机械传动齿轮失效模式分析

曾雪莲

(福建船政交通职业学院 汽车学院,福建 福州 350007)

失效模式及影响分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)是一种挖掘潜在风险,进行风险评估,对风险优先定级的逻辑分析方法[1],也是当前产品开发过程重要的可靠性分析技术[2].通过评估预测产品在设计、制造和使用过程中潜在的失效模式,分析失效的原因和后果,并采取相应的措施,以避免或减少失效风险,提高产品的可靠性.常见的FMEA有4种类型,分别是系统FMEA(主要考虑系统缺陷引起的潜在故障模式)、设计FMEA(主要考虑设计缺陷引起的潜在故障模式)、过程FMEA(主要考虑生产或装配缺陷引起的潜在故障模式)和服务FMEA(主要考虑服务过程缺陷引起的潜在故障模式).在产品设计过程中,FMEA根据潜在失效模式对“顾客”的影响进行排序列表,建立一套改进设计和开发的优先控制系统,从而提高产品的可靠性.FMEA的作业内容包括[3]失效模式分析、潜在失效后果分析、严重度分析、失效原因分析、发生度分析、难检度分析和改正措施7项内容,其工作流程如图1所示.

图1 FMEA流程

1 齿轮失效故障树

故障树分析就是在产品设计过程中,分析可能造成产品或事件失效的各个因素,画出故障树图,确定产品或事件失效的原因及概率[4].建立故障树时,通常把最不希望发生的事件,即齿轮失效作为顶事件(T1),并置于故障树第一行.找出导致T1发生的各因素作为中间事件,并以此类推,找出引起齿轮失效且不能或不需分解的原因作为底事件.如图2建立齿轮失效故障树,作为顶事件的齿轮失效主要由以下几个因素引起[5]:齿面耗损(A)、胶合(B)、永久变形(C)、齿面疲劳(D)、裂纹(E)和轮齿折断(F).表1是齿轮失效的底事件代号及底事件对应关系.

表1 齿轮失效故障树中各代号对应的底事件

图2 齿轮失效故障树

假设各个事件的失效率满足指数分布,则

F(i)=1-e-λit,

(1)

式中i为齿轮失效的某一个割集,F(i)为割集i引起的事件失效率,λi为割集i引起的故障率,t为齿轮连续工作时间.

那么齿轮系统的平均寿命MTBF为

(2)

由式(1)可得齿轮系统的故障率

P(X)=F(A1)+F(A2)+F(A3)+F(A4)=(1-e-λA1t)+(1-e-λA2t)+(1-e-λA3t)+…+(1-e-λF4t),

(3)

式中F(A1)、F(A2)、F(A3)、…、F(F4)是表1中各底事件的失效率.

由此可得到齿轮系统的可靠性公式:

R(X)=1-P(X).

(4)

2 齿轮失效原因分析

由于齿轮的工作环境不同,且齿轮的结构设计、材质、加工、装配、润滑等条件也存在差异,因此造成齿轮的失效模式也有所不同[6].根据齿轮失效故障树的失效底事件,利用鱼骨分析法对齿轮在设计、加工制造、材料选用、热处理及维护使用等方面进行分析,通过如图3所示鱼骨图得出导致齿轮失效的各种因素.

图3 齿轮失效原因分析鱼骨图

3 煤矿齿轮FMEA分析

煤矿机械在煤矿生产中具有重要作用,然而由于煤矿机械的工作环境恶劣,机械故障时有发生,其中齿轮是损坏概率最高的构件之一.煤矿开采的大部分工作是在井下进行,机械设备的工作环境极为恶劣,作业空间狭小且粉尘集聚,对齿轮损耗很大[7].

以煤矿机械齿轮为例,根据合作企业提供的故障经验数据,对煤矿机械齿轮的失效模式及影响进行分析整理,得出表2所示的FMEA报告.其中故障严重度(SER)根据齿轮失效对整机影响的后果划分为6个等级,如表3所示.故障发生概率(PFO)与故障检测率(PD)根据企业经验数据划分为6个等级,如表4和表5所示.风险优先系数(RPN)是故障严重度(SER)、故障发生概率(PFO)和故障检测率(PD)的乘积,用来排列潜在的薄弱环节,RPN值越大表明出现故障的概率越高、风险越大.根据RPN数值,采取有效的措施以降低重要特征的故障影响,提高整机的可靠性.

表2 煤矿机械齿轮FMEA报告

表3 严重度(SER)评分依据和细则

表4 故障发生概率(PFO)评分依据和细则

表5 故障检测概率(PD)评分依据和细则

4 可靠性措施

根据齿轮失效FMEA报告,针对潜在故障模式制定相应的预防措施,及时发现齿轮在工作时的各种故障并正确处理,降低齿轮故障率,提高系统可靠性.

优化齿轮设计,确保强度要求.设计人员应根据齿轮的具体工作环境,针对齿轮的主要失效形式优化结构设计,确保强度要求,完善对应工况的参数计算公式.以渐开线圆柱齿轮为例,一般在设计时先根据简化设计公式估算主要尺寸,再根据强度校核公式校核[8],如果齿轮工作时可能出现少次数、短时间的超负荷工况,则应进行静强度校核.

合理选材,改良制造工艺.在齿轮生产过程中,选材不良或制作流程、热处理工艺不当容易造成齿面不均、强度和硬度不够,甚至出现磨削裂纹和淬火裂纹,进而导致齿轮失效.表6是齿轮用各类钢材和热处理的特点及适用条件.

表6 齿轮用各类钢材和热处理的特点及适用条件

规范使用,保障润滑.为了保障齿轮运行的安全性和可靠性,工作人员应严格遵照规范作业流程,确保载荷工况符合规定要求,定期检修,及时发现齿轮潜在失效问题.合理的润滑保养对降低齿轮磨损、提高齿轮使用寿命具有重要意义.

改善使用环境,做好除尘防尘工作.

5 结论

根据故障树分析法建立了齿轮失效故障树,在各个事件的失效率满足指数分布条件下,得出齿轮系统的可靠性公式.利用鱼骨分析法阐述齿轮在设计、选材、热处理、制造、装配、润滑和使用维护方面的潜在失效原因,得出齿轮失效原因分析鱼骨图.以煤矿机械齿轮为例,对煤矿机械齿轮失效模式涉及的严酷度、发生概率和故障检测率进行分析,建立煤矿机械齿轮FMEA报告表.从风险优先系数可看出在煤矿齿轮作业过程中,要特别注意齿面疲劳失效、齿面耗损和齿面胶合,同时根据齿轮失效模式提出齿轮可靠性保障措施.