可靠性思維在風(fēng)電橡膠減振部件設(shè)計中的運(yùn)用

劉軍 劉亞慶 劉斐 岳濤 魏川朋

[摘? ? 要] 通過某型風(fēng)電減振產(chǎn)品的可靠性優(yōu)化設(shè)計實例，闡述可靠性設(shè)計建模、預(yù)計和分配的關(guān)系，以及產(chǎn)品設(shè)計的可靠性建模、分配和預(yù)計的基本方法、步驟以及應(yīng)該遵循的原則，利用可靠性工具對風(fēng)電減振產(chǎn)品可靠性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計和分配，提升產(chǎn)品的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性等性能。

[關(guān)鍵詞] 風(fēng)力發(fā)電;減振部件;可靠性

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 061

[中圖分類號] F273? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）15- 0143- 04

0? ? ? 引? ? 言

可靠性包含可靠性（Reliability）、可用性（Availability），可維護(hù)性（Maintainability）和安全性（Safety），簡稱RAMS，起源于20世紀(jì)70年代[1]。20世紀(jì)從80年代歐洲將其引入軌道交通行業(yè)起，國外在該行業(yè)運(yùn)用RAMS管理已取得良好成效。風(fēng)機(jī)功率的提升對橡膠減振元件產(chǎn)品使用的全生命周期可靠性要求同步提升。為解決此問題，在風(fēng)電減振部件設(shè)計中系統(tǒng)導(dǎo)入可靠性分析技術(shù)，找出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，以保證系統(tǒng)預(yù)定的可靠性要求，降低產(chǎn)品成本及使用風(fēng)險。

可靠性設(shè)計過程通常遵循簡單化、模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)聯(lián)設(shè)計、減額定設(shè)計、可測試性設(shè)計等原則，以某型風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)為例，展開如下工作。

1? ? ? 風(fēng)電減振部件RAMS分析

1.1? ?系統(tǒng)、部件分解分級

某型風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)以組對預(yù)壓縮的形式安裝于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱兩側(cè)，承受齒輪箱扭轉(zhuǎn)載荷，起減振、緩沖作用。為便于后續(xù)功能、故障分析以及可靠性預(yù)計、分配，可靠性設(shè)計過程將系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)，如表1所示。

1.2? ?構(gòu)建系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)功能框圖，是對系統(tǒng)各層次功能進(jìn)行靜態(tài)分析的基礎(chǔ)，描述系統(tǒng)的功能和各子功能之間的相互關(guān)系，以及系統(tǒng)的信息流程[2]。從齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)的歷史應(yīng)用數(shù)據(jù)分析可知，本次結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要集中在液體復(fù)合彈簧子系統(tǒng)中。風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

1.3? ?可靠性模型框圖

可靠性框圖給出各單元的故障或他們的組合如何導(dǎo)致產(chǎn)品故障的邏輯關(guān)系[2]。根據(jù)功能圖分析，風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)各功能單元與任務(wù)有關(guān)的主要子系統(tǒng)由上下金屬橡膠復(fù)合主簧、橡膠套、底板、堵頭開關(guān)、引油帽、高壓軟管和緊固螺栓組成。各功能單元相互不能替代，為串聯(lián)模型。考慮到底板、堵頭開關(guān)、引油帽三個部件的功能存在交叉包容，將三個子系統(tǒng)合并為一個子系統(tǒng)整體考慮（如圖2所示）。

經(jīng)過分析，風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)的壽命近似服從指數(shù)分布。同時，根據(jù)歷史設(shè)計經(jīng)驗，我們采用指數(shù)分布模型進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配。串聯(lián)模型通過所有子系統(tǒng)故障率的總和計算得到系統(tǒng)的故障率λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5。

1.4? ?故障模式與影響分析

根據(jù) GJB 1391-2006 嚴(yán)酷度類別、故障模式概率的定義及等級劃分，以相似產(chǎn)品在過去使用中發(fā)生的故障模式為基礎(chǔ)，依據(jù)風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)的功能框圖、可靠性框圖模型、使用的環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析、預(yù)測，分析判斷其可能存在的故障模式，制定、實施相應(yīng)的風(fēng)險糾正措施，如表2所示。

2? ? ? 可靠性分配與預(yù)計

工程實踐中常用的可靠性分配方法有：評分分配法、比例分配法、拉格朗日分配法、重要復(fù)雜度分配法、動態(tài)規(guī)劃法和直接尋査法等[3]。考慮到此次的風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)與歷史開發(fā)的齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)很相似，且只是對其提出了新的可靠性要求，為此，風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)的可靠性分配方法采用專家評分法比較符合實際（公式1）。

