谐波减速器可靠性评估方法与模型分析

邱俊柱, 贺志斌, 郭文会

(群建精密机械有限公司,贵州 遵义 563000)

谐波减速器是一种区别于传统齿轮传动的特殊减速器,具有高精度、高效率的特点,结构紧凑、传动精度高等优点,广泛应用于航空航天、精密机床、精密半导体生产设备、机器人关节、林业智能装备等领域。但是其内部结构较为特殊且复杂,使用过程中受到诸多因素的影响,如转矩弯矩过载、振动、高低温等,因此谐波减速器的可靠性问题备受关注。目前,谐波减速器的可靠性问题主要包括可靠性评估、故障诊断和故障预测等方面。此外还存在诸多有关可靠性评估因素,如柔轮齿轮损伤、柔轮撕裂、柔性轴承损坏等。诸多故障会导致设备停机维修,尤其航天产业具有不可维修性,造成的损失也是不可估量。因此,研究谐波减速器的可靠性评估问题具有重要意义。

1 谐波减速器可靠性评估方法

谐波减速器是一种常用的机械传动装置,用于实现高精度、高转矩和高效率的运动控制。根据可靠性评估方法建立对应的可靠性模型,可直接快速找到减速器故障源,并可结合谐波减速器的实际使用条件和环境评估谐波减速器的可靠性。

1.1 寿命试验法

谐波减速器寿命试验法是在进行谐波减速器寿命试验时,通常会通过模拟实际使用环境下的负载和工作条件,对谐波减速器进行的长时间运行测试。测试结果使我们更好地了解谐波减速器的寿命和可靠性,避免系统设备故障率。寿命试验法的内容分析如下。

(1)试验前的准备工作:在进行试验之前,需要对谐波减速器进行充分的检查和维护,以确保其运行状态良好。还需要选择合适的测试台和测试条件,以模拟实际使用环境下的负载和工作条件。

(2)试验过程的控制:在试验过程中,需要对测试台和测试条件进行严格的控制,以确保测试结果的准确性和可靠性。在试验过程中需要对谐波减速器的温度、振动、噪声等参数进行实时监测和记录。

(3)数据分析和处理:在试验结束后,需要对试验过程中所记录的数据进行分析和处理,以得出谐波减速器的寿命和可靠性评估结果。这个过程需要考虑多种因素,如试验条件、负载、工作时间等等。

(4)结果的解释和应用:最后需要对测试结果进行解释和应用。制造商可以根据测试结果来改进产品设计和制造工艺,提高产品质量和可靠性。用户可以根据测试结果来选择合适的维护和保养方法,延长谐波减速器的使用寿命。

1.2 故障树分析法

谐波减速器故障树分析法是通过将谐波减速器故障的可能原因以逻辑图形式表示出来,根据直观效果更好地了解和解决谐波减速器故障问题。通过故障树分析,可以更好地理解谐波减速器的运行机理和故障原因,并提出相应的控制措施,从而提高谐波减速器的可靠性和使用寿命。故障树分析法内容分析如下。

(1)确定系统边界和目标:首先需要确定谐波减速器的系统边界和目标,包括系统所处的环境、操作要求、故障定义等。

(2)识别故障:在确定系统边界和目标后,需要识别可能导致谐波减速器故障的原因,例如润滑不良、过载、磨损等等。将这些原因以逻辑图的形式呈现出来,形成故障树。

(3)确定故障树的逻辑关系:在故障树中,需要确定各个原因之间的逻辑关系,例如某个原因是否是其他原因的前提条件或后果,或者某个原因是否需要多个因素的共同作用才能导致故障。

(4)评估故障树:对于构建好的故障树,需要对其进行评估,以确定最终导致谐波减速器故障的原因。这一过程需要考虑每个原因的概率和重要性,从而确定哪些原因是最有可能导致故障的。

(5)确定控制措施:在确定最终导致谐波减速器故障的原因后,需要确定相应的控制措施。这些措施可以包括提高润滑、加强维护、改进设计等,以预防或减少谐波减速器故障的发生。

1.3 可靠性指标法

谐波减速器的可靠性指标是通过对各种可靠性指标的分析,可以全面评估谐波减速器的性能和使用寿命,进而制定相应的维护和保养计划,以保障谐波减速器的稳定运行。谐波减速器的可靠性指标是评估其稳定性和可靠性的一种方法,可靠性指标法内容分析如下。

