大型掘进机主驱动轴承系统失效风险评估

靳东亮,王高峰,程永龙,狄正贤,魏世忠

(1.河南科技大学 材料学院,河南 洛阳 471023; 2.金属材料磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心,河南 洛阳 471023; 3.龙门实验室,河南 洛阳 471023;4.洛阳轴研科技有限公司,河南 洛阳 471039;5.中铁工程装备集团有限公司,郑州 450016;6.中国科学院 兰州化学物理研究所,兰州 730000;7.郑州轻工业大学,郑州 450000)

1 概述

大型掘进机是隧道施工机械,利用主驱动轴承支承回转刀具破碎软土地层或地层围岩,从而掘进并形成隧道。主驱动轴承运行工况恶劣,可靠性要求高,研制难度大,目前主要依赖进口,每年进口费用达10多亿元,其自主化研制与可靠应用已成为我国大型掘进机国产化进程中典型的“卡脖子”问题[1]。欧美等发达国家已形成大型掘进机主驱动轴承设计、制造技术体系:德国RotheErde在主驱动轴承的精密制造技术方面已经实现8米级主驱动轴承的制造;瑞典SKF研制出大型轴承动态性能试验台,可实现7米级大型轴承的动态性能测试。国内轴承企业及机构针对掘进机主驱动轴承相关技术进行了研究[2]:洛阳LYC轴承有限公司突破了3米级主驱动轴承制造技术;洛阳轴承研究所有限公司研制了土压平衡盾构机用主轴承并在长沙地铁项目中得到应用;中铁装备掌握了主驱动轴承的集成应用技术并积累了丰富的工程应用经验[3]。

国内企业虽然在3米级主驱动轴承设计制造方面取得了一定成果,但在大型掘进机主驱动轴承高承载设计、高精密加工等方面与国外仍存在差距,而且对主驱动轴承应用过程中的失效风险缺乏全面的评估研究,亟需开展相关研究[4]。大型掘进机主驱动轴承一般为三排圆柱滚子转盘轴承(图1),尺寸较大,直径甚至大于6 m,制造周期长且运输困难。主驱动轴承一旦发生早期失效将导致整套设备停机,而洞内维护处理的难度极大,会严重延误施工工期,造成严重的工程损失[5]。因此,全面进行主驱动轴承系统应用的失效风险因素评估,对于建立科学的主驱动轴承维护保养规范、保障主驱动轴承的安全可靠应用具有重要意义。

图1 三排滚子主轴承截面示意图

本文结合以往大型掘进机主驱动轴承工程实践应用中的经验,通过失效因素和模糊数学方法对主驱动轴承系统的失效风险因素进行评估分析,为大型掘进机主驱动轴承系统的研制与应用维护措施的制订提供支持。

2 失效与模糊分析

失效评估是系统失效管理的核心阶段,对失效因素识别和因素控制起到承上启下的作用,也为科学的失效风险管理与控制提供可靠的依据与佐证。常用的失效风险评估模型包括:故障树(FAT)、失效模式及影响分析(FMEA)、模拟仿真法、排队论方法、概率评估方法(PRA)[7]。对于主驱动轴承,主要针对技术特征失效因素进行建模,利用故障树研究需要全面掌握主驱动轴承部件、密封结构以及人员和环境信息,分析难度大且成本高；模拟仿真法的初始条件难以确定,仿真精度受诸多因素的制约,较难控制；排队论方法的预测模型运算过程比较繁琐，编程以及程序运行耗时较多，且模型中复杂因素较多时易产生与实际情况不符的结果；概率评估方法能较好结合定性与定量分析，但建模难度大,需要投入较多的人力、物力对数据进行统计测评,实际应用的难度较大。

FMEA是对产品开发过程中潜在问题予以分析的方法,直接结果是跨功能小组的集体知识的文件化,其中评估部分最重要的是对潜在失效导致的风险进行讨论，与系统风险和安全相关的因素应给予优先阐述以及控制权[8]。因此，本文基于FMEA，结合模糊数学分析与层次分析，建立主驱动轴承系统失效因素风险评估模型，利用改进的FMEA方法对失效因素进行评估，将主驱动轴承系统失效因素以故障类型和故障致因进行排序，找到导致失效的关键因素并针对性地管理[8]，为主驱动轴承系统应用的风险管控提供支持。

3 主驱动轴承系统失效风险模糊分析

3.1 机械系统失效风险模糊综合评估

机械系统失效风险模糊综合评估步骤如图2所示[9-10],具体步骤为:

图2 一般机械系统失效风险模糊综合评估步骤

1)确定失效风险论域U和失效风险评估等级论域集合V,即

U={u1,u2,u3,…,un},

(1)

V={v1,v2,v3,…,vn}。

(2)

W={w1,w2,w3,…,wn};∑w=1且w>0,

(3)

(4)

采用层次分析法得到系统各因素的权重。

3)确定失效风险因素序数(RPN),可表示为

TRPN=SSSOSD,

(5)

