基于FTA和FMEA的罩极电机可靠性分析

陈俊齐，吴英明，张威，卢苇

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

罩极电机构造简单、成本低，广泛用于小家电产品，但由于起动转矩小，效率低，运转可靠性受负载、电压和温度影响较大。沈琴等[1]对罩极电机常见故障及排除方法进行研究，对罩极电机支架结构选型张显亮[2]进行相关研究，但由于在滚筒洗干机一体机上工作环境复杂恶劣，容易因其组件故障而引起整机烘干失效，因此对洗烘一体机使用的罩极电机可靠性问题是目前亟需解决的问题。

针对罩极电机可靠性问题，常规方式需要经过多台样机耗费长时间寿命试验提升产品可靠性，贺孝珍[3]对机械零部件可靠性工程技术研究，李良巧[4]等对可靠性设计方法进行详细论述。通过以上文献研究，本文提出应用故障树分析（FTA）和故障模式及影响分析（FMEA），两者相结合的方法来研究罩极电机可靠性，以“事前预判”手段解决罩极电机在滚筒洗干一体机使用环境可能出现的事故隐患和故障，采取相应的改进设计措施降低罩极电机故障风险，为提高罩极电机可靠性水平提供参考借鉴。

1 罩极电机基本结构

罩极电机以220 V市电为电源，不用外加启动电容和继电装置即可起动，主要分为集中绕组式和分布绕组式两种，本文以集中绕组式电机作为可靠性研究对象。结构上一般由转子组成部分、定子组成部分、线包组成部分、支撑组成部分共同构成。转子组成部分一般由铸铝转子座、轴和阻止转子前后窜动的止推垫圈，和调整窜动量的垫片组成；定子组一般由短路环与主定子铁芯构成；线包组一般由线圈、骨架、引接线或热保护器及相关绝缘包扎材料组成；支架组按照轴伸端和非轴伸端安装部位不同，分为前支架组成部分和后支撑组成部分

2 罩极电机运行风险分析方法

关于FTA和FMEA两种问题方法的侧重方式，前者针对失效模式的逻辑演化找出事件的所有可能原因，后者重点对问题的失效模式及影响进行分析找出失效情况所有后果。对于罩极电机运行期间潜在问题的分析以及风险因素对于失效模式的重要度，若只取其中一种方法，分析过程不能做到两者兼顾，只有将FTA和FMEA结合起来，在诊断阶段，用FTA分析失效模式演绎过程，然后用FMEA对系统的失效模式及影响分析进行评价，两者互相补充，构成一个有机整体，对罩极电机可靠性进一步提升。

3 罩极电机FTA

通过试验方法对罩极电机停机问题进行研究和解决是常用的手段，能有效降低罩极电机因停机失效的质量缺陷，然而试验法只能对罩极电机可靠性做局部分析，无法全面有效分析导致系统故障的全部原因。借助故障树分析（fault tree analysis，FTA）可以对电机的停机故障进行预测和诊断，将问题进行倒推找出导致问题的原因[5]。有助于分析电机的薄弱环节找出导致电机故障的原因，提高罩极电机使用可靠性。

3.1 罩极电机故障树的建立

根据罩极电机结构设计、物料状态以及组件装配差异进行分析，对可能造成烘干期间电机停机故障的影响因素进行故障树分析。

图1 罩极电机主要结构

排除主绕组接线错误或短路问题，罩极电机运转期间，若定转子同轴度出现偏差，转动过程会出现扫膛现象，影响转子正常转动，同时伴随电机噪音增大，直至下一次转子起动失败造成罩极电机停机问题，与之相关联组件为支架组件，主要原因分为滚动轴承活动失效、支架底座装配失效以及支架结构失效三类，定子以及线包组件对停机无影响，研究方向将集中在支架组件故障。

对滚动轴承活动卡兹进行分析，存在两种原因：其一，轴承用油脂随着烘干期间烘干温度上升，油脂的稠度变小，流动性增加，直至高温极限达到滴点，油脂变为流体从轴承析出；其二，轴承游隙过大，滚动过程不稳定。