(1)故障率:故障率是指在单位时间内发生故障的概率。对于谐波减速器来说,故障率越低,说明其越稳定可靠。故障率可以根据历史故障数据进行统计分析,也可以通过实验测试进行确定。

(2)MTBF:MTBF是指平均无故障时间,即在单位时间内谐波减速器平均工作时间。MTBF越长,说明谐波减速器的稳定性和可靠性越高。MTBF可以通过历史故障数据进行统计分析,也可以通过实验测试进行确定。

(3)可靠性指标:可靠性指标是根据谐波减速器的设计和使用条件计算出来的指标,包括可靠性、失效率、失效概率等。可靠性指标可以帮助评估谐波减速器在实际使用中的可靠性表现。

(4)寿命分布:寿命分布是指谐波减速器在使用过程中出现故障的时间分布情况。通过分析寿命分布,可以确定谐波减速器的使用寿命和故障发生规律。

(5)容错能力:容错能力是指谐波减速器在发生故障后,能够保持一定的运行能力和性能。对于谐波减速器来说,容错能力越强,说明其越具备自我保护能力和稳定性。

1.4 统计学方法

谐波减速器可靠性统计学方法是通过综合运用各种可靠性统计学方法,更准确地评估谐波减速器的可靠性表现,进而制定相应的维护和保养计划,以保障谐波减速器的稳定运行。可靠性统计学方法内容分析如下。

(1)故障率分析:通过对谐波减速器历史故障数据进行统计分析,计算出故障率指标,用于评估谐波减速器的可靠性和稳定性。

(2)生存分析:生存分析是一种用于分析设备寿命的统计方法。通过对谐波减速器历史故障数据进行生存分析,可以确定其使用寿命和故障规律,为谐波减速器的维护和保养提供依据。

(3)可靠性指标分析:可靠性指标是根据谐波减速器的设计和使用条件计算出来的指标,包括可靠性、失效率、失效概率等。通过对这些指标进行分析,可以评估谐波减速器的可靠性和稳定性表现。

(4)贝叶斯统计方法:贝叶斯统计方法是一种用于更新概率估计的方法。在谐波减速器的可靠性分析中,可以利用贝叶斯统计方法来更新对其可靠性的概率估计,以更准确地评估其可靠性和稳定性。

(5)可靠性增长曲线分析:可靠性增长曲线是指随着谐波减速器使用时间的增长,其可靠性指标的变化趋势。通过对可靠性增长曲线进行分析,可以评估谐波减速器的使用寿命和稳定性表现。

1.5 系统安全性评估法

谐波减速器可靠性系统安全性评估法是通过对谐波减速器的设计、制造、使用和维护过程中可能涉及到的安全问题进行全面分析,评估谐波减速器系统的安全性能。可靠性系统安全性评估方法分析如下。

(1)风险分析:风险分析是一种通过对谐波减速器使用环境和可能存在的安全问题进行评估,确定潜在风险并采取相应措施的方法。风险分析包括识别危险、评估风险和确定风险控制措施。

(2)失效模式和影响分析(FMEA):失效模式和影响分析是一种用于评估谐波减速器各种可能的失效模式及其对系统的影响的方法。通过FMEA分析,可以确定谐波减速器存在的潜在风险,并采取相应的措施进行风险控制。

(3)可靠性、可用性和维修性分析(RAM分析):RAM分析是一种综合考虑谐波减速器可靠性、可用性和维修性的评估方法。通过RAM分析,可以评估谐波减速器在设计、制造、使用和维护过程中可能涉及到的安全问题,并采取相应的措施进行风险控制。

(4)故障模式和效应分析(FMECA):故障模式和效应分析是一种评估谐波减速器各种可能的故障模式及其对系统的影响的方法。通过FMECA分析,可以确定谐波减速器存在的潜在风险,并采取相应的措施进行风险控制。

(5)可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)分析:RAMS分析是一种综合考虑谐波减速器可靠性、可用性、可维护性和安全性的评估方法。通过RAMS分析,可以综合考虑谐波减速器的各种性能指标,确定谐波减速器的系统安全性能,以及采取相应的措施进行风险控制。