λi新=Ci*λs新

式中：λs新——新系統(tǒng)的故障率;λi新——分配給新系統(tǒng)中第i個單元的故障率;Ci——分配給新系統(tǒng)中第i個單元的評分系數(shù)。

液體復(fù)合彈簧的可靠性由產(chǎn)品的失效率λ作為指標(biāo)，各部件的可靠性分配采用評分分配方法。通過產(chǎn)品質(zhì)量問題數(shù)據(jù)平臺的故障數(shù)據(jù)分析、計算，可得歷史型號液體復(fù)合彈簧產(chǎn)品的總失效率為71.34。預(yù)留分配安全余量為10%，即可分配的總失效率為64.206 FIT。評分分配考慮的因素通常包括：組成產(chǎn)品的各單元的復(fù)雜度、技術(shù)成熟度、重要度、工作時間和環(huán)境條件。工程應(yīng)用中可根據(jù)產(chǎn)品特點，增加或減少評分因素。每種因素的分值定義為 1～10 之間。評分分配結(jié)果如表3～表7所示。

根據(jù)可靠性模型，計算該系統(tǒng)的失效率為

λ=26.291+13.460+18.172+0+0=58.553<71.34

因此，根據(jù)可靠性預(yù)測，液體復(fù)合彈簧能夠滿足要求。

3? ? ? 故障樹分析

將液體復(fù)合彈簧故障作為頂層事件，分析所有可能導(dǎo)致產(chǎn)品故障的原因，本例不考慮客戶原因?qū)е碌漠a(chǎn)品故障。

3.1? ?故障樹建立

故障樹及其說明分別如圖3、表9所示。

3.2? ?故障樹分析

由于暫時無法獲得每個基本事件發(fā)生的概率，因此故障樹分析以定性分析為主。根據(jù)以上故障樹分析，導(dǎo)致系統(tǒng)故障的最小割集共有7個。從導(dǎo)致頂層事件發(fā)生的可能性來看，七個底層事件重要度相同。但是從導(dǎo)致頂層事件的嚴(yán)重度來看，X1、X3、X5、X6的重要度要高于X2、X4、X7 。

根據(jù)以上分析結(jié)果，7個底層事件任意一個發(fā)生都可能導(dǎo)致液體復(fù)合彈簧故障;底層事件X1、X2、X5、X6的重要度要高于X3、X4、X7。在設(shè)計校核時已采取措施規(guī)避7個底層事件的發(fā)生。組成液體復(fù)合彈簧的5個零部件重要度排序為：主簧>開關(guān)底板>橡膠套>高壓軟管>內(nèi)六角圓柱螺栓。

4? ? ? 可靠性試驗驗證

完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后進(jìn)行產(chǎn)品試制，隨機(jī)抽取2組產(chǎn)品進(jìn)行組裝疲勞試驗，疲勞試驗時，旁邊增加軸向載荷，在200萬次強(qiáng)化疲勞試驗后均完好，無產(chǎn)品開裂、液體泄漏情況，滿足壽命和使用要求。同時抽取了2組產(chǎn)品進(jìn)行了96小時極限加載試驗及偏轉(zhuǎn)試驗，拆卸24小時后產(chǎn)品橡膠厚度變形量僅為0.05mm，且無產(chǎn)品開裂、液體泄漏情況。

5? ? ? 結(jié)? ? 語

通過系統(tǒng)地對風(fēng)電齒輪箱彈性支撐系統(tǒng)開展可靠性設(shè)計，應(yīng)用失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計表、故障樹分析、可靠性試驗及可靠性預(yù)計等RAMS工具，分析、計算客戶所要求的產(chǎn)品可靠性水平，分析產(chǎn)品的失效類型，可以清晰地了解與識別影響產(chǎn)品的安全性與可靠性的故障及關(guān)鍵零部件，找岀產(chǎn)品可靠性的瓶頸與薄弱項（點），對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及驗證，提升產(chǎn)品的可靠性。

主要參考文獻(xiàn)

[1]CENELEC.EN 50126：1999 Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）[S].1999.

[2]李良巧. 可靠性工程師手冊[M].北京：中國人民大學(xué)出版社， 2012.

[3]董錫明. 軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009.