基于模糊可靠性故障树分析船用齿轮箱的失效型式

摘要：船用齿轮箱故障不仅会导致船舶失去动力，且船用齿轮箱作为船舶的传动装置，还将会造成难以估计的经济损失，采用故障树对齿轮箱进行全面的可靠性分析，找出船用齿轮箱的失效型式，正确评价产品的可靠性，才可以提高船用齿轮箱的承载能力。

关键词：故障树分析；模糊可靠性；失效型式；船用齿轮箱

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0009-02

本文主要针对船用齿轮箱，分析齿轮箱结构型式，建立基于模糊可靠性故障树分析模型，利用蒙特卡洛算法在传统故障树分析基础上进行封装，并使用VC++、MAT-LAB混合编程，仿真船用齿轮箱系统，以分析船用齿轮箱的失效型式。

1 基于模糊可靠性故障树分析的优势

在船用齿轮箱失效型式分析中，应用基于模糊可靠性故障树对其进行分析，较传统故障树分析方法中的工作及故障状态，深化产品的工作状态，能够对产品可靠性作出正确的评价。在船用齿轮箱失效型式分析中，应用基于模糊可靠性故障树分析方法，可以降低获取事件发生概率准确值的难度，用精确值表示事件发生概率，不再是传统的不二向量分析方法，可以运用贝叶斯网络模型，以此来描述船用齿轮箱系统内各部件间相互的关系，并得出系统可靠性指标，验证模型有效性；还可以运用模糊理论，分析船用齿轮箱可靠性，在给定统一失效概率计算方法的前提下，从而得出齿轮箱的可靠性参数；同时也能够采用蒙特卡罗方法来编制一定的计算机程序，统计出可靠性参数，绘制相关参数曲线，提高船用齿轮箱失效分析的效率，提升船用齿轮箱的可靠性。

2 构建齿轮箱故障树

2.1 故障树中的事件

船用齿轮箱故障树构建中，应该以不能正常工作齿轮箱来作为顶事件，然后再通过分析、研究齿轮箱故障原因，找出引起齿轮箱失效各级底事件，之后可以将其简归纳，形成故障树。在故障树中，对于故障树顶事件中主要可以包括由离合器打滑、润滑系统失效、关键部件失效组成；故障树中间事件中主要包括摩擦片失效、工作油孔堵塞、油质不合格以及油温过高、轴承失效、轴断裂等事件组成；故障树底事件主要可包括安装精度低、轴承装配不好、齿距偏差、机械磨损、疲劳失效、箱体铸造缺陷、塑性变形、腐蚀、轴加工精度不高等事件组成。

2.2 定性、定量分析故障树

故障树分析中，应用数字仿真技术，对其进行定性及定量分析。在定性分析中，其主要任务就是找出产生顶事件的所有故障模式，并求故障树全部最小割集。对故障树进行定量分析，其目的就是利用故障树来当做计算模型，当已知底事件发生概率时，从而可以计算出顶事件发生的概率，因此可以对整个船用齿轮箱系统的可靠性及风险性作出有效评估，确定船用齿轮箱的失效型式，改进船用齿轮箱制造技术，提升船用齿轮箱生产质量。

3 齿轮箱的可靠性仿真分析

3.1 算法介绍

在基于模糊可靠性故障树分析船用齿轮箱的可靠性分析中，应用统计模拟方法，以概率统计理论作为基础，引入随机数建立模拟模型，通过仿真实现对随机概率的统计。且仿真次数越多，则结果越精确，算法原理就是，针对已知状态的变量概率分布，应用蒙特卡罗模拟法可以产生符合该状态的变量分布随机数，从而可以代入状态函数，计算出对于状态函数的随机数，之后可以根据分布函数抽样公式，计算函数抽样的寿命。

3.2 建立仿真模型

在基于模糊可靠性故障树的船用齿轮箱仿真模型建立中，可以设整个系统是S，该事件中包含的n个事件z的集合为S={z1，z2，…，zi…，zn}。对每一个船用齿轮箱事件，其失效发生概率的分布函数都应该符合一定统计规律，针对底事件概率密度函数与特征参数，可以设底事件在某时刻的状态，可用二项分布来表示其分布规律，为：

xi（t）=

那么底事件的发生概率就是随机事件的期望值。

3.3 仿真实现

应用VC++语言开发计算机仿真程序，实现人机交互界面，处理齿轮箱系统分析的最小割集逻辑，对相关底事件的失效函数参数进行缺省处理；自动更新失效函数，利用C++中的srand（）函数获取随机数，得到事件抽样公式，并将最小寿命值的对应事件失效状态代入故障树中，得出失效逻辑关系式，依次进行，直到仿真结束。

4 船用齿轮箱失效型式

应用基于模糊可靠性故障树分析之后，针对操作人员、零件材料及试验数据等多方原因，分析船用齿轮箱的失效型式，对于事件的重要度进行分析，得出轮齿折断、齿面磨损、齿面胶合、齿面点蚀这些事件，引起系统失效次数比重较大，得出船用齿轮箱发生失效的视角中主要包括轮齿折断失效、齿面磨损失效、齿面点蚀失效以及齿面胶合失效这四个方面的因素，因此针对齿轮箱薄弱环节可靠度参数进行优化设计，应用模糊故障树理论，提升船舶传动系统的可靠性，必须对这些易失效部件进行重视。故此，在船用齿轮箱设计中，应该提升轮齿性能，避免断齿产生；并且在齿面设计中，采用闭式传动，提高船用齿轮箱齿面的光洁度，并做好对其表面的润滑、防磨损措施，避免齿面间发生磨粒性磨损，提高船舶传动系统质量；船用齿轮箱设计中，还应该避免齿面点蚀的发生，计算出齿面接触疲劳强度，提高齿面硬度与光洁度；对于在高速重载传动中的船舶传动系统，也应该做好齿面胶合设计，避免胶合破坏的产生，降低船用齿轮箱失效事故的发生。

5 结语

综上所述，在船舶建造行业中，为提高船舶传动系统的可靠性及齿轮箱的可靠性，对船用齿轮箱进行失效分析中，可以建立基于模糊可靠性的故障树，并能够根据用户及工程技术人员提供的模糊信息，并根据模糊故障树理论分析船用齿轮箱的模糊可靠性，以便找到不同置信水平中发生船用齿轮箱故障的概率区间，降低船用齿轮箱发生失效事故的几率。

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作者简介：李振男（1978—），男，浙江杭州人，杭州前进马森船舶传动有限公司工程师，研究方向：船用齿轮箱、可调螺旋桨。