2 谐波减速器可靠性评估模型分析

谐波减速器可靠性评估模型是用于评估谐波减速器可靠性水平的数学模型。以下是一些常见的谐波减速器可靠性评估模型。

2.1 Weibull分布模型法

可靠性Weibull分布模型是描述谐波减速器失效的概率密度函数和生存函数,进而计算谐波减速器的平均失效时间、可靠性指标等。

Weibull分布模型的概率密度函数:

f(t)=(β/η)×(t/η)∧(β-1)×e∧(-(t/η)∧β)

(1)

式(1)中:T为时间;η为尺度参数;β为形状参数。

Weibull分布模型的生存函数:

S(t)=e∧(-(t/η)∧β)

(2)

式(2)中:t为时间;η为尺度参数;β为形状参数。

利用谐波减速器的失效数据,通过最小二乘法等方法求得Weibull分布模型的参数,从而计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等。通过谐波减速器的可靠性Weibull分布模型,可以为谐波减速器的设计和维护提供依据,提高谐波减速器的可靠性和安全性。

2.2 Monte Carlo模拟模型法

谐波减速器的可靠性Monte Carlo模拟模型是通过对谐波减速器寿命分布进行随机抽样,模拟大量样本,从而计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等。模型实现内容分析。

(1)确定谐波减速器的寿命分布模型,如Weibull分布模型等;

(2)通过随机数生成器,随机生成大量符合谐波减速器寿命分布模型的样本数据;

(3)对样本数据进行统计分析,计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等;

(4)重复进行大量模拟实验,得到一系列的可靠性指标和失效率等,计算其平均值、方差等统计量;

(5)通过对一系列实验结果的分析,确定谐波减速器的可靠性水平;

(6)模型的优点是能够模拟谐波减速器失效的真实情况,能够考虑多种因素的影响,如工作条件、负载变化等,因此能够更为准确地评估谐波减速器的可靠性水平。缺点是需要进行大量的模拟实验,计算量较大,需要较强的计算能力支持。

2.3 Markov模型法

Markov模型可以计算谐波减速器在不同状态下的可靠性指标和过渡概率,为谐波减速器的设计和维护提供重要参考。模型的基本思想是将谐波减速器的寿命分布离散化为一系列状态,如正常、维修、故障等状态,然后建立状态之间的转移概率,通过Markov链理论,计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等。该模型的具体内容分析如下。

(1)确定谐波减速器的状态抽象和状态转移概率;

(2)建立谐波减速器状态转移矩阵,计算谐波减速器的稳态概率分布;

(3)根据谐波减速器的稳态概率分布,计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等。

模型的优点是能够考虑不同状态之间的转移概率,描述谐波减速器的状态变化过程,从而更为准确地评估谐波减速器的可靠性水平。缺点是对谐波减速器的状态抽象和状态转移概率的确定有一定要求,需要较为严格的模型设计和计算。

2.4 可靠性块图模型法

可靠性块图模型是将谐波减速器划分为若干个可靠性块,通过分析各可靠性块之间的相互关系和作用,计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等。模型的基本思想是将谐波减速器分解为若干个可靠性块,每个可靠性块代表一个具有独立功能的部分,如齿轮、轴承等,然后建立可靠性块之间的相互关系和作用,通过组合各可靠性块的可靠性指标,计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等。可靠性块图模型内容分析如下。

(1)确定谐波减速器的各个可靠性块,并分析各可靠性块的失效模式和失效率等;

(2)建立可靠性块之间的相互关系和作用,如重要性、相互影响等;

(3)计算各可靠性块的可靠性指标,如可靠度、失效率等,可以采用可靠性统计学方法、理论模型等方法;

(4)组合各可靠性块的可靠性指标,计算谐波减速器的可靠性指标和失效率等;

(5)根据谐波减速器各可靠性块的失效率,可以进行可靠性预测和维护规划等。

模型的优点是能够考虑谐波减速器各可靠性块之间的相互关系和作用,更能反映谐波减速器的实际运行情况,能够为谐波减速器的维护提供有针对性的建议。缺点是分解可靠性块需要较高的专业知识和经验,同时可靠性块之间的相互关系和作用可能存在不确定性。

3 结束语

谐波减速器的可靠性评估和提高是一个系统工程,需要综合考虑各种因素。对谐波减速器的可靠性进行评估和提高,可以提高其稳定性和可靠性,还有一些常用的方法可以提高谐波减速器的可靠性,如维护管理、优化设计、改进材料等。通过这些方法,可以降低谐波减速器的失效率,提高其可靠性,保证其稳定运行,为谐波减速器研究和生产提供有效的力量支撑。