(huán)境下應(yīng)力水平較試驗(yàn)條件要低,因此會(huì)導(dǎo)致外推結(jié)果的誤差范圍也隨之變大,對本課題研究得出的結(jié)論的準(zhǔn)確性可能會(huì)受到一定的影響。
(1)根據(jù)3類軸承的壽命試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果,3類軸承在北方、南方實(shí)際環(huán)境下的B10壽命、60萬km的可靠度以及對應(yīng)60萬km的剩余壽命見表9所示。
(2)分析表9的數(shù)據(jù)可知,3類軸承的殘余壽命均達(dá)不到下一個(gè)相同修程的要求。
(3)輔助變壓器柜風(fēng)機(jī)軸承和牽引風(fēng)機(jī)軸承應(yīng)用于南方環(huán)境時(shí)壽命略優(yōu)于北方環(huán)境,但總體而言差異不大,說明機(jī)車運(yùn)行環(huán)境溫度條件的差異對于這兩類軸承壽命影響不大。
(4)冷卻塔風(fēng)機(jī)軸承應(yīng)用于北方環(huán)境時(shí)壽命評(píng)估結(jié)果要大于南方環(huán)境,這有可能是由于北方環(huán)境溫度偏低,因此在北方環(huán)境下冷卻塔風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速和時(shí)間要小于南方環(huán)境,而我們在評(píng)估時(shí)是將機(jī)車運(yùn)行里程等同于風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間造成的。對此可以在后續(xù)工作中收集相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

表9 實(shí)際環(huán)境下60萬km的可靠度及其剩余壽命
研究首次使用產(chǎn)品壽命試驗(yàn)與產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合的壽命評(píng)估方法,將使用后的產(chǎn)品與新品進(jìn)行試驗(yàn)對比分析,縮短了壽命試驗(yàn)的時(shí)間,提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性,為后續(xù)類似部件壽命可靠性等基礎(chǔ)研究工作的開展提供了參考。
課題研究結(jié)果表明,2年檢更換軸承的殘余壽命雖無法保證運(yùn)行到下一個(gè)同級(jí)修程,但為機(jī)車檢修周期的設(shè)置和優(yōu)化、以及后續(xù)機(jī)車的設(shè)計(jì)選型提供了數(shù)據(jù)支撐,對后續(xù)降低機(jī)車檢修成本、優(yōu)化機(jī)車檢修周期及檢修范圍提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該課題雖僅針對HXD1系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車風(fēng)機(jī)軸承開展壽命研究,但其研究成果及壽命評(píng)估方法為其他軌道交通產(chǎn)品的壽命研究起到了借鑒、參考作用。通過本課題研究,可以看出機(jī)車關(guān)鍵部件的實(shí)際使用壽命對于以可靠性中心的維修(RCM)實(shí)施,對于優(yōu)化維修策略和預(yù)防性維修大綱、提升維修管理水平、提高機(jī)車維修效率、降低維修成本等方面有著重大的影響,是建立和優(yōu)化機(jī)車修程修制的行之有效的科學(xué)方法。結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料和試驗(yàn)結(jié)果,通過關(guān)鍵部件壽命特性分析來確定維修周期和級(jí)別,使維修工作更有針對性和有效性,更科學(xué)合理和經(jīng)濟(jì)。
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