機械傳動齒輪失效模式分析

曾雪蓮

(福建船政交通職業學院 汽車學院,福建 福州 350007)

失效模式及影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)是一種挖掘潛在風險,進行風險評估,對風險優先定級的邏輯分析方法[1],也是當前產品開發過程重要的可靠性分析技術[2].通過評估預測產品在設計、制造和使用過程中潛在的失效模式,分析失效的原因和后果,并采取相應的措施,以避免或減少失效風險,提高產品的可靠性.常見的FMEA有4種類型,分別是系統FMEA(主要考慮系統缺陷引起的潛在故障模式)、設計FMEA(主要考慮設計缺陷引起的潛在故障模式)、過程FMEA(主要考慮生產或裝配缺陷引起的潛在故障模式)和服務FMEA(主要考慮服務過程缺陷引起的潛在故障模式).在產品設計過程中,FMEA根據潛在失效模式對“顧客”的影響進行排序列表,建立一套改進設計和開發的優先控制系統,從而提高產品的可靠性.FMEA的作業內容包括[3]失效模式分析、潛在失效后果分析、嚴重度分析、失效原因分析、發生度分析、難檢度分析和改正措施7項內容,其工作流程如圖1所示.

圖1 FMEA流程

1 齒輪失效故障樹

故障樹分析就是在產品設計過程中,分析可能造成產品或事件失效的各個因素,畫出故障樹圖,確定產品或事件失效的原因及概率[4].建立故障樹時,通常把最不希望發生的事件,即齒輪失效作為頂事件(T1),并置于故障樹第一行.找出導致T1發生的各因素作為中間事件,并以此類推,找出引起齒輪失效且不能或不需分解的原因作為底事件.如圖2建立齒輪失效故障樹,作為頂事件的齒輪失效主要由以下幾個因素引起[5]:齒面耗損(A)、膠合(B)、永久變形(C)、齒面疲勞(D)、裂紋(E)和輪齒折斷(F).表1是齒輪失效的底事件代號及底事件對應關系.

表1 齒輪失效故障樹中各代號對應的底事件

圖2 齒輪失效故障樹

假設各個事件的失效率滿足指數分布,則

F(i)=1-e-λit,

(1)

式中i為齒輪失效的某一個割集,F(i)為割集i引起的事件失效率,λi為割集i引起的故障率,t為齒輪連續工作時間.

那么齒輪系統的平均壽命MTBF為

(2)

由式(1)可得齒輪系統的故障率

P(X)=F(A1)+F(A2)+F(A3)+F(A4)=(1-e-λA1t)+(1-e-λA2t)+(1-e-λA3t)+…+(1-e-λF4t),

(3)

式中F(A1)、F(A2)、F(A3)、…、F(F4)是表1中各底事件的失效率.

由此可得到齒輪系統的可靠性公式:

R(X)=1-P(X).

(4)

2 齒輪失效原因分析

由于齒輪的工作環境不同,且齒輪的結構設計、材質、加工、裝配、潤滑等條件也存在差異,因此造成齒輪的失效模式也有所不同[6].根據齒輪失效故障樹的失效底事件,利用魚骨分析法對齒輪在設計、加工制造、材料選用、熱處理及維護使用等方面進行分析,通過如圖3所示魚骨圖得出導致齒輪失效的各種因素.

圖3 齒輪失效原因分析魚骨圖

3 煤礦齒輪FMEA分析

煤礦機械在煤礦生產中具有重要作用,然而由于煤礦機械的工作環境惡劣,機械故障時有發生,其中齒輪是損壞概率最高的構件之一.煤礦開采的大部分工作是在井下進行,機械設備的工作環境極為惡劣,作業空間狹小且粉塵集聚,對齒輪損耗很大[7].

以煤礦機械齒輪為例,根據合作企業提供的故障經驗數據,對煤礦機械齒輪的失效模式及影響進行分析整理,得出表2所示的FMEA報告.其中故障嚴重度(SER)根據齒輪失效對整機影響的后果劃分為6個等級,如表3所示.故障發生概率(PFO)與故障檢測率(PD)根據企業經驗數據劃分為6個等級,如表4和表5所示.風險優先系數(RPN)是故障嚴重度(SER)、故障發生概率(PFO)和故障檢測率(PD)的乘積,用來排列潛在的薄弱環節,RPN值越大表明出現故障的概率越高、風險越大.根據RPN數值,采取有效的措施以降低重要特征的故障影響,提高整機的可靠性.

表2 煤礦機械齒輪FMEA報告

表3 嚴重度(SER)評分依據和細則

表4 故障發生概率(PFO)評分依據和細則

表5 故障檢測概率(PD)評分依據和細則

4 可靠性措施

根據齒輪失效FMEA報告,針對潛在故障模式制定相應的預防措施,及時發現齒輪在工作時的各種故障并正確處理,降低齒輪故障率,提高系統可靠性.

優化齒輪設計,確保強度要求.設計人員應根據齒輪的具體工作環境,針對齒輪的主要失效形式優化結構設計,確保強度要求,完善對應工況的參數計算公式.以漸開線圓柱齒輪為例,一般在設計時先根據簡化設計公式估算主要尺寸,再根據強度校核公式校核[8],如果齒輪工作時可能出現少次數、短時間的超負荷工況,則應進行靜強度校核.

合理選材,改良制造工藝.在齒輪生產過程中,選材不良或制作流程、熱處理工藝不當容易造成齒面不均、強度和硬度不夠,甚至出現磨削裂紋和淬火裂紋,進而導致齒輪失效.表6是齒輪用各類鋼材和熱處理的特點及適用條件.

表6 齒輪用各類鋼材和熱處理的特點及適用條件

規范使用,保障潤滑.為了保障齒輪運行的安全性和可靠性,工作人員應嚴格遵照規范作業流程,確保載荷工況符合規定要求,定期檢修,及時發現齒輪潛在失效問題.合理的潤滑保養對降低齒輪磨損、提高齒輪使用壽命具有重要意義.

改善使用環境,做好除塵防塵工作.

5 結論

根據故障樹分析法建立了齒輪失效故障樹,在各個事件的失效率滿足指數分布條件下,得出齒輪系統的可靠性公式.利用魚骨分析法闡述齒輪在設計、選材、熱處理、制造、裝配、潤滑和使用維護方面的潛在失效原因,得出齒輪失效原因分析魚骨圖.以煤礦機械齒輪為例,對煤礦機械齒輪失效模式涉及的嚴酷度、發生概率和故障檢測率進行分析,建立煤礦機械齒輪FMEA報告表.從風險優先系數可看出在煤礦齒輪作業過程中,要特別注意齒面疲勞失效、齒面耗損和齒面膠合,同時根據齒輪失效模式提出齒輪可靠性保障措施.