对支架装配松动进行分析，存在两种原因：其一，支架定位柱设计外径尺寸超差，运行过程出现偏位，转子与定子间有扫膛现象，最终引起电机停机；其二，用于紧固支架的螺钉装配方式不可靠，长期运行螺钉轴向力减少，出现松动。

对支架结构变形进行分析，存在三种原因：其一，长时间运行热损耗增加，高温使得支架出现热变形，支架材质耐温性不足；其二，支架来料不良平整度有偏差；其三，支架整体设计强度不足，转子转动过程受到的应力过大。

按照上述理论分析，将罩极电机停机作为顶事件（故障树的结果事件），轴承支架组件故障作为中间事件（位于顶事件以及底事件的结果事件），与转子停转事件共同作为电机停机故障发生的必要条件，运用相应的逻辑门符号与顶事件相连接；对轴承支架组件故障深入分析，逐层列出中间事件和底事件（仅导致其他事件的原因事件），建立图2罩极电机完整的故障树，图2中对应的能引起罩极电机停机的底事件代号与底事件的对应关系如表1所示。

表1 故障树中各代号对应的底事件

图2 罩极电机故障树分析图

3.2 故障树定性分析

故障树定性研究的重要目的就是找出由顶事件所产生的各种因素与问题集合,以识别导致顶事件发生各种故障模式，从而有助于判明可能的故障原因，并用以指导故障诊断，为改善系统设计及改增强可靠性。过程中，找出顶事件发生的所有可能的失效模式，即找出能使顶事件发生的原因集合——割集，导致顶事件发生的不可再少的底事件的集合称为最小割集，针对罩极电机故障树结构特点，应用下行法对该故障进行分析，求出该故障树的最小割集[6]。下行法从顶事件开始，逐层向下寻查，找出最小割集。

对罩极电机停机进行故障树分析，最小割集确认：

最小割集为{X1，X2}，{X1，X3}，{X1，X4}，{X1，X5}，{X1，X6}，{X1，X7}，{X1，X8，X9}，底事件中X1在最小割集中出现频次为7次，其他各底事件各出现1次，X1为最重要底事件。

底事件X1均为试验先决条件，且在实际情况中均为不可控条件，故需要从其他底事件中进行筛选，对筛选出的底事件进行改进，以提升其可靠性。

底事件X2-X9中，根据实际运行环境及来料状态，烘干期间罩极电机运行温度高，支架温升偏高不受风机结构功能限制；对于支架来料不合格为极小概率事件，综合评估改进效果不明显，故排除X6、X9两个底事件。

X7（支架强度不足）、X8（铸锌合金耐温不足）与X4(定位柱外径尺寸偏小)、X5（螺钉紧固失效）以及X2（轴承用油脂析出）、X3（轴承游隙超差）在实际情况中为配合关系，可视为同一因子，按照实际实现优劣程度、成本等综合评估，取X7、X8、X4、X5作为代表因子。底事件为X4(定位柱外径尺寸超差)、X5(螺钉紧固失效)、X7（支架结构强度不足）、X8（铸锌合金耐温不足）。

经过对罩极电机进行故障树分析，得到了罩极电机支架组件故障的主要原因。其中，支架结构强度不足、铸锌合金耐不足、定位柱外径尺寸超差以及螺钉紧固失效为主要影响因素，轴承用油脂析出、轴承游隙超差次之。针对支架结构材料特性以及装配方式，对罩极电机支架组件进行FMEA分析。

4 罩极电机支架组件的FMEA

故 障 模 式、影 响 分 析（fault modes，effects and analysis)是分析产品中所有潜在的故障模式及对其对产品所造成的所造成的所有可能影响，并提出预防改进措施，从而提高产品的质量与可靠性[7]。通过成立FMEA小组，成员可以由专家、项目管理人员以及有经验的FMEA专家组成，对产品实施FMEA，发现和评价产品/过程中潜在失效及失效后果，规避或减少产品不良的设计，提高产品质量及可靠性，降低后期产品寿命周期费用。

