可靠性思维在风电橡胶减振部件设计中的运用

刘军 刘亚庆 刘斐 岳涛 魏川朋

[摘    要] 通过某型风电减振产品的可靠性优化设计实例，阐述可靠性设计建模、预计和分配的关系，以及产品设计的可靠性建模、分配和预计的基本方法、步骤以及应该遵循的原则，利用可靠性工具对风电减振产品可靠性指标进行预计和分配，提升产品的可靠性、可用性、可维护性和安全性等性能。

[关键词] 风力发电;减振部件;可靠性

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

[中图分类号] F273    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）15- 0143- 04

0      引    言

可靠性包含可靠性（Reliability）、可用性（Availability），可维护性（Maintainability）和安全性（Safety），简称RAMS，起源于20世纪70年代[1]。20世纪从80年代欧洲将其引入轨道交通行业起，国外在该行业运用RAMS管理已取得良好成效。风机功率的提升对橡胶减振元件产品使用的全生命周期可靠性要求同步提升。为解决此问题，在风电减振部件设计中系统导入可靠性分析技术，找出产品薄弱环节进行改进，以保证系统预定的可靠性要求，降低产品成本及使用风险。

可靠性设计过程通常遵循简单化、模块化与标准化、复联设计、减额定设计、可测试性设计等原则，以某型风电齿轮箱弹性支撑系统为例，展开如下工作。

1      风电减振部件RAMS分析

1.1   系统、部件分解分级

某型风电齿轮箱弹性支撑系统以组对预压缩的形式安装于风电机组齿轮箱两侧，承受齿轮箱扭转载荷，起减振、缓冲作用。为便于后续功能、故障分析以及可靠性预计、分配，可靠性设计过程将系统分解为子系统，如表1所示。

1.2   构建系统功能框图

系统功能框图，是对系统各层次功能进行静态分析的基础，描述系统的功能和各子功能之间的相互关系，以及系统的信息流程[2]。从齿轮箱弹性支撑系统的历史应用数据分析可知，本次结构改进主要集中在液体复合弹簧子系统中。风电齿轮箱弹性支撑系统功能框图如图1所示。

1.3   可靠性模型框图

可靠性框图给出各单元的故障或他们的组合如何导致产品故障的逻辑关系[2]。根据功能图分析，风电齿轮箱弹性支撑系统各功能单元与任务有关的主要子系统由上下金属橡胶复合主簧、橡胶套、底板、堵头开关、引油帽、高压软管和紧固螺栓组成。各功能单元相互不能替代，为串联模型。考虑到底板、堵头开关、引油帽三个部件的功能存在交叉包容，将三个子系统合并为一个子系统整体考虑（如图2所示）。

经过分析，风电齿轮箱弹性支撑系统的寿命近似服从指数分布。同时，根据历史设计经验，我们采用指数分布模型进行可靠性指标分配。串联模型通过所有子系统故障率的总和计算得到系统的故障率λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5。

1.4   故障模式与影响分析

根据 GJB 1391-2006 严酷度类别、故障模式概率的定义及等级划分，以相似产品在过去使用中发生的故障模式为基础，依据风电齿轮箱弹性支撑系统的功能框图、可靠性框图模型、使用的环境、结构特点进行分析、预测，分析判断其可能存在的故障模式，制定、实施相应的风险纠正措施，如表2所示。

2      可靠性分配与预计

工程实践中常用的可靠性分配方法有：评分分配法、比例分配法、拉格朗日分配法、重要复杂度分配法、动态规划法和直接寻査法等[3]。考虑到此次的风电齿轮箱弹性支撑系统与历史开发的齿轮箱弹性支撑系统很相似，且只是对其提出了新的可靠性要求，为此，风电齿轮箱弹性支撑系统的可靠性分配方法采用专家评分法比较符合实际（公式1）。

λi新=Ci*λs新

式中：λs新——新系统的故障率;λi新——分配给新系统中第i个单元的故障率;Ci——分配给新系统中第i个单元的评分系数。

液体复合弹簧的可靠性由产品的失效率λ作为指标，各部件的可靠性分配采用评分分配方法。通过产品质量问题数据平台的故障数据分析、计算，可得历史型号液体复合弹簧产品的总失效率为71.34。预留分配安全余量为10%，即可分配的总失效率为64.206 FIT。评分分配考虑的因素通常包括：组成产品的各单元的复杂度、技术成熟度、重要度、工作时间和环境条件。工程应用中可根据产品特点，增加或减少评分因素。每种因素的分值定义为 1～10 之间。评分分配结果如表3～表7所示。

根据可靠性模型，计算该系统的失效率为

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

因此，根据可靠性预测，液体复合弹簧能够满足要求。

3      故障树分析

将液体复合弹簧故障作为顶层事件，分析所有可能导致产品故障的原因，本例不考虑客户原因导致的产品故障。

3.1   故障树建立

故障树及其说明分别如图3、表9所示。

3.2   故障树分析

由于暂时无法获得每个基本事件发生的概率，因此故障树分析以定性分析为主。根据以上故障树分析，导致系统故障的最小割集共有7个。从导致顶层事件发生的可能性来看，七个底层事件重要度相同。但是从导致顶层事件的严重度来看，X1、X3、X5、X6的重要度要高于X2、X4、X7 。

根据以上分析结果，7个底层事件任意一个发生都可能导致液体复合弹簧故障;底层事件X1、X2、X5、X6的重要度要高于X3、X4、X7。在设计校核时已采取措施规避7个底层事件的发生。组成液体复合弹簧的5个零部件重要度排序为：主簧>开关底板>橡胶套>高压软管>内六角圆柱螺栓。

4      可靠性试验验证

完成结构设计后进行产品试制，随机抽取2组产品进行组装疲劳试验，疲劳试验时，旁边增加轴向载荷，在200万次强化疲劳试验后均完好，无产品开裂、液体泄漏情况，满足寿命和使用要求。同时抽取了2组产品进行了96小时极限加载试验及偏转试验，拆卸24小时后产品橡胶厚度变形量仅为0.05mm，且无产品开裂、液体泄漏情况。

5      结    语

通过系统地对风电齿轮箱弹性支撑系统开展可靠性设计，應用失效数据统计表、故障树分析、可靠性试验及可靠性预计等RAMS工具，分析、计算客户所要求的产品可靠性水平，分析产品的失效类型，可以清晰地了解与识别影响产品的安全性与可靠性的故障及关键零部件，找岀产品可靠性的瓶颈与薄弱项（点），对结构设计进行优化设计及验证，提升产品的可靠性。

主要参考文献

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

[2]李良巧. 可靠性工程师手册[M].北京：中国人民大学出版社， 2012.

[3]董锡明. 轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性（RAMS）[M]. 北京：中国铁道出版社，2009.