式中:SS为严重度;SO为发生频率;SD为可探测度。SS,SO,SD为正整数,取值范围为1～10,其值根据行业专家打分调查取平均值确定。

(6)

(7)

(8)

6)确定二级系统失效因素排序论域Fi,即

(9)

对fij进行排序可得第i个二级系统中因素的失效顺序。

(10)

(11)

8)确定一级系统失效因素排序论域F,即

(12)

对fi进行排序得到第i个一级系统中因素的失效顺序。

3.2 主驱动轴承系统失效因素模糊分析

为在大型掘进机运行过程中对主驱动轴承进行合理的风险评估,针对评估结果制定科学有效的轴承保养维护计划。根据以往经验,对主驱动轴承系统出现的失效因素进行模糊数学分析并建立失效因素层次结构图,如图3所示。

图3 主驱动轴承系统失效因素的层次结构

首先,建立失效风险论域U={u1,u2,u3},其中u1,u2,u3分别为因素失效的概率,失效后被检测的难易程度以及失效后导致的主驱动轴承系统危害性;建立失效风险评估等级论域集合V={0.1,0.4,0.7,1.0}T,分别对应于很难失效、较易失效、容易失效、极易失效。

其次,通过层次分析法[11]确定一级系统和二级系统因素的权重集,即W={0.350 7,0.474 5,0.174 6},W1={0.152 4,0.096 7,0.477 1,0.273 9},W2={0.285 6,0.074 3,0.639 9},W3={0.175 4,0.313 1,0.216 8,0.295 4};选取大型掘进机主驱动轴承制造与应用行业的10名专家,进行问卷调查并对调查数据取平均值确定S的数值,从而得出失效风险因素序数表,见表1。

表1 主驱动轴承系统失效风险因素序数表

然后,根据隶属度函数定义,对连续单因素,采用随机区间F函数四项分布形式描述其通用隶属度函数[12],即

(13)

式中:Γ(x)为失效因素的隶属度函数;ε为根据SS,SO,SD的期望值确定的参数,ε1<ε2<ε3;μ为根据SS,SO,SD的标准差确定的参数。

表2 失效因素隶属度函数参数表

表3 失效因素隶属度

则二级系统中失效因素排序论域Fi为

F2={0.514 8,0.327 0,0.436 8}T,

F3={0.301 2,0.298 5,0.406 0,0.325 2}T,

对Fi中的评估数值按照大小排序可得各二级系统中因素从大到小的失效风险,如轴承部件失效因素排序为滚道面、滚子、内齿圈、保持架;油脂密封系统失效因素排序为密封圈、螺栓、润滑油脂;机电系统失效因素排序为机械备件、电气设备、壳体、螺栓孔。

C1={0.365 0,0.158 9,0.218 8,0.246 1}T,

F={0.499 3,0.450 8,0.330 1}T,

对F论域中的评估数值按照大小排序可得一级系统中3个因素的失效风险顺序,即轴承部件、油脂密封系统、机电系统。因此,基于FEMA和模糊分析方法对主驱动轴承进行系统失效风险评估的结果表明,轴承部件的失效风险最大,应给予更多的注意与管控。

4 主驱动轴承系统部件失效统计

为更加准确地评估主驱动轴承系统的失效风险,统计了国内外大型掘进机主驱动轴承失效案例[13-27]并调研了相关制造、应用企业,主驱动轴承系统的失效因素分布以及失效形式的概率分布如图4所示:滚道表面的锈蚀、磨损和压痕损伤在主驱动轴承失效形式中占比最高;其次是密封结构老化或损伤,密封失效极易使硬质颗粒进入润滑油脂,导致润滑油脂劣化并使轴承部件出现压痕与磨损失效;滚道和滚子表面的剥落与划伤失效占比较小,其与密封结构失效和运行工况有密切关系;滚子、滚道和齿面的裂纹在主驱动轴承故障失效中的占比很小,但其危害却最严重,裂纹进一步发展会导致大面积剥落甚至齿面断裂,严重影响主驱动轴承的正常运行。

(a) 失效因素分布

统计分析结果与主驱动轴承系统的FMEA结果基本一致,验证了FMEA方法的有效性,也进一步说明,在主驱动轴承应用过程中应该对轴承部件给予更多的重视,制定严格的维护保养规范,而且也应加强对密封圈的检查维护,保证密封系统的正常运行。

5 结束语

本文通过失效因素和模糊数学方法对大型掘进机主驱动轴承系统的失效风险因素进行评估分析,将失效风险按从大到小进行排序,轴承部件失效因素排序为滚道面、滚子、内齿圈、保持架,油脂密封系统失效因素排序为密封圈、螺栓、润滑油脂,机电系统失效因素排序为机械备件、电气设备、壳体、螺栓孔。

失效与模糊分析的结果与工程应用中失效的主驱动轴承案例统计结果基本一致,轴承部件的失效风险更高,其中滚道面的失效概率最高。因此,在大型掘进机主驱动轴承的工程应用中,需要对轴承部件和密封进行重点关注与防护,采取针对性的维保措施以防止其早期失效,从而提高主驱动轴承的服役性能和寿命。