采取环境试验方法找出罩极电机所有可能故障数据，在明确故障判据和故障计数原则后，整理分析得到罩极电机支架组件所有故障形式，根据上述数据并结合严重度（S）、发生频度（O）、可探测度（D）的评分等级，得出支架组件FMEA表格如表2所示。

表2 罩极电机支架组件FMEA 表格

表2中，风险优先度（RPN）值等于严重度（S）、发生频度（O）和可探测度（D）三者乘积。风险优先度值越高代表系统发生故障的几率越高;反之系统中发生故障的几率就越小。使用RPN针对风险点筛查排序，以便于设计人员通过更合理的设计减少关键零部件的影响因素,在合理预防下能应对潜在的系统故障,从而保证了整机的可靠性。

表2中的严重度（S）按照支架组件潜在的故障模式对整机影响的后果，将其划分为4个等级，评分依据细则如表3所示；故障的发生频度（O）评分依据细则如表4所示；故障的可探测度(D) 评分依据细则如表5所示。

表3 严重度（S）评分依据和细则表

表4 发生频度（O）评分依据和细则表

表5 可探测度（D）评分依据和细则

4.1 罩极电机可靠性提升措施

按照上述对罩极电机FMEA分析结果，针对其潜在的故障模式，建立相应的预防纠正措施，优化结构设计，控制来料状态，在使用过程中遇到各种故障能够及时发现并处理，降低因零部件缺陷故障发生引起的整机运行失效概率，提升整机的可靠性，重点从三个方面提出罩极电机可靠性提升措施。

1）罩极电机在滚筒洗干一体机运行环境振动大，长期运行需要对支架组件装配可靠性有较高要求，普通的螺钉+弹垫紧固方式不满足设计寿命要求，一段时间后螺钉的弹力减少，容易松动，因此，基于冗余设计，增加平垫可以提高紧固可靠性，同时考虑在洗干机烘干期间，电机周围温度高，由于螺钉与被紧固件的热膨胀系数不同，为了防止螺钉松动，在螺钉位置打上高温螺纹胶。

2）由于部分地区电力不稳，洗干机又需要在连续的高电流环境工作中，考虑到风机叶轮运转较长时间之后毛屑的堆积偏心力加大，罩极电机轴承支撑结构需要受到的合力也很大，所以宽厚的支撑结构设计将拥有更良好的工作可靠性，可以防止在一段时间运转过后支架结构出现变化，从而直接影响转子和定子之间的气隙大小，而如果气隙不均则将加重空气力学振动，最终定转子同轴度偏位造成扫膛停机问题。

3）与在其它小家电上使用的罩极电机不同，由于在洗干机烘烤阶段中是一种持续性过程，在交集电压不稳或长时间高压影响下，罩极电机轴承的支撑附近温升维持在较高水平，而支架使用材质主要有压铸铝合金、压铸锌合金、钢材、铝板等。为适应高温电机的工作剖面，采用压铸铝合金不但熔炼温度较高，热变形较小，适宜在H级高温罩极电机中使用，提升高温使用环境的可靠性，避免因为支架热变形导致电机停机问题。

5 结论

1）通过建立罩极电机的故障树图，分析罩极电机停机故障的主要原因由于支架组件失效引起，进一步对故障树定性分析，确定支架结构强度不足、铸锌合金耐不足、定位柱外径尺寸超差以及螺钉紧固失效是引起支架组件失效的主要因素。

2）运用FMEA对罩极电机支架组件进行失效模式及影响分析，对支架组件主要失效模式提出相应预防解决措施，并通过风险优先级对相关故障进行排列，以更合理预防措施进行可靠性提升。

3）以上基于可靠性理论，通过FTA和FMEA分析为解决罩极电机在滚筒洗干一体机可靠性问题、缩短产品研发周期、提高产品可靠性提供理